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安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：從城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)架構(gòu)和直流電纜結(jié)構(gòu)入手，分析了直流電纜在系統(tǒng)中的重要作用，闡述了對直流電纜絕緣進行監(jiān)測的必要性。在不改變原有系統(tǒng)架構(gòu)和直流電纜結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出直流電纜絕緣監(jiān)測方案，并通過理論分析、計算，給出電纜絕緣層和電纜外護套絕緣性能降低的報警值。
關(guān)鍵詞：城市軌道交通；DC1500V；電纜；絕緣；在線監(jiān)測
0引言
按照交通運輸部數(shù)據(jù)，截至2021年底，我國共有51座城市開通運營城市軌道交通線路共269條，運營里程達8708km[1]，其中95%以上的線路采用DC750V、DC1500V電壓制式供電，電能從牽引變電所到接觸網(wǎng)主要采用直流電纜傳送。直流電纜敷設條件比較復雜，如變電所電纜夾層、戶外直埋、電纜溝、電纜槽等，經(jīng)常處于潮濕環(huán)境，存在鼠蟻害風險，而且運營維護檢修不便。
由于直流牽引供電系統(tǒng)正負極不接地懸浮系統(tǒng)的特性，至今沒有成熟的監(jiān)測經(jīng)驗和案例。本文通過研究和工程實踐提出一種用于監(jiān)測電纜絕緣性能降低的方法，在事故發(fā)生之前監(jiān)測系統(tǒng)可預判并通知運營部門提前處理，避免事故擴大。
1系統(tǒng)構(gòu)成
圖1為城軌直流牽引供電系統(tǒng)示意圖。整流機組將AC35kV、AC33kV或AC10kV交流電源轉(zhuǎn)換成DC750V、DC1500V，通過直流開關(guān)柜分配、饋出至對應的接觸網(wǎng)為車輛供電，因此直流電纜是整個系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，而且處于近電源端的位置，一旦系統(tǒng)發(fā)生金屬性短路，故障電流將高達10kA，事故將直接影響行車安全和人身安全，由此可見，直流電纜絕緣性能對整個牽引供電系統(tǒng)至關(guān)重要。
2直流電纜絕緣監(jiān)測方案
2.1直流電纜結(jié)構(gòu)
城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)用直流電纜選用低壓、無鹵、阻燃、防水、防鼠蟻銅芯鎧裝電纜，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由導體、絕緣層、金屬鎧裝層、外護套組成。為降低工程難度，對電纜的絕緣監(jiān)測應盡量不改變原有直流供電系統(tǒng)架構(gòu)和直流電纜的結(jié)構(gòu)。
2.2直流電纜絕緣監(jiān)測接線方案
直流電纜絕緣監(jiān)測接線方案如圖3所示，每回直流電纜由多根電纜并聯(lián)組成。將同一回路的多根直流電纜的金屬鎧裝層通過導線連接在一起，在導體和鎧裝層之間并聯(lián)電阻R1，在鎧裝層和負極之間并聯(lián)電阻R2。
設置電壓變送器分別采集導體對負極的電壓U和金屬鎧裝層對負極的電壓US，并將U和US發(fā)送給智能監(jiān)測單元進行運算。選取R1=200Ω，R2=200Ω，電壓變送器輸入電壓為±2000V，輸出電流為±20mA。
3直流電纜絕緣監(jiān)測原理
3.1直流電纜絕緣監(jiān)測原理與計算方法
圖4為直流電纜絕緣監(jiān)測等效電氣原理圖。
圖中：U為導體(正極)對負極的電壓(1#電壓變送器測量的電壓)；UC為導體對金屬鎧裝層的電壓；US為金屬鎧裝層對負極的電壓(2#電壓變送器測量的電壓)；RC為導體與金屬鎧裝層之間的絕緣電阻；RS為金屬鎧裝層與負極之間的絕緣電阻；R1為與RC并聯(lián)的附加電阻；R2為與RS并聯(lián)的附加電阻。
R1與RC并聯(lián)的電阻R1'：
正常運行時，RC、RS、R1、R2為固定值，因此金屬鎧裝層對負極的電壓US只隨導體對負極電壓U的變化而變化。因此，正常運行時，US/U為固定值，不隨電壓的變化而變化，其值小于1。
3.2電纜導體對金屬鎧裝層絕緣故障分析
根據(jù)圖4，當導體對金屬鎧裝層絕緣故障時，其絕緣電阻RC減小，而金屬鎧裝層對負極的絕緣電阻RS不變，US隨RC的減小而增大，US/U也隨之增大；最嚴重情況下RC=0，此時US=U，US/U=1。
3.3電纜金屬鎧裝層對地絕緣故障分析
根據(jù)圖4，當金屬鎧裝層對負極絕緣故障時，其絕緣電阻RS減小，而導體對金屬鎧裝層的絕緣電阻RC不變，US隨RS的減小而減小，US/U也隨之減??；最嚴重情況下RS=0，此時US=0，US/U=0。
4告警值的設定
4.1電纜導體對金屬鎧裝絕緣故障時的報警設置
正常運行時US/U為固定值，設為A，導體對鎧裝層絕緣故障最嚴重情況下US/U=1，設基準為 (1?A)。實時監(jiān)測U及US，并計算US/U的值，隨著絕緣電阻的下降，US/U的值增大。計算電壓偏差百分比(US/U?A)/(1?A)的值，并根據(jù)該值進行報警。
表1所示為直流電纜導體對鎧裝層絕緣故障時的報警值計算，報警值(電壓偏差百分比)可設為39.29%，對應導體對金屬鎧裝層的絕緣電阻降低到正常時的0.01倍。
4.2電纜鎧裝層對負極絕緣故障時的報警設置
正常運行時US/U為固定值A(chǔ)，鎧裝層對負極絕緣故障最嚴重情況下US=0，設基準為A。隨時監(jiān)測U及US，并計算US/U的值，隨著絕緣電阻的下降，US/U的值減小，計算電壓偏差百分比(US/U?A)/A的值，根據(jù)該值進行報警。如表2所示計算，報警值可設為?56.41%，對應鎧裝層對負極的絕緣電阻降低到正常時的0.01倍。
5絕緣監(jiān)測及絕緣故障定位產(chǎn)品
5.1絕緣監(jiān)測及絕緣故障定位產(chǎn)品
AIM-T系列工業(yè)用絕緣監(jiān)測儀
AIM-T系列絕緣監(jiān)測儀主要應用在工業(yè)場所IT配電系統(tǒng)中，主要包括AIM-T300、AIM-T500和AIMT500L三款產(chǎn)品，均適用于純交流、純直流以及交直流混合的系統(tǒng)。
其中AIM-T300適用于450V以下的交流、直流以及交直流混合系統(tǒng)，AIM-T500適用于800V以下的交流、直流以及交直流混合系。AIM-T500L相比AIM-T500增加了絕緣故障定位功能。
5.2絕緣故障定位產(chǎn)品
工業(yè)用絕緣故障定位產(chǎn)品配合AIM-T500L絕緣監(jiān)測儀使用，主要包括ASG200測試信號發(fā)生器，AIL200-12絕緣故障定位儀，AKH-0.66L系列電流互感器，適用于出線回路較多的IT配電系統(tǒng)。
5.3絕緣監(jiān)測耦合儀
絕緣監(jiān)測耦合儀配合AIM-T500絕緣監(jiān)測儀使用，主要包括ACPD100，ACPD200，適用于交流電壓高于690V，直流電壓高于800V的IT配電系統(tǒng)。
6技術(shù)參數(shù)
6.1絕緣監(jiān)測儀技術(shù)參數(shù)
型號 技術(shù)指標 | AIM-T300 | AIM-T500 | AIM-T500L | ||||
輔助電源 | 電壓 | AC 85~265V;DC100~300 | AC 85~265V;DC100~300 | ||||
功耗 | ＜8W | ＜8W | |||||
被監(jiān)測IT系統(tǒng) | 電壓 | 480V以下的交流、直流以及交直流混合系統(tǒng) | 690V以下的交流及交直流混合系統(tǒng)、800V以下直流系統(tǒng) | ||||
頻率 | 40~60Hz | 40~60Hz | |||||
絕緣監(jiān)測 | 測量范圍 | 1kΩ~5MΩ | 1kΩ~10MΩ | ||||
報警值范圍 | 10kΩ~5MΩ | 10kΩ~10MΩ | |||||
相對誤差 | 1~10k: 10k；10k~5M: ±10% | 1~10k: 10k；10k~10M: ±10% | |||||
允許系統(tǒng)泄露電容 | <150μF | <500μF | |||||
響應時間 | <6s | <5s | |||||
通訊 | RS485，Modbus-RTU | RS485，Modbus-RTU | RS485，Modbus-RTU； | ||||
內(nèi)部參數(shù) | 測量電流 | <170μA | <270μA | ||||
絕緣故障定位 | 無 | 無 | 有 | ||||
電磁兼容/電磁輻射 | IEC61326-2-4 | IEC61326-2-4 | |||||
額定沖擊電壓/污染等級 | 8kV/Ⅲ | 8kV/Ⅲ | |||||
內(nèi)部直流電阻 | ≥120kΩ | ≥180kΩ | |||||
輸出 | 繼電器輸出 | 預警、報警 | 出錯、預警、報警 | ||||
環(huán)境 | 工作溫度 | -20~+60℃ | -15~+55℃ | ||||
存儲溫度 | -20~+70℃ | -20~+70℃ | |||||
相對濕度 | 5%~95%，不結(jié)露 | 5%~90%，不結(jié)露 | |||||
海拔高度 | ≤2500m | ≤2500m | |||||
6.2測試信號發(fā)生器技術(shù)參數(shù)
輔助電源 | 電壓 | AC 85~265V DC100~300V |
功耗 | <7W | |
IT系統(tǒng) | 額定電壓 | 單相交流AC 220V 三相交流 AC 0~690V 直流DC 0~800V |
絕緣故障定位 | 響應時間 | <5s |
定位電壓 | 20V/5Hz | |
定位電流 | 0~10mA | |
環(huán)境 | 電磁兼容/電磁輻射 | IEC61326-2-4 |
工作溫度 | -15-+55℃ |
6.3絕緣故障定位儀技術(shù)參數(shù)
輔助電源 | 電壓 | AC 85-265V DC100~300V |
功耗 | <5W | |
絕緣故障定位 | 響應時間 | <12s |
定位電壓 | 無 | |
定位電流 | 無 | |
響應靈敏度 | >0.5mA | |
輸出 | 繼電器輸出 | 報警Alarm |
環(huán)境 | 電磁兼容/電磁輻射 | IEC61326-2-4 |
工作溫度 | -15-+55℃ |
6.4 AKH-0.66L系列電流互感器技術(shù)參數(shù)
型號 | 額定電流 | 變比 | 等級 | 過載倍數(shù) |
L-45 | 16-100A | 5A：5mA | 1 | 10 |
L-80 | 100-250A | |||
L-100 | 250-400A | |||
L-150 | 400-800A | |||
L-200 | 800-1500A |
6.5絕緣監(jiān)測耦合儀技術(shù)參數(shù)
產(chǎn)品型號 | ACPD100 | ACPD200 |
適用系統(tǒng) | 單相交、直流不接地系統(tǒng) | 三相交流、直流不接地系統(tǒng) |
電壓等級 | 交流0~1150V，直流0~1760V | 交流0~1650V，帶直流元件0~1300V |
直流阻抗 | ≥160kΩ | AK1≥225kΩ |
工作溫度 | -10~+55℃ | |
存儲溫度 | -20~+70℃ | |
防護等級 | IP30 | |
7結(jié)語
根據(jù)本文分析和研究，基本可以看出，通過測量直流電纜導體與負極之間的電壓U及金屬鎧裝層與負極之間的電壓US，便可判斷出直流電纜絕緣和外護套的絕緣情況，并可通過運算作出判別。判別方法簡單可靠，投資可控。該方案可以針對單根電纜，也可以考慮將單個饋線回路的幾根電纜的金屬鎧裝層并聯(lián)統(tǒng)一采集、判別和保護。
下一階段將盡快推進實現(xiàn)產(chǎn)品研制與工程實踐應用。在理論研究方面，可以在本文所述方案基礎(chǔ)上作進一步功能擴展，例如嘗試如何通過監(jiān)測和運算識別出故障位置，如何識別負極電纜的絕緣性能降低等。
參考文獻：
［1］交通運輸部.2021年12月城市軌道交通運營數(shù)據(jù)速報.
［2］范巧蓮.直流電纜絕緣監(jiān)察保護原理及在地鐵中的應用[J].電氣化鐵道，2004(4)：30-32
［3］安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.6版；
［4］安科瑞IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測故障定位裝置及監(jiān)控系統(tǒng)（中英文）2020.01版
