大电流供电系统智能故障预警

大电流供电系统智能故障预警

段程方,佟昊坤,高骏逸

青岛地铁运营有限公司   山东青岛 266000 

摘要：为机车正常供电的牵引供电系统和为铁路其他用电设备供电的电力系统的核心是安全、稳定和持续供电。牵引供电和电力专业相关所亭安全可靠运行的坚强保障是综合自动化系统，因此此类所亭须设置直流系统，以保证综合自动化系统在极限条件下的正常运行。综合自动化系统是供电和电力所亭保障正常供电、切除故障支路并尽可能缩小影响范围的智能化和自动化装置。装置采用110/220V制式的直流供电或采用以直流电源逆变的交流电源供电，以保证装置不因电源问题产生断电，因此直流系统的正常运行直接关系牵引供电系统的运行安全。本文对大电流供电系统智能故障预警进行分析，以供参考。

关键词：大电流；供电系统；智能故障预警

引言

近年来，在深入实施“中国智造”的背景下，传统金属冶炼行业的供电系统正加快向智能化生产转型，在多个冶炼专业领域和生产运输环节寻求技术创新。电解车间的供电电流较大，在阴极铜电解精炼的工序中，由于阴阳极板交叠摆放，彼此间距狭小，经常引发供电支路短路，导致较大的电力损耗。如果发现处理不及时，长时间的短路会导致电解液温度过高、阴极铜品质劣化，甚至报废。传统上，电解车间普遍采用的人工定时定班巡检的方式可以一定程度上缓解该问题，但是同样存在检测精度波动大，速度慢，人力成本投入高等问题。

1大电流供电系统智能预警简介

目前，国内某些大型铜厂为提高检测速度和精度，降低生产成本，开始采用搭载红外相机的机器人智能识别系统取代传统的人工，巡检电解铜车间内的供电线路。该系统由红外图像采集、传输和处理三个模块组成。机器人运行在位于车间顶部的轨道下，其内部集成的红外相机以固定的线路全面地下视扫描车间内的每一座电解槽及其容纳的电解铜极板，拍摄出一系列红外照片。工业以太网设备通过WLAN和光纤将机器人采集到的每一帧红外照片实时向外传输。位于监控室内的计算机负责接收红外照片，并对其进行分析处理，最后定位出短路过温极板的准确位置。

2低压交流供电系统交流故障电弧

电弧放电现象产生是电流通过某些绝缘介质（例如空气）所产生的瞬间火花，且多数载流子为发生一次电子发射（电子从物体逸入到周围媒质的现象）所产生的电子，一般伴随着电极的部分挥发。故障电弧作为电弧类型中的一种“坏弧”，产生特征比较明显，主要表现在电弧电流的上个周期结束与下半个周期开始的这个时间里，电弧电流并不是一般的正弦波，而是另外的一个规律，那就是电弧电流等于电弧两端电压与电弧阻抗的比值。在这段过零点的一小段时间内，由于阻抗变大，故障电弧电流就会限制的非常小，几乎为零。下一个半周期同样也会出现相同的现象，在这段时间里我们把这种电流近乎为零的现象称之为电弧电流的“零休现象”。根据故障电弧与负载连接方式的不同，可以划分为串联故障电弧、并联故障电弧和接地故障电弧。较为常见的是串联故障电弧和并联故障电弧。由于线路老化，或者接触不良、绝缘破损、受潮或者其它原因导致直流串联故障电弧发生，此类故障电弧发生后，回路电流减小，且极具隐蔽性。故障电弧都具有很高的能量，引起的温度即可高达数千摄氏度，当线路发生故障电弧时，如果不进行人工干预，容易导致线路系统的对地故障电弧。

3直流系统组成及工作原理

牵引供电所亭直流系统一般由并联蓄电池组、整流高频开关、绝缘和电压监测装置、逆变电源及硅链调压装置组成。并联蓄电池组的作用为当外电源失电时由蓄电池组短时供给所内直流用电设备；整流高频开关的功能是将外部供给的交流电源变换为直流电源供给所内直流用电设备和蓄电池组；绝缘和电压监测装置采用不平衡电桥原理，计算出正、负母线同时接地时的电阻值和电压值；逆变电源的功能是将直流电变换为交流电，以供给交流用电设备；硅链调压装置的作用是保证直流母线上的直流电压处于设定允许的范围内。

4接地故障选判装置工作原理

针对直流系统的特点，结合现有的绝缘和电压监测装置，提出一种直流系统接地故障选判装置。其工作原理：对馈出开关进行改造，在每一个直流回路的开关下口处加装对地可调电阻，由绝缘及电压监测装置控制其投切和大小调整；当某回路某极发生绝缘降低故障时，绝缘及电压监测装置启动，由此装置控制轮流投入各支路非故障极的对地电阻，并对其电阻值进行调整以得到适宜的电流值，然后利用基尔霍夫电流定律，依据故障支路开关处的正、负极电流的代数和为零的现象，对各支路开关处的两极电流进行差值的比较，最终确定绝缘异常的回路。

5电缆故障划分

按电缆材料划分，可分为导电材料自身原因、非导电绝缘材料自身原因和复合型原因。（1）导电材料自身原因，指电缆中金属导体（包括铝外皮、铅、钢带、铜、半导体）开路的故障，因导电材料的连续性遭到损坏，形成不完全断线或完全断线，其中不完全断线不易发现，这类故障或障碍可划分为：多点或一点断开、多相或一相断线等。（2）非导电绝缘材料自身原因，指金属导体与金属导体间和金属导体与非导电绝缘材料之间的绝缘强度不足，不能承受瞬间高电压以及瞬间大电流的冲击而产生的故障，这类故障将造成闪络洞穿、接地、短路等表象，这类故障现场发生频率较高，可划分为两相或单相接地、三相或两相短路等。（3）复合型原因，指前两种原因同时存在，包括断线与单相接地同时发生、断线与两相接地同时发生、短路与两相接地同时发生等。

6应用测试

为了验证关键算法的适用性，启动机器人对车间的电解槽进行反复巡检。机载红外相机每0.1秒拍摄一张红外照片，每张照片通过WLAN和光纤，传至计算机。计算机对收到的红外照片进行实时倾斜校正处理，并将处理后的照片显示在屏幕上。绝大多数照片均能被正确校正，但是机器人在巡检到某些特定的区域时，计算机会出现错误的修正。为了研究错误的原因，我们让机器人停止在这些区域，并保存拍摄的红外照片进行问题分析。当机器人巡检到两组电解槽之间的通道区域时，通道和电解槽之间的边界在照片中呈现出上下两条直线，经霍夫变换后，这两条水平方向的线条被视为最值检测出来，进而得到了错误的修正角度。为了避免这种情况的发生，考虑到倾斜角一般不会超过±30°，我们调整了霍夫变换时的取值范围，将其修改为-30°~29.9°。重新对之前修正错误的照片进行测试，得到修正角为0.033°：

结束语

为突破当前的技术难点和瓶颈，在于开发更加精准和灵敏的检测技术，提高电弧定位的准确性和速度。同时，还需要探索更加高效、可靠的交流故障电弧检测和定位方法，以满足复杂供电系统的实际应用需求。总体而言，交流故障电弧检测和定位是一个复杂的问题，需要综合考虑各种因素对故障电弧的影响，采用多种技术手段进行分析和处理，并且需要建立可靠的数据集来验证算法的准确性和鲁棒性。未来随着科学技术的不断发展和电气线路的不断升级，交流故障电弧检测和定位的研究和应用将更加广泛和深入。

参考文献

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