景小兵, 陳唐龍, 白 杰, 于 龍, 張智濤

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引 言

接觸網(wǎng)絕緣子在表面積污(主要機(jī)車排放的煤煙、油霧、鹽霧及空氣中的粉塵顆粒)和惡劣的天氣(尤其是大霧、陰雨天氣)條件下，其絕緣性能降低，非常容易發(fā)生污穢閃絡(luò)事故，造成牽引變電所失電，甚至鐵路運(yùn)行中斷，給鐵路運(yùn)輸帶來(lái)嚴(yán)重的損失[1]。2008年2月，由于華北和中原地區(qū)的濃霧天氣，造成北京鐵路局和鄭州鐵路局的部分鐵路區(qū)段發(fā)生大面積污閃，導(dǎo)致線路跳閘300余次，7個(gè)變電所失電。接觸網(wǎng)絕緣子污穢閃絡(luò)事故的危害已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)雷擊事故，成為影響接觸網(wǎng)安全運(yùn)行的最大公害。

目前已有些絕緣子泄露電流在線監(jiān)測(cè)裝置研發(fā)并投入使用，但它們主要是針對(duì)國(guó)網(wǎng)用戶[2～4]。目前還沒(méi)有一種主要針對(duì)接觸網(wǎng)絕緣子的泄露電流在線監(jiān)測(cè)裝置。本文研制了一種專用于接觸網(wǎng)絕緣子的泄漏電流在線監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接觸網(wǎng)絕緣子泄漏電流大小，據(jù)此判斷絕緣子污穢水平，及時(shí)清理絕緣子表面污穢，為牽引供電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)的保障。

1 在線監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

1.1 檢測(cè)裝置原理與總體設(shè)計(jì)

在線裝置主要由鐵路局監(jiān)控中心、供電段監(jiān)控中心主機(jī)以及在線監(jiān)測(cè)分機(jī)組成(如圖1)。裝置的基本原理是在鐵路沿線每基桿塔上安裝一個(gè)監(jiān)測(cè)分機(jī)(分機(jī)安裝如圖2)，定時(shí)測(cè)量鐵路沿線的溫濕度和絕緣子的泄漏電流，將這些信息通過(guò)GPRS無(wú)線傳輸設(shè)備傳送給供電段監(jiān)控中心，以便實(shí)時(shí)了解該段的絕緣子泄露電流大小，預(yù)測(cè)絕緣子污穢水平，決定是否對(duì)該段絕緣子進(jìn)行清洗。同時(shí)通過(guò)INTERNRT將供電段與鐵路局監(jiān)控中心組網(wǎng)，使鐵路局監(jiān)控中心實(shí)時(shí)的掌握各個(gè)供電段的運(yùn)行狀況。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 監(jiān)測(cè)分機(jī)安裝示意圖

1.2 監(jiān)測(cè)分機(jī)硬件設(shè)計(jì)

本裝置根據(jù)泄漏電流信號(hào)的范圍、強(qiáng)度的大小，采用了專用的微電流傳感器、穩(wěn)定的系統(tǒng)保護(hù)電路、放大濾波電路，以使硬件電路具有較高的靈敏度和較好的抗干擾能力。為確保裝置長(zhǎng)時(shí)間工作于不良天氣下，采用了以LT3652作為充電管理芯片的太陽(yáng)能供電方式，并且限制裝置的功耗值。裝置硬件主要由泄漏電流傳感器、溫濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器，低功耗喚醒模塊以及供電單元組成。硬件電路原理圖如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)原理圖

1.3 泄漏電流傳感器選擇

由于絕緣子的泄漏電流信號(hào)微弱、幅值變化大、頻率范圍寬，要求泄漏電流傳感器應(yīng)具有高靈敏度、良好的線性度及較寬的頻帶[5]；裝置通常運(yùn)行在條件惡劣的環(huán)境中，這也對(duì)傳感器的耐久性、穩(wěn)定性和抗干擾性提出了很高要求。目前，可用于泄漏電流測(cè)量的傳感器包括無(wú)感電阻分流器、雙線圈CT和羅氏線圈3種[6]?？紤]到羅氏線圈具有線性度好、測(cè)量精度高測(cè)量范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足裝置的測(cè)量要求。而且其測(cè)量回路與被測(cè)設(shè)備之間沒(méi)有直接的電氣聯(lián)系，測(cè)量安全可靠，能很好地抑制噪聲，實(shí)現(xiàn)泄漏電流的在線監(jiān)測(cè)。因此，本裝置采用羅氏線圈型傳感器。

1.4 監(jiān)測(cè)裝置軟件設(shè)計(jì)

1.4.1 下位機(jī)軟件

下位機(jī)軟件包括系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及通信模塊等組成。下位機(jī)上電后，首先對(duì)系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行初始化設(shè)置，包括硬件電路的I/O端口設(shè)置、控制字的設(shè)置、特殊功能寄存器及存儲(chǔ)器的分配等。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)所需各項(xiàng)原始數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，濾除干擾信號(hào)，通信模塊則實(shí)現(xiàn)下位機(jī)以數(shù)據(jù)流的方式與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)校驗(yàn)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，保證通信數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.4.2 上位機(jī)軟件

后臺(tái)管理軟件有專家診斷功能，可及時(shí)了解絕緣子泄漏電流狀況，并對(duì)參量實(shí)施遠(yuǎn)程修改，包括有泄漏電流門檻值、IP地址以及重啟時(shí)間等。全面建立線路絕緣子泄漏電流信息數(shù)據(jù)庫(kù)，提供全面查詢功能，可按時(shí)間檢索和打印數(shù)據(jù)、圖形、報(bào)表，永久保存所有報(bào)警記錄。

2 人工污穢實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)布置和試品

實(shí)驗(yàn)在西安高壓電器研究所高壓實(shí)驗(yàn)室的人工氣霧室中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)原理圖如圖4所示。實(shí)驗(yàn)電源由250 kW發(fā)電機(jī)、調(diào)壓變壓器、工頻實(shí)驗(yàn)變壓器(其額定容量為100 kVA、額定電流為1 A)以及水電阻保護(hù)裝置組成，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4585—2004《交流系統(tǒng)用高壓絕緣子的人工污穢實(shí)驗(yàn)》對(duì)實(shí)驗(yàn)電源的要求。實(shí)驗(yàn)電壓模擬接觸網(wǎng)正常運(yùn)行電壓27.5 kV，頻率范圍為45～55 Hz。

考慮到斜腕臂對(duì)絕緣子表面積污的影響，模擬接觸網(wǎng)絕緣子實(shí)際運(yùn)行條件，本實(shí)驗(yàn)采取絕緣子傾斜安裝(與水平夾角37°)。本實(shí)驗(yàn)選取FQBJ—25/8—760P接觸網(wǎng)絕緣加強(qiáng)型棒式復(fù)合絕緣子作為試品。

圖4 人工污穢實(shí)驗(yàn)原理圖

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)的主要目的是在人工氣霧室利用接觸網(wǎng)絕緣子泄漏電流在線監(jiān)測(cè)裝置，測(cè)量飽和空氣濕度下，不同污穢水平絕緣子的泄露電流。通過(guò)對(duì)泄漏電流的分析，得出飽和空氣濕度下接觸網(wǎng)絕緣子泄漏電流與污穢度的關(guān)系曲線，為確定接觸網(wǎng)絕緣子泄漏電流在線監(jiān)測(cè)裝置的預(yù)警值提供指導(dǎo)。

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)《電氣化鐵道接觸網(wǎng)絕緣污穢等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》選取了4個(gè)污穢等級(jí)，鹽密ρESDD與灰密ρNSDD配比[7]如表1所示。實(shí)驗(yàn)采用固體涂污法，將試品涂好垂直懸掛24 h自然陰干。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將試品移入霧室20 min后待其表面受潮后，再加運(yùn)行電壓，保持運(yùn)行電壓不變，測(cè)量并記錄泄露電流波形。

表1 試品污穢配比表

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

目前，泄漏電流是評(píng)判絕緣子污穢水平的主要標(biāo)準(zhǔn)[8]，泄漏電流有效值反映當(dāng)前泄露電流的基本大小，也直接反映了相同濕度下污穢水平的高低。本實(shí)驗(yàn)主要是從測(cè)得的泄漏電流出發(fā)，提取泄漏電流的有效值I，即

(1)

實(shí)驗(yàn)分析對(duì)比了飽和濕度下，不同污穢程度的絕緣子泄漏電流大小。如圖5所示，隨污穢水平的提高，絕緣子泄漏電流幅值迅速增加，泄漏電流有效值I也越大，呈近似指數(shù)上升趨勢(shì)[9,10]。根據(jù)污穢絕緣子泄漏電流數(shù)學(xué)模型，泄漏電流有效值I、空氣相對(duì)濕度RH和鹽密值ρESDD的關(guān)系[11]如下式

圖5 飽和濕度下不同污穢絕緣子泄漏電流波形

(2)

式中a為常數(shù)量，表示相對(duì)濕度以外的其他因素對(duì)泄漏電流的影響；RH為空氣相對(duì)濕度；b為控制泄露電流有效值隨相對(duì)濕度RH增加而變化的速度。如圖6利用實(shí)驗(yàn)測(cè)得的泄漏電流有效值I、空氣相對(duì)濕度RH以及鹽密值ρESDD數(shù)據(jù)可以擬合復(fù)合絕緣子FQBJ—25/8—760P在飽和濕度下的回歸方程如下

(3)

上式的擬合度為95 %。

根據(jù)文獻(xiàn)[8～11]和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得，接觸網(wǎng)絕緣子爬電距離小于等于1 400 mm，當(dāng)絕緣子的泄漏電流小于3 mA時(shí)，絕緣子的污穢度比較低,小于等于0.15 mg/cm2，屬于中度污穢，基本不會(huì)對(duì)絕緣子造成危險(xiǎn)；當(dāng)泄漏電流在3～20 mA之間時(shí)，絕緣子污穢度就比較高，當(dāng)污穢不均勻時(shí)，絕緣子很有可能發(fā)生污穢閃絡(luò)事故；當(dāng)泄漏電流大于20 mA時(shí)，絕緣子污穢閃絡(luò)的概率顯著增加；當(dāng)泄漏電流達(dá)到50 mA以上時(shí)，絕緣子完全會(huì)發(fā)生污穢閃絡(luò)。

依據(jù)以上所得，以及污閃發(fā)展三區(qū)段思想[12]，可以把接觸網(wǎng)絕緣子運(yùn)行過(guò)程分為3個(gè)階段：安全運(yùn)行區(qū)、污穢清理區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)。安全運(yùn)行區(qū)，泄露電流小于3 mA。當(dāng)泄露電流在3～20 mA之間時(shí)，屬于污穢清理區(qū)，建議清理絕緣子表面污穢。當(dāng)泄漏電流大于20 mA,屬于危險(xiǎn)區(qū)，隨時(shí)可能發(fā)生污穢閃絡(luò)，所以，建議立即清理污穢。

圖6 泄露電流有效值均值I與污穢度的關(guān)系

3 實(shí)際運(yùn)行

接觸網(wǎng)絕緣子泄露電流在線裝置自2012年研制成功，目前已經(jīng)在北京鐵路局石家莊供電段和青藏鐵路公司格爾木供電段安裝運(yùn)行。圖7為石家莊供電段新樂(lè)至承安鋪119號(hào)桿塔5月31日～6月16日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

根據(jù)圖7可以看出：絕緣子泄露電流隨環(huán)境濕度增大而增大；泄露電流在環(huán)境濕度最高和溫度最低時(shí)出現(xiàn)峰值。絕緣子泄露電流有效值只有在6月6日出現(xiàn)尖峰超過(guò)3 mA，其他時(shí)間都運(yùn)行在安全區(qū)。通過(guò)對(duì)絕緣子的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)該絕緣子運(yùn)行安全，但已接近污穢清理區(qū)閾值，應(yīng)隨時(shí)關(guān)注此絕緣子。實(shí)踐表明：通過(guò)監(jiān)測(cè)泄漏電流和環(huán)境濕度可以判斷接觸網(wǎng)絕緣子的絕緣性能，為現(xiàn)場(chǎng)污穢清理提供科學(xué)依據(jù)。

圖7 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

1)設(shè)計(jì)了一種接觸網(wǎng)絕緣子泄漏電流在線監(jiān)測(cè)裝置，通過(guò)監(jiān)測(cè)泄露電流和環(huán)境溫濕度來(lái)預(yù)測(cè)絕緣子污穢水平，以便實(shí)時(shí)了解該段的絕緣子表面積污狀況，從而判斷絕緣子是否應(yīng)該進(jìn)行清洗。

3)提出了在線監(jiān)測(cè)裝置判斷接觸網(wǎng)絕緣子安全運(yùn)行的閾值，并且把接觸網(wǎng)絕緣子運(yùn)行過(guò)程分為3個(gè)區(qū)段：安全運(yùn)行區(qū)、污穢清理區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)。

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