分析城市轨道交通直流馈出电缆在线监测技术

分析城市轨道交通直流馈出电缆在线监测技术

赵朋莲

天津三号线轨道交通运营有限公司 300380

【摘要】城市轨道交通运行过程中的供电系统安全是保障城市轨道交通安全平稳运行的重要因素之一。直流馈出电缆作为城市轨道牵引供电系统中的重要组成部分，保障其安全可靠的运行状态，及时发现潜在隐患，避免问题进一步扩大而引发严重的安全事故则显得十分重要。受制于直流馈出电缆敷设条件恶劣，数量巨大等现实条件，传统绝缘检测方法耗时费力、检测精度不高且无法及时预判及监测电缆缺陷。因此，城市轨道交通直流馈出电缆在线监测技术的提出及应用，则为解决这一难题提供了一条切实有效的途径。本文分析了城市轨道交通直流馈出电缆在线监测技术的监测原理及应用系统构成，对于实际工作起到参考作用。

关键词：城市轨道交通；直流馈出电缆；在线监测技术

城市轨道交通列车牵引供电一般采用接触轨（第三轨）或架空接触网形式分别通过列车受流靴或受电弓为列车供电，常用额定电压等级分别为DC750V、DC1500V。直流馈出电缆作为连接直流馈出开关柜和隔离开关的桥梁及直流电流通路，一般采用多根并联的形式以提高供电可靠性。传统的直流电缆绝缘检测手段一般为停电后，通过绝缘电阻测试仪分别测试各直流电缆的绝缘电阻，通过查看绝缘电阻的数值及变化趋势判断直流电缆的绝缘状态及运行趋势。然而随着城市轨道交通的蓬勃发展，直流馈出电缆的投用数量非常巨大，传统检测手段需要耗费大量的人力物力，且细微的绝缘缺陷不易发现，检测手段低效。利用城市轨道交通直流馈出电缆在线监测技术可以在直流馈出电缆运行情况下实时监测电缆运行状态，及时发现电缆缺陷，为直流馈出电缆的精准化检修提供了可靠依据，极大的降低了直流馈出电缆检修的人力物力成本，保障了直流馈出电缆的可靠运行。下文将分别分析阐述直流馈出电缆在线监测技术的监测原理及应用系统构成。

1. 直流馈出电缆在线监测技术原理

直流馈出电缆在线监测技术研究主要借鉴交流电缆的监测手段，通过原理分析用于交流电缆检测的直流叠加法、介质损耗检测、接地电流法、交流叠加法均不适用，故直流馈出电缆的检测原理依据为直流电缆的局部放电法和泄露电流法。

采用直流电缆的局部放电在线检测主要基于两点，一是局部放电检测法的广泛应用，二是由于直流电缆由于外界潮湿环境、电动力或外力破坏及敷设曲率半径不足等原因导致的绝缘性能下降会引发局部放电现象，当电缆的绝缘层发生轻微破坏放电时，并不会触发相关开关柜保护，电缆仍能正常运行，且并不一定会产生恒定的直流泄露电流，但检测到该放电信号时，表明电缆绝缘已经受损，需要进行检修更换处理，缺陷检测灵敏性较高，能及时杜绝故障的扩大。

另一种采用直流电缆的泄露电流法检测绝缘电阻的原理在于直流馈出电缆的直流电阻，可以直观的反映出绝缘材料在直流作用下的绝缘特性。当绝缘材料出现老化破损时，其直流电阻必然会出现降低，而绝缘材料的直流电阻R与泄露电流I有如下关系R=U/I,且两者存在较好的线性关系，因此通过在线监测泄露电流的变化可以提前发现馈出电缆绝缘性能的变化。由于直流馈出电缆一般选用无铠装或铠装层不接地的形式，泄露电流的测量无法使用类似于测量交流电缆泄露电流的方法，只能通过间接方法测量。研究发现，机车停运时电缆无负荷，此时测得的流经馈出电缆的电流近似等于泄露电流，因而可间接测得直流馈出电缆的泄露电阻，从而获得直流馈出电缆绝缘性能的变化。

2. 直流馈出电缆在线监测系统阐述

1. 监测系统总体方案

直流馈出电缆在线监测系统，利用分布式并行采集、处理技术，分别在直流馈出电缆各个监测通道建立数据采集和处理模块，所有处理结果归集到后台智能监控处理系统进行判别决策，最终用于直流馈出电缆的绝缘诊断。直流馈出电缆的局部放电信号或泄露电流信号经过信号滤波和放大处理之后，再利用模数转换模块将得到的模拟信号转换成数字信号输入到前端数据采集与处理系统中。经前端数据采集处理系统处理后的数据归入到数据库中。后台智能监控处理系统通过对数据库中相关数据的分析来评估判断直流馈出电缆绝缘情况。

2. 监测系统硬件

直流馈出电缆在线监测系统的硬件构成主要包括以下几个部分：

1. 局部放电传感器与直流泄露电流传感器。两个不同类别的传感器分别用于直流馈出电缆局部放电信号和泄露电流信号的采集。其中局部放电传感器为HFCT传感器利用宽频带技术和传统脉冲电流法监测电缆放电信号，该传感器选用超微晶磁性材料作为磁芯，既缩小了传感器尺寸又大大提高了传感器的灵敏性。该材料与同类材料相比具有易加工、稳定性高、损耗低、磁导率高、高饱和磁感应的特点。监测现场存在大量窄带干扰信号，对放电监测影响很大，因此该传感器的研制应用需要针对性处理。直流泄露电流传感器则用于非接触式测量停运时段的输入电流。该传感器为穿心式直流微电流传感器，主要应用了霍尔兹平衡测量原理开发，针对性的解决了直流泄露电流信号弱的问题，该传感器的应用量程为0~100mA。

2. 数据采集系统。直流馈线电缆在线监测系统采集的信号为直流馈出电缆局部放电信号和直流泄露电流信号，由于局部放电信号为高频信号而泄露电流信号为低频信号，故数据采集系统的采样速率设计为可调系统，该系统主要包括信号滤波电路、信号放大电路、模数转换电路、时钟触发电路、中断产生电路、数据线、CPU等构成。

3. 监测系统软件

城市轨道直流馈出电缆在线监测系统的软件主要包括两部分，分别为前端的数据采集处理单元和后台监控管理单元。在功能上划分则分为数据采集模块、数据处理模块和专家系统模块。其中数据采集模块和数据处理模块主要用于采集卡的参数设置，控制数据采集卡的启动和停止，原始数据存储、处理及向服务器进行数据传输。后台监控管理单元通过实时分析数据，发现异常电流值，利用专家系统全面汇总分析历史数据，评估直流馈出电缆绝缘性，进而发出报警信息或相关工作提示。由于机车运行阶段具有较大的负荷电流，因此可以利用监测系统分时采集放电和直流泄露电流信号。

结束语：

本文分析阐述了城市轨道交通直流馈出电缆在线监测技术对比传统直流馈出电缆绝缘检测手段的优劣，阐述了当前城市轨道交通直流馈出电缆在线监测技术的监测原理及监测系统构成，为该技术的发展应用提供了借鉴参考。当前城市轨道交通直流馈出电缆在线监测技术整体来看还处于起步验证阶段，需要积累大量的现场检测数据，丰富专家数据库进而完善故障诊断规则。

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