何江海，張目然，余 龍，黃偉峰

地鐵供配電系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測的探討

何江海，張目然，余 龍，黃偉峰

通過分析地鐵變電所供配電設(shè)備的原理特點(diǎn)，提出了實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測的思路，并結(jié)合可實(shí)施的技術(shù)手段甄選了關(guān)鍵參數(shù)。利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)和管理手段實(shí)現(xiàn)了對地鐵供配電設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測，并通過實(shí)踐初步驗(yàn)證了監(jiān)測效果。

地鐵變電所供配電；關(guān)鍵參數(shù)；設(shè)備狀態(tài)；在線監(jiān)測

The paper puts forward the ideas on realization of online monitoring of equipment status on the basis of the principles and characteristics of power distribution equipment in the subway substation and the selection of the key parameters with application of operable technical means.The high efficient and reliable online status monitoring of subway power distribution system equipment is realized by application of advanced sensor technologies and system management means,and the preliminary verification of monitoring results isrealized through the practice.

Distribution of subway substation;key parameters;equipment status;online monitoring

0 引言

近20年來，各大城市地鐵建設(shè)如火如荼，地鐵運(yùn)營規(guī)模不斷擴(kuò)大，運(yùn)維人員數(shù)量和維修成本與日俱增。目前，地鐵運(yùn)營人員的配額約為60人/km[1]。不少城市提出地鐵規(guī)劃里程達(dá)到1 000～2 000 km，若按照常規(guī)的配置方式發(fā)展，運(yùn)維人員的數(shù)量和維護(hù)檢修成本將是地鐵運(yùn)營面臨的最大問題。因此，采取何種技術(shù)及管理手段降低人員配額，減少維修成本，實(shí)現(xiàn)地鐵高效可靠運(yùn)營已成為業(yè)內(nèi)重要的研究課題。

目前，地鐵供電系統(tǒng)運(yùn)維主要采用計劃檢修和人工巡檢的方式進(jìn)行，需要投入較多的人力和財力。隨著地鐵建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地鐵部門急需更為高效可靠的運(yùn)維方式。在類似的市政電網(wǎng)系統(tǒng)，部分設(shè)備從計劃檢修轉(zhuǎn)向狀態(tài)檢修甚至可靠性維修，并且已經(jīng)取得了一些成果[2]。由于地鐵供電系統(tǒng)的設(shè)備類型和運(yùn)營模式與市政電網(wǎng)系統(tǒng)存在較大區(qū)別，電網(wǎng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)遠(yuǎn)不能解決地鐵存在的問題，業(yè)內(nèi)還尚未形成完整的理念進(jìn)行推廣實(shí)踐。

1 地鐵供電系統(tǒng)主要設(shè)備特征

地鐵供電設(shè)備種類繁多，原理多樣，制造方式和運(yùn)行環(huán)境也多有不同，影響其運(yùn)行狀態(tài)和工作能力的參數(shù)較多，要獲取關(guān)鍵的參數(shù)，還要考慮設(shè)備的工作原理、運(yùn)行模式、環(huán)境參數(shù)、監(jiān)測手段、可實(shí)施性和實(shí)現(xiàn)成本等?，F(xiàn)對地鐵供電系統(tǒng)主要設(shè)備的作用、原理和常見故障等設(shè)備特征做簡要分析。

1.1 110 k V GIS

地鐵主變電所通過110 kV全封閉六氟化硫組合電器（GIS）接入地方電網(wǎng)的電源。其常見故障有：斷路器操作機(jī)構(gòu)故障、氣體泄漏、內(nèi)部放電等。

1.2 變壓器

主變電所通常采用110 kV三相油浸式變壓器將外電源的110 kV電源轉(zhuǎn)換為中壓交流電（35 kV或10 kV）。牽引、降壓通常采用35 kV（33 kV）或10 kV環(huán)氧樹脂澆注干式變壓器。其常見故障有：絕緣下降、局部溫升、異常噪聲、滲漏油、油氣體及水分過高、局部放電等。

1.3 中壓氣體絕緣開關(guān)柜

地鐵中通常采用35 kV、10 kV電壓等級的中壓氣體絕緣開關(guān)柜，其核心部件為真空斷路器，斷路器及母線置于充有絕緣氣體（通常為SF6）的氣室內(nèi)，以保證絕緣性能。其常見故障有：氣體泄漏、操作機(jī)構(gòu)故障、斷路器燒損等。

1.4 直流開關(guān)設(shè)備

地鐵直流開關(guān)設(shè)備的核心部件是直流斷路器，其作用是控制直流牽引電源的正常供給，故障時迅速切斷故障電路，保證系統(tǒng)的安全。其常見故障有：框架絕緣故障、局部溫升、斷路器觸頭燒損、斷路器機(jī)械故障等。

1.5 整流器

整流器是一種與牽引變壓器組合成整流機(jī)組的電流變換裝置。牽引變壓器供給的交流電能通過整流器整流變?yōu)橹绷麟?。其常見故障有：絕緣下降、局部溫升、二極管擊穿、附屬部件故障（壓敏電阻、壓倉電阻等）等。

1.6 電纜

電纜主要有交流110 kV交聯(lián)聚乙烯、交流35 kV/10 kV交聯(lián)聚乙烯、直流1 500 V/750 V交聯(lián)聚乙烯或乙丙橡膠，交流400 V交聯(lián)聚乙烯電纜。常見故障是絕緣損壞和擊穿，將造成停電事故。

1.7 低壓400 V開關(guān)柜

低壓400 V開關(guān)柜主要負(fù)責(zé)變電所或地鐵站低壓交流負(fù)載的供電和保護(hù)功能。其常見故障有：局部溫升、斷路器故障、絕緣降低、絕緣閃絡(luò)、絕緣擊穿等。

2 地鐵變電所設(shè)備在線監(jiān)測的主要思路

以廣州地鐵某變電所作為試驗(yàn)站點(diǎn)開展地鐵供配電設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)的研究和實(shí)踐。選取110 kV GIS、110 kV油式變壓器、33 kV氣體絕緣開關(guān)柜、1 500 V直流開關(guān)柜、33 kV干式整流變壓器和配電變壓器、整流器、400 V低壓開關(guān)柜以及110 kV交流、35 kV交流和1 500 V直流電纜等設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)測。

由于該站點(diǎn)的設(shè)備均帶電運(yùn)行，所以在線監(jiān)測盡量采用不影響設(shè)備運(yùn)行，無需停電安裝的方式。通過對設(shè)備原理、特點(diǎn)的分析以及對監(jiān)測手段的可實(shí)施性論證，筆者團(tuán)隊對各類設(shè)備均確定了監(jiān)測參數(shù)，主要包括以下幾大類：

（1）成分分析類，包括SF6微水密度、壓力、溫度，變壓器油色譜、振動聲波；

（2）運(yùn)動監(jiān)測類，包括斷路器機(jī)械特性、斷路器動作特性錄波；

（3）電量檢測類，包括避雷器漏電流及放電次數(shù)、局部放電、鐵芯（含夾件）電流、直流設(shè)備框架泄漏電流；

（4）熱量監(jiān)測類，包括環(huán)境溫濕度、設(shè)備母排溫度、電纜溫度、母線槽溫度。

3 地鐵變電所設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測方法

3.1 110 k V GIS和33 k V GIS

3.1.1 SF6氣體監(jiān)測

通過監(jiān)測GIS設(shè)備中SF6氣體的溫度、壓力、微水密度等參數(shù)，完成對運(yùn)行設(shè)備中SF6氣體的實(shí)時、遠(yuǎn)程監(jiān)測[3]。

采用微水密度傳感器、帶溫度測量的智能壓力變送器，實(shí)現(xiàn)了對SF6氣體溫度、壓力、微水等參數(shù)的在線監(jiān)測。

3.1.2 局部放電

超高頻UHF傳感器通過檢測GIS局部放電中產(chǎn)生的超高頻脈沖電磁波，能有效避開低頻干擾[4]。超聲波AE傳感器采用光干涉技術(shù)檢測材料缺陷或潛在缺陷改變狀態(tài)而自動發(fā)出瞬態(tài)彈性波及釋放所積蓄的應(yīng)變能而發(fā)出聲音[5]。

采用超高頻UHF傳感器和超聲波AE傳感器，實(shí)現(xiàn)了對GIS部分設(shè)備局部放電的在線監(jiān)測。

3.1.3 避雷器

GIS避雷器是由若干非線性伏安特性的閥片串聯(lián)而成，通過監(jiān)測避雷器接地線中的總泄漏電流的大小，判斷避雷器的絕緣狀況[6]。

采用避雷器監(jiān)測傳感器，實(shí)現(xiàn)了對避雷器的阻性電流、阻容比、泄漏電流及動作次數(shù)的監(jiān)測。

3.1.4 斷路器機(jī)械特性

GIS中斷路器機(jī)械特性試驗(yàn)可以有效地反應(yīng)GIS操動機(jī)構(gòu)的動作情況。通過對GIS中斷路器分合閘電流大小的監(jiān)測，可以發(fā)現(xiàn)斷路器機(jī)械特性與設(shè)備運(yùn)行年份存在一定的關(guān)系[7]。

通過在分合閘線圈上安裝監(jiān)測傳感器，實(shí)現(xiàn)了對分合閘線圈電流、分閘電流、電機(jī)電壓、電機(jī)電流的在線監(jiān)測，以此可驗(yàn)證斷路器的機(jī)械特性。

3.1.5 斷路器動作特性監(jiān)測

測量33 kV GIS斷路器動作時的電流電壓擾動值，后臺服務(wù)器通過專用數(shù)據(jù)軟件讀取數(shù)據(jù)并形成錄波文件，客戶端電腦通過專用錄波分析軟件顯示和分析擾動前后波形，最后得出結(jié)果呈現(xiàn)給用戶。

采用斷路器動作特性錄波裝置，實(shí)現(xiàn)了對斷路器狀態(tài)的在線監(jiān)測（圖1）。通過錄波軟件分析，得出斷路器動作延時為16 ms。

圖1 斷路器動作特性錄波分析

3.2 110 kV三相油浸式變壓器

3.2.1 油色譜微水

變壓器油色譜在線監(jiān)測采用色譜分析原理，檢測油中各組成成分，實(shí)現(xiàn)對變壓器油中7種氣體（氫氣H2、一氧化碳CO、二氧化碳CO2、甲烷CH4、乙烯C2H4、乙烷C2H6、乙炔C2H2）和總烴的全分析。變壓器油中微水是影響變壓器絕緣質(zhì)量的重要因素，通過監(jiān)測分析油中微水的含量得出故障原因，提供解決方案。

采用油色譜微水在線監(jiān)測傳感器，通過檢測油中甲烷、乙烯、乙烷、乙炔、一氧化碳、二氧化碳等氣體成分值，實(shí)現(xiàn)了對變壓器油色譜氣體、油中微水的在線監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)參見圖2。

圖2 油色譜微水監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.2.2 鐵芯接地電流監(jiān)測

變壓器鐵芯及夾件接地電流監(jiān)測通過采用加裝補(bǔ)償線圈產(chǎn)生反向電流的方式實(shí)現(xiàn)，改造后的抗干擾鐵芯接地電流檢測裝置能夠極大地消除空間磁場帶來的干擾[8]。

采用在變壓器鐵芯夾件上安裝電流傳感器，實(shí)現(xiàn)了對鐵芯接地電流的在線監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 鐵芯接地電流監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.3 電纜

3.3.1 局部放電

通過同軸電纜連接傳感器監(jiān)測電纜局部放電，能同時監(jiān)測多條電纜的局放活躍程度[9]。考慮到電纜劣化直至損壞的過程中溫度升高現(xiàn)象，需要在電纜接頭處設(shè)置光柵點(diǎn)測溫和沿電纜表面敷設(shè)分布式測溫光纖。

采用局放監(jiān)測單元、分布式光纖測溫監(jiān)測單元，實(shí)現(xiàn)了對110 kV電纜外護(hù)層、主絕緣及電纜接頭和表面溫度的在線監(jiān)測。

3.3.2 33 kV電纜

33 kV電纜在運(yùn)行過程中會發(fā)生局部放電、溫度變化的情況，需要對電纜本體與接頭的整體絕緣進(jìn)行監(jiān)測[10]。采用局放監(jiān)測單元、分布式光纖測溫監(jiān)測單元，實(shí)現(xiàn)了對33 kV電纜本體與接頭整體絕緣的在線監(jiān)測。

3.3.3 DC 1 500 V電纜

考慮到1 500 V電纜的運(yùn)行電壓及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，局放監(jiān)測方案效果不明顯且難以實(shí)施，所以對1 500 V電纜未采取局放監(jiān)測，僅采取溫度監(jiān)測。

3.4 1 500 V直流開關(guān)設(shè)備

3.4.1 設(shè)備溫度監(jiān)測

利用光纖溫度傳感器對變電站開關(guān)柜實(shí)時溫度進(jìn)行在線監(jiān)測，對開關(guān)、母線及電纜進(jìn)線的高溫點(diǎn)進(jìn)行報警、定位；采用感溫光纜對主變電站電纜夾層內(nèi)電纜溫度進(jìn)行連續(xù)實(shí)時在線監(jiān)測，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時判斷電纜故障點(diǎn)及溫度變化情況。

采用光纖光柵解調(diào)儀及光纖溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備故障點(diǎn)和溫度變化的在線監(jiān)測。通過對比收集的溫度與故障告警數(shù)據(jù)，快速定位故障點(diǎn)。

3.4.2 直流設(shè)備框架絕緣監(jiān)測

安裝直流設(shè)備時，牽引系統(tǒng)的正、負(fù)極配電柜均采用對地絕緣安裝，絕緣阻值不得小于2 MΩ。絕緣安裝完成后，該處所有直流設(shè)備框架外殼只通過一根接地線進(jìn)行單點(diǎn)接地。直流設(shè)備框架的泄漏電流僅流入該接地點(diǎn)，由此通過單接地點(diǎn)，采用比較法對霍爾電流傳感器和磁調(diào)制電流傳感器進(jìn)行精度校驗(yàn)，采用測量微小弱電流的方式，實(shí)現(xiàn)對直流設(shè)備框架絕緣的監(jiān)測。

采用在直流設(shè)備框架單點(diǎn)接地線穿心安裝電流傳感器，實(shí)現(xiàn)了對直流設(shè)備框架泄漏電流的在線監(jiān)測（圖4）。

圖4 直流設(shè)備框架絕緣監(jiān)測裝置

3.4.3 斷路器機(jī)械特性

直流1 500 V斷路器機(jī)械特性與GIS斷路器機(jī)械特性原理相似。采用傳感器實(shí)現(xiàn)了對直流1 500 V斷路器分合閘線圈電流、電機(jī)電流的在線監(jiān)測。

3.4.4 斷路器動作特性錄波

直流1 500 V斷路器動作錄波原理不同于交流斷路器動作錄波原理，通過開關(guān)柜內(nèi)的直流變送器采集信號，接入到錄波測控單元；交流斷路器動作錄波通過開關(guān)柜內(nèi)的互感器采集信號接入到錄波測控單元。

采用斷路器動作特性錄波裝置，實(shí)現(xiàn)了對斷路器分合波形的在線監(jiān)測。如圖5所示，t1表示開關(guān)分?jǐn)鄷r觸頭動作至一次回路電流降至0的時間，t2表示開關(guān)動作信號發(fā)出至觸頭開始動作的時間，t3表示開關(guān)動作信號發(fā)出至開關(guān)狀態(tài)輔助觸點(diǎn)閉合的時間。

圖5 直流斷路器典型開斷波形

3.5 低壓400 V開關(guān)柜

3.5.1 設(shè)備溫度監(jiān)測

低壓400 V開關(guān)柜設(shè)備溫度監(jiān)測原理與直流1 500 V設(shè)備溫度監(jiān)測原理類似。采用光纖光柵解調(diào)儀及光纖溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)了對400 V開關(guān)柜的設(shè)備溫度監(jiān)測。

3.5.2 斷路器機(jī)械特性

400 V開關(guān)柜斷路器機(jī)械特性與GIS斷路器機(jī)械特性原理相似。采用傳感器來驗(yàn)證400 V開關(guān)柜斷路器機(jī)械特性與設(shè)備運(yùn)行年份的關(guān)系。

3.5.3 斷路器動作特性監(jiān)測

400 V開關(guān)柜斷路器動作特性原理與GIS斷路器動作特性原理相似。采用斷路器動作特性錄波裝置進(jìn)行驗(yàn)證。

3.5.4 局部放電

400 V開關(guān)柜局放原理與110 kV GIS電纜局部放電原理相似。采用暫態(tài)地電波傳感器，實(shí)現(xiàn)了對400 V開關(guān)柜設(shè)備局部放電的在線監(jiān)測。

3.6 干式變壓器

3.6.1 局部放電

干式變壓器通常利用環(huán)氧樹脂等絕緣材料對繞組和鐵芯進(jìn)行澆注，以保證良好的絕緣性，但在實(shí)際運(yùn)行中仍存在局部放電。由于變壓器發(fā)生局部放電時會同時向外發(fā)出電脈沖信號，可通過檢測變壓器接地電纜的脈沖電流實(shí)現(xiàn)對變壓器局部放電的監(jiān)測[11]。

采用高頻傳感器及局放監(jiān)測單元，實(shí)現(xiàn)了干式變壓器局部放電的在線監(jiān)測。在一次偶發(fā)故障中捕捉到異常，證明其具備相應(yīng)實(shí)踐效果。但由于監(jiān)測裝置電壓低、信號弱、背景噪音大，監(jiān)測效果仍待進(jìn)一步觀察確認(rèn)。

3.6.2 振動（聲波）

利用聲音傳感器直接與數(shù)據(jù)終端連接定時獲取噪聲數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)計算得到聲壓級、頻譜聲壓級等多組數(shù)據(jù)，將實(shí)時數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳至后臺，監(jiān)測、報警。在干式變壓器上安裝聲音傳感器，對干式變壓器存在的噪聲進(jìn)行監(jiān)測。由于噪聲頻譜范圍廣，對正常頻譜和特殊情況頻譜則需要進(jìn)行對比識別和預(yù)設(shè)。

3.7 整流器

整流器設(shè)備溫度監(jiān)測原理與1 500 V直流設(shè)備溫度監(jiān)測原理相似。參見圖6。

圖6 整流器溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.8 環(huán)境溫濕度

環(huán)境溫濕度測量是指利用環(huán)境溫濕度變化引起材料電特性變化的原理進(jìn)行的溫濕度測量。通過在變電所低壓開關(guān)柜、整流器、GIS安裝傳感器，采集和存儲變電所內(nèi)溫度和濕度的數(shù)據(jù)，向監(jiān)控軟件傳輸并完成溫濕度監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了對變電所內(nèi)溫濕度的在線監(jiān)測。

4 結(jié)語

基于2016年全年對地鐵變電所供電系統(tǒng)設(shè)備在線監(jiān)測進(jìn)行的大量研究和實(shí)踐，總結(jié)如下：

（1）產(chǎn)品的質(zhì)量問題影響運(yùn)行可靠性，采用在線監(jiān)測能及時發(fā)現(xiàn)事故隱患，防患于未然。

（2）逐步采用在線監(jiān)測代替停電試驗(yàn)，可減少設(shè)備停電時間，節(jié)約試驗(yàn)費(fèi)用。

（3）對老化設(shè)備或本身有缺陷但有防范措施的設(shè)備，采用在線監(jiān)測隨時監(jiān)視其運(yùn)行狀況，一旦發(fā)現(xiàn)問題及時退出運(yùn)行，最大限度地利用其剩余壽命。

總體而言，在線監(jiān)測系統(tǒng)在投入運(yùn)行的一年多里尚未出現(xiàn)任何故障，這與該站設(shè)備本身質(zhì)量可靠，投入時間不長（約8年）有關(guān)。另外，日常記錄也可判斷監(jiān)測手段是否反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，如110 kV GIS局部放電監(jiān)測，存在隨早晚、季節(jié)變化的規(guī)律。

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中國鐵道學(xué)會電氣化委員會2017年會及新技術(shù)研討會勝利召開

2017年11月12日，“2017年中國鐵道學(xué)會電氣化委員會年會暨牽引供電系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新及大數(shù)據(jù)應(yīng)用論壇”在保定軌道交通產(chǎn)業(yè)園勝利召開。中國鐵道學(xué)會理事長盧春房，中國中鐵總工程師劉輝，保定市高新區(qū)管委會副主任柏紀(jì)偉出席會議并致辭；中鐵電氣化局董事長韋國致開幕辭，總經(jīng)理李愛敏出席會議，副總經(jīng)理、總工程師趙印軍致閉幕辭并主持會議。會上，鐵路總公司工電部副主任王祖峰、西南交大教授高仕斌、行業(yè)設(shè)計大師蔣先國、華東交大教授陳劍云4位專家進(jìn)行了主題演講，8位學(xué)者進(jìn)行了優(yōu)秀論文展示與交流；專家組對優(yōu)秀論文進(jìn)行評審并公布了評審結(jié)果。中國鐵路總公司、相關(guān)高等院校、設(shè)計院、鐵路運(yùn)營公司及裝備制造業(yè)內(nèi)學(xué)者、專家以及《電氣化鐵道》2017增刊部分作者等共計190余人參加會議。

本次大會層次高、規(guī)模大、成果多、效果好。出席本次大會的各領(lǐng)域?qū)＜液蛯W(xué)者以牽引供電系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新及大數(shù)據(jù)應(yīng)用為主題，從不同專業(yè)視角對牽引供電技術(shù)進(jìn)行了廣泛深入的交流，吸收先進(jìn)理念，共享豐碩成果，明確了今后牽引供電技術(shù)的發(fā)展趨勢和重點(diǎn)突破方向，達(dá)到了互通有無、相互促進(jìn)、共同提高的目的，將進(jìn)一步推動我國軌道交通牽引供電系統(tǒng)的創(chuàng)新和發(fā)展。

2017年12月2日，由中國鐵道學(xué)會電氣化委員會主辦的“高速鐵路及城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)新技術(shù)研討會”在北京召開，來自鐵路總公司相關(guān)部門、多個鐵路局供電處、八大設(shè)計院、五所高等院校、地方軌道交通建設(shè)/運(yùn)營公司、三個電化局、裝備制造企業(yè)等單位的80余人參加會議。會上，鐵路總公司鑒定中心景德炎處長作了發(fā)言，對電氣化委員會提出殷切希望，要求做好支撐行業(yè)科技進(jìn)步與科技引領(lǐng)工作，為我國由電氣化大國邁向電氣化強(qiáng)國，更好發(fā)揮學(xué)會平臺作用，做好技術(shù)交流活動指明了方向；西南交大教授吳積欽、北京交大教授吳命利等13人進(jìn)行了主題論述與分享，會議氣氛熱烈，學(xué)術(shù)交流氛圍濃厚，大家以“高速鐵路及城市軌道牽引供電系統(tǒng)新技術(shù)”為主題進(jìn)行了積極研討和深入交流。會議既有前瞻性、又很接地氣，將為鐵路牽引供電技術(shù)發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用。

U231.8

B

1007-936X(2017)06-0048-06

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.06.013

何江海.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，高級工程師；張目然.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，高級工程師；

余 龍.廣州白云電器設(shè)備股份有限公司，高級工程師；黃偉峰.廣州白云電器設(shè)備股份有限公司，工程師。

2017-04-19