安科(kē)瑞 陳(chén)聰

摘要(yào)：從城市軌(guǐ)道交(jiāo)通直(zhí)流牽(qiān)引供電係統架構和(hé)直(zhí)流電纜(lǎn)結(jié)構(gòu)入手(shǒu)，分析(xī)了(liǎo)直流電(diàn)纜(lǎn)在(zài)係(xì)統(tǒng)中的重要(yào)作(zuò)用，闡述(shù)了對(duì)直流(liú)電(diàn)纜絕(jué)緣進(jìn)行監測的必要性。在不改變(biàn)原(yuán)有係統架構和直(zhí)流(liú)電纜(lǎn)結構基(jī)礎上，提出直(zhí)流電(diàn)纜絕緣(yuán)監(jiān)測(cè)方案(àn)，並(bìng)通過理論分析，計算，給(gěi)出電(diàn)纜(lǎn)絕(jué)緣(yuán)層(céng)和(hé)電纜外護(hù)套(tào)絕緣性能(néng)降(jiàng)低的(dí)報(bào)警(jǐng)值(zhí)。

關(guān)鍵詞：城(chéng)市軌道交(jiāo)通；DC1500V；電纜；絕緣；在綫監(jiān)測

0引(yǐn)言

按(àn)照交(jiāo)通運輸部數據(jù)，截(jié)至(zhì)2021年底，我國共(gòng)有51座城市開(kāi)通運營城市(shì)軌道交通綫路(lù)共269條，運營(yíng)裏(lǐ)程達(dá)8708km[1]，其(qí)中(zhōng)95%以(yǐ)上(shàng)的(dí)綫路采用(yòng)DC750V，DC1500V電(diàn)壓製式(shì)供電，電能(néng)從牽(qiān)引(yǐn)變電所到接觸(chù)網(wǎng)主(zhǔ)要采用直流電纜(lǎn)傳(chuán)送。直(zhí)流電纜敷設條件(jiàn)比(bǐ)較復雜，如變(biàn)電所電(diàn)纜夾層，戶外直埋(mái)，電(diàn)纜溝，電纜槽(cáo)等(děng)，經(jīng)常(cháng)處於潮(cháo)濕環境，存(cún)在(zài)鼠蟻害(hài)風險，而(ér)且運(yùn)營維護(hù)檢(jiǎn)修不便。

由於直(zhí)流(liú)牽引供電係統(tǒng)正負(fù)極(jí)不接地(dì)懸浮係(xì)統的(dí)特性，至(zhì)今(jīn)沒有(yǒu)成(chéng)熟的監測(cè)經驗和案例。本文(wén)通(tōng)過研究和(hé)工程(chéng)實踐(jiàn)提(tí)出一(yī)種用(yòng)於監測電(diàn)纜(lǎn)絕緣性能降低的方(fāng)法(fǎ)，在(zài)事故發(fā)生(shēng)之前監測係統可預(yù)判並通(tōng)知(zhī)運(yùn)營部(bù)門(mén)提前處(chǔ)理(lǐ)，避免(miǎn)事故(gù)擴大(dà)。

1係(xì)統(tǒng)構成

圖1為城軌(guǐ)直流(liú)牽引供(gōng)電(diàn)係統(tǒng)示(shì)意圖(tú)。整(zhěng)流(liú)機組將(jiāng)AC35kV，AC33kV或(huò)AC10kV交(jiāo)流電(diàn)源轉(zhuǎn)換成DC750V，DC1500V，通過直(zhí)流開(kāi)關櫃分配，饋(kuì)出(chū)至對(duì)應(yīng)的(dí)接觸網為車輛供(gōng)電(diàn)，因(yīn)此直流(liú)電(diàn)纜是(shì)整(zhěng)個係統中的重(zhòng)要環節(jié)，而且(qiě)處於近(jìn)電源(yuán)端的(dí)位(wèi)置(zhì)，一旦係(xì)統發(fā)生(shēng)金屬(shǔ)性(xìng)短路，故(gù)障(zhàng)電流(liú)將高(gāo)達(dá)10kA，事故(gù)將直接(jiē)影響行車安(ān)全和人(rén)身安全，由(yóu)此可見，直流電(diàn)纜(lǎn)絕(jué)緣性能對(duì)整個牽(qiān)引供電係統至關重要。

2直(zhí)流(liú)電(diàn)纜絕緣監(jiān)測方(fāng)案

2.1直流電(diàn)纜結(jié)構

城市軌(guǐ)道交通牽引(yǐn)供電係統(tǒng)用直流電(diàn)纜選(xuǎn)用(yòng)低壓，無鹵(lǔ)，阻燃(rán)，防(fáng)水，防鼠蟻(yǐ)銅芯鎧裝(zhuāng)電(diàn)纜，其結(jié)構(gòu)如(rú)圖2所(suǒ)示，主(zhǔ)要由導(dǎo)體(tǐ)，絕緣層，金屬鎧(kǎi)裝(zhuāng)層，外護套組成。為降(jiàng)低工程難度(dù)，對電纜的絕(jué)緣監(jiān)測應盡量不改變原有直流供電係統架構(gòu)和(hé)直(zhí)流電纜的結構。

2.2直(zhí)流(liú)電(diàn)纜絕緣(yuán)監(jiān)測接綫方案

直(zhí)流電纜(lǎn)絕(jué)緣監測(cè)接(jiē)綫方案如(rú)圖3所示，每回(huí)直(zhí)流電纜(lǎn)由(yóu)多根(gēn)電纜(lǎn)並聯(lián)組成。將(jiāng)同一(yī)回(huí)路(lù)的多根直(zhí)流電纜的金屬鎧(kǎi)裝(zhuāng)層通(tōng)過導(dǎo)綫(xiàn)連接在(zài)一(yī)起，在(zài)導體(tǐ)和鎧裝(zhuāng)層之間(jiān)並(bìng)聯電阻R1，在鎧裝層(céng)和負(fù)極之間並聯電阻R2。

設置電壓(yā)變送(sòng)器分別(bié)采集導體(tǐ)對負(fù)極的電壓(yā)U和金(jīn)屬(shǔ)鎧裝層(céng)對負(fù)極的(dí)電壓US，並將U和US發(fā)送(sòng)給智(zhì)能監測(cè)單(dān)元進行(háng)運(yùn)算(suàn)。選(xuǎn)取(qǔ)R1=200Ω，R2=200Ω，電壓(yā)變送器輸入(rù)電壓為±2000V，輸出(chū)電流(liú)為±20mA。

3直流(liú)電纜絕緣(yuán)監測(cè)原理

3.1直流(liú)電纜絕緣監測(cè)原理與計算方(fāng)法

圖4為(wéi)直流電纜絕緣監測等效(xiào)電氣原理圖。

圖(tú)中(zhōng)：U為(wéi)導體(tǐ)(正極)對負極的電壓(yā)(1#電壓(yā)變送器(qì)測(cè)量的電壓(yā))；UC為導體對金屬(shǔ)鎧(kǎi)裝層的電壓；US為金屬(shǔ)鎧裝(zhuāng)層(céng)對負極的電(diàn)壓(2#電壓變送(sòng)器(qì)測(cè)量的電(diàn)壓)；RC為(wéi)導(dǎo)體與金(jīn)屬(shǔ)鎧(kǎi)裝層(céng)之(zhī)間(jiān)的絕(jué)緣(yuán)電阻；RS為(wéi)金屬鎧(kǎi)裝層與(yǔ)負極(jí)之(zhī)間的絕緣電阻(zǔ)；R1為與RC並聯的附加(jiā)電(diàn)阻；R2為與RS並聯的(dí)附加電阻。

R1與(yǔ)RC並聯(lián)的(dí)電阻(zǔ)R1'：

正(zhèng)常運行時，RC，RS，R1，R2為固(gù)定(dìng)值(zhí)，因(yīn)此(cǐ)金屬鎧裝(zhuāng)層對負(fù)極的電壓(yā)US隻隨導體對負極電壓(yā)U的變化(huà)而變化。因此(cǐ)，正常運行(háng)時(shí)，US/U為(wéi)固(gù)定值(zhí)，不隨(suí)電壓的(dí)變化而(ér)變化(huà)，其值小(xiǎo)於1。

3.2電纜(lǎn)導(dǎo)體對(duì)金屬鎧裝(zhuāng)層絕緣故(gù)障(zhàng)分析(xī)

根據圖(tú)4，當導體對(duì)金屬鎧裝層絕緣故障(zhàng)時，其(qí)絕(jué)緣電(diàn)阻(zǔ)RC減小，而(ér)金(jīn)屬鎧(kǎi)裝層對負(fù)極的(dí)絕(jué)緣電阻RS不(bù)變，US隨RC的(dí)減(jiǎn)小而(ér)增大(dà)，US/U也隨(suí)之(zhī)增大(dà)；最嚴重(zhòng)情況(kuàng)下(xià)RC=0，此(cǐ)時US=U，US/U=1。

3.3電纜金屬鎧裝層對地(dì)絕(jué)緣(yuán)故(gù)障分析(xī)

根據圖4，當金屬鎧裝層對(duì)負(fù)極絕(jué)緣故障時(shí)，其絕(jué)緣(yuán)電(diàn)阻(zǔ)RS減(jiǎn)小(xiǎo)，而(ér)導體對金屬(shǔ)鎧(kǎi)裝層的絕(jué)緣(yuán)電(diàn)阻RC不變，US隨RS的(dí)減(jiǎn)小而減(jiǎn)小(xiǎo)，US/U也隨之減小(xiǎo)；最嚴重(zhòng)情況(kuàng)下(xià)RS=0，此(cǐ)時US=0，US/U=0。

4告警值(zhí)的(dí)設定(dìng)

4.1電(diàn)纜導體對金(jīn)屬(shǔ)鎧裝絕(jué)緣(yuán)故障(zhàng)時(shí)的報警設置(zhì)

正(zhèng)常(cháng)運行時(shí)US/U為固(gù)定值，設(shè)為A，導體(tǐ)對鎧裝層絕緣故障最(zuì)嚴(yán)重(zhòng)情況下US/U=1，設基準為 (1−A)。實時監測U及US，並(bìng)計(jì)算US/U的(dí)值(zhí)，隨著(zhuó)絕緣電阻的下降，US/U的(dí)值(zhí)增(zēng)大。計算電壓偏差百分比(bǐ)(US/U−A)/(1−A)的值，並根據(jù)該值(zhí)進行報(bào)警(jǐng)。

表1所(suǒ)示為(wéi)直流電纜導體(tǐ)對(duì)鎧裝層絕緣故障時(shí)的報警(jǐng)值計(jì)算(suàn)，報(bào)警(jǐng)值(電(diàn)壓(yā)偏差(chà)百(bǎi)分比(bǐ))可(kě)設為39.29%，對應導(dǎo)體對(duì)金屬鎧裝層的絕緣(yuán)電阻降低(dī)到正(zhèng)常時的(dí)0.01倍。

4.2電(diàn)纜(lǎn)鎧(kǎi)裝(zhuāng)層(céng)對(duì)負極絕(jué)緣故障時的報警設置

正(zhèng)常運(yùn)行時(shí)US/U為固定(dìng)值(zhí)A，鎧裝(zhuāng)層(céng)對負(fù)極(jí)絕(jué)緣故障(zhàng)最嚴(yán)重(zhòng)情況(kuàng)下(xià)US=0，設基準(zhǔn)為A。隨(suí)時監(jiān)測U及US，並計(jì)算US/U的值，隨著(zhuó)絕(jué)緣電(diàn)阻的下降，US/U的(dí)值減小(xiǎo)，計(jì)算電(diàn)壓偏差(chà)百(bǎi)分比(bǐ)(US/U−A)/A的值，根據該(gāi)值(zhí)進行(háng)報警。如表(biǎo)2所(suǒ)示計算(suàn)，報(bào)警值可設為(wéi)−56.41%，對(duì)應鎧裝層對(duì)負(fù)極的絕(jué)緣電(diàn)阻降低到正常(cháng)時(shí)的(dí)0.01倍(bèi)。

5絕緣監(jiān)測(cè)及(jí)絕緣(yuán)故障定位(wèi)產(chǎn)品

5.1絕緣監測及(jí)絕緣(yuán)故障(zhàng)定位產(chǎn)品

AIM-T係列(liè)工業(yè)用絕緣(yuán)監測(cè)儀(yí)

AIM-T係(xì)列絕緣監(jiān)測儀主要(yào)應(yīng)用(yòng)在工(gōng)業(yè)場所IT配電係(xì)統(tǒng)中，主(zhǔ)要包括AIM-T300，AIM-T500和AIMT500L三款(kuǎn)產(chǎn)品(pǐn)，均(jūn)適(shì)用於(yú)純交流，純直(zhí)流以(yǐ)及交(jiāo)直流混(hùn)合(hé)的係(xì)統。

其中AIM-T300適(shì)用於(yú)450V以下(xià)的交流，直流以及交直流(liú)混(hùn)合係(xì)統(tǒng)，AIM-T500適用於(yú)800V以(yǐ)下的交流，直(zhí)流以及交(jiāo)直流混(hùn)合(hé)係(xì)。AIM-T500L相(xiāng)比AIM-T500增加(jiā)了(liǎo)絕緣故障定(dìng)位功能(néng)。

5.2絕緣故障定位產品

工(gōng)業用絕緣故障定(dìng)位產(chǎn)品配合(hé)AIM-T500L絕(jué)緣(yuán)監(jiān)測儀使用(yòng)，主要(yào)包(bāo)括ASG200測試信號發生器(qì)，AIL200-12絕緣(yuán)故障(zhàng)定位(wèi)儀，AKH-0.66L係(xì)列電(diàn)流互感器(qì)，適用於(yú)出綫回路較多的IT配(pèi)電係統(tǒng)。

5.3絕(jué)緣監(jiān)測耦(ǒu)合(hé)儀

絕(jué)緣(yuán)監測(cè)耦(ǒu)合儀(yí)配(pèi)合(hé)AIM-T500絕(jué)緣監(jiān)測儀(yí)使用，主(zhǔ)要包(bāo)括ACPD100，ACPD200，適用於交流電壓高(gāo)於(yú)690V，直(zhí)流電壓(yā)高於(yú)800V的(dí)IT配電係統。

6技術(shù)參數

6.1絕緣(yuán)監(jiān)測儀(yí)技術(shù)參數(shù)

6.2測試(shì)信(xìn)號發(fā)生器技術參(cān)數(shù)

6.3絕(jué)緣(yuán)故(gù)障(zhàng)定位儀技術(shù)參(cān)數

6.4 AKH-0.66L係(xì)列電(diàn)流互感器技(jì)術參數

6.5絕緣監測(cè)耦合儀(yí)技術參數(shù)

7結語(yǔ)

根(gēn)據(jù)本文分析(xī)和(hé)研(yán)究(jiū)，基(jī)本可(kě)以看(kàn)出(chū)，通過測量直流電(diàn)纜導(dǎo)體與負極之間(jiān)的電壓(yā)U及金(jīn)屬(shǔ)鎧(kǎi)裝層(céng)與負極之間的電壓US，便可判斷出(chū)直(zhí)流(liú)電(diàn)纜(lǎn)絕緣(yuán)和外(wài)護(hù)套(tào)的(dí)絕緣(yuán)情(qíng)況，並(bìng)可通過運(yùn)算(suàn)作出判別。判別方法(fǎ)簡單(dān)可(kě)靠(kào)，投(tóu)資可(kě)控(kòng)。該方案可(kě)以針(zhēn)對單根電纜，也可以考(kǎo)慮(lǜ)將單個饋綫(xiàn)回(huí)路(lù)的幾(jī)根(gēn)電(diàn)纜的金屬(shǔ)鎧裝(zhuāng)層(céng)並聯(lián)統(tǒng)一(yī)采(cǎi)集，判(pàn)別和保(bǎo)護(hù)。

下一階段將盡快(kuài)推進(jìn)實現(xiàn)產品(pǐn)研製(zhì)與工程實踐(jiàn)應用(yòng)。在(zài)理(lǐ)論研究方麵，可以(yǐ)在(zài)本文(wén)所述方案(àn)基(jī)礎(chǔ)上(shàng)作進一步(bù)功能擴(kuò)展，例如(rú)嘗試如何通過(guò)監(jiān)測(cè)和(hé)運(yùn)算(suàn)識別(bié)出故(gù)障位置，如何識(shí)別負極電(diàn)纜(lǎn)的絕(jué)緣性能(néng)降低等(děng)。

參考文獻(xiàn)：

［1］交通運(yùn)輸部(bù).2021年12月城(chéng)市軌道交通(tōng)運營(yíng)數(shù)據(jù)速報(bào).

［2］範(fàn)巧(qiǎo)蓮.直流電(diàn)纜(lǎn)絕緣(yuán)監(jiān)察保護原(yuán)理及在地(dì)鐵中的(dí)應(yīng)用[J].電(diàn)氣(qì)化(huà)鐵道，2004(4)：30-32

［3］安科瑞企(qǐ)業(yè)微電(diàn)網設(shè)計(jì)與(yǔ)應(yīng)用手冊.2020.6版；

［4］安科瑞(ruì)IT係(xì)統(tǒng)絕(jué)緣監測故障定位裝置(zhì)及(jí)監控係統（中英(yīng)文(wén)）2020.01版