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淺談城市軌道交通直流電纜絕緣在線監測方案研究及產品選型

更新時間：2023-08-07      瀏覽次數：707

hth下载地址 陳聰

摘要：從(cong) 城市軌道交通直流牽引供電係統架構和直流電纜結構入手，分析了直流電纜在係統中的重要作用，闡述了對直流電纜絕緣進行監測的必要性。在不改變原有係統架構和直流電纜結構基礎上，提出直流電纜絕緣監測方案，並通過理論分析、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(guan) 鍵詞：城市軌道交通；DC1500V；電纜；絕緣；在線監測

0引言

按照交通運輸部數據，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，運營裏程達8708km[1]，其中95%以上的線路采用DC750V、DC1500V電壓製式供電，電能從(cong) 牽引變電所到接觸網主要采用直流電纜傳(chuan) 送。直流電纜敷設條件比較複雜，如變電所電纜夾層、戶外直埋、電纜溝、電纜槽等，經常處於(yu) 潮濕環境，存在鼠蟻害風險，而且運營維護檢修不便。

由於(yu) 直流牽引供電係統正負極不接地懸浮係統的特性，至今沒有成熟的監測經驗和案例。本文通過研究和工程實踐提出一種用於(yu) 監測電纜絕緣性能降低的方法，在事故發生之前監測係統可預判並通知運營部門提前處理，避免事故擴大。

1係統構成

圖1為(wei) 城軌直流牽引供電係統示意圖。整流機組將AC35kV、AC33kV或AC10kV交流電源轉換成DC750V、DC1500V，通過直流開關(guan) 櫃分配、饋出至對應的接觸網為(wei) 車輛供電，因此直流電纜是整個(ge) 係統中的重要環節，而且處於(yu) 近電源端的位置，一旦係統發生金屬性短路，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(ge) 牽引供電係統至關(guan) 重要。

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2直流電纜絕緣監測方案

2.1直流電纜結構

城市軌道交通牽引供電係統用直流電纜選用低壓、無鹵、阻燃、防水、防鼠蟻銅芯鎧裝電纜，其結構如圖2所示，主要由導體(ti) 、絕緣層、金屬鎧裝層、外護套組成。為(wei) 降低工程難度，對電纜的絕緣監測應盡量不改變原有直流供電係統架構和直流電纜的結構。

2.2直流電纜絕緣監測接線方案

直流電纜絕緣監測接線方案如圖3所示，每回直流電纜由多根電纜並聯組成。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(ti) 和鎧裝層之間並聯電阻R1，在鎧裝層和負極之間並聯電阻R2。

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設置電壓變送器分別采集導體(ti) 對負極的電壓U和金屬鎧裝層對負極的電壓US，並將U和US發送給智能監測單元進行運算。選取R1=200Ω，R2=200Ω，電壓變送器輸入電壓為(wei) ±2000V，輸出電流為(wei) ±20mA。

3直流電纜絕緣監測原理

3.1直流電纜絕緣監測原理與(yu) 計算方法

圖4為(wei) 直流電纜絕緣監測等效電氣原理圖。

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圖中：U為(wei) 導體(ti) (正極)對負極的電壓(1#電壓變送器測量的電壓)；UC為(wei) 導體(ti) 對金屬鎧裝層的電壓；US為(wei) 金屬鎧裝層對負極的電壓(2#電壓變送器測量的電壓)；RC為(wei) 導體(ti) 與(yu) 金屬鎧裝層之間的絕緣電阻；RS為(wei) 金屬鎧裝層與(yu) 負極之間的絕緣電阻；R1為(wei) 與(yu) RC並聯的附加電阻；R2為(wei) 與(yu) RS並聯的附加電阻。

R1與(yu) RC並聯的電阻R1'：

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正常運行時，RC、RS、R1、R2為(wei) 固定值，因此金屬鎧裝層對負極的電壓US隻隨導體(ti) 對負極電壓U的變化而變化。因此，正常運行時，US/U為(wei) 固定值，不隨電壓的變化而變化，其值小於(yu) 1。

3.2電纜導體(ti) 對金屬鎧裝層絕緣故障分析

根據圖4，當導體(ti) 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(yan) 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(ti) 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也隨之減小；最嚴(yan) 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(ti) 對金屬鎧裝絕緣故障時的報警設置

正常運行時US/U為(wei) 固定值，設為(wei) A，導體(ti) 對鎧裝層絕緣故障最嚴(yan) 重情況下US/U=1，設基準為(wei) (1−A)。實時監測U及US，並計算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，並根據該值進行報警。

表1所示為(wei) 直流電纜導體(ti) 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(wei) 39.29%，對應導體(ti) 對金屬鎧裝層的絕緣電阻降低到正常時的0.01倍。image.png

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(wei) 固定值A，鎧裝層對負極絕緣故障最嚴(yan) 重情況下US=0，設基準為(wei) A。隨時監測U及US，並計算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，根據該值進行報警。如表2所示計算，報警值可設為(wei) −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。

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5絕緣監測及絕緣故障定位產(chan) 品

5.1絕緣監測及絕緣故障定位產(chan) 品

AIM-T係列工業(ye) 用絕緣監測儀(yi)

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AIM-T係列絕緣監測儀(yi) 主要應用在工業(ye) 場所IT配電係統中，主要包括AIM-T300、AIM-T500和AIMT500L三款產(chan) 品，均適用於(yu) 純交流、純直流以及交直流混合的係統。

其中AIM-T300適用於(yu) 450V以下的交流、直流以及交直流混合係統，AIM-T500適用於(yu) 800V以下的交流、直流以及交直流混合係。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(chan) 品

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工業(ye) 用絕緣故障定位產(chan) 品配合AIM-T500L絕緣監測儀(yi) 使用，主要包括ASG200測試信號發生器，AIL200-12絕緣故障定位儀(yi) ，AKH-0.66L係列電流互感器，適用於(yu) 出線回路較多的IT配電係統。

5.3絕緣監測耦合儀(yi)

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絕緣監測耦合儀(yi) 配合AIM-T500絕緣監測儀(yi) 使用，主要包括ACPD100，ACPD200，適用於(yu) 交流電壓高於(yu) 690V，直流電壓高於(yu) 800V的IT配電係統。

6技術參數

6.1絕緣監測儀(yi) 技術參數

型號

技術指標

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

被監測IT係統

電壓

480V以下的交流、直流以及交直流混合係統

690V以下的交流及交直流混合係統、800V以下直流係統

頻率

40~60Hz

40~60Hz

絕緣監測

測量範圍

1kΩ~5MΩ

1kΩ~10MΩ

報警值範圍

10kΩ~5MΩ

10kΩ~10MΩ

相對誤差

1~10k: 10k；10k~5M: ±10%

1~10k: 10k；10k~10M: ±10%

允許係統泄露電容

<150μF

<500μF

響應時間

<6s

<5s

通訊

RS485，Modbus-RTU

RS485，Modbus-RTU

RS485，Modbus-RTU；

內(nei) 部參數

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

額定衝(chong) 擊電壓/汙染等級

8kV/Ⅲ

8kV/Ⅲ

內(nei) 部直流電阻

≥120kΩ

≥180kΩ

輸出

繼電器輸出

預警、報警

出錯、預警、報警

環境

工作溫度

-20~+60℃

-15~+55℃

存儲(chu) 溫度

-20~+70℃

-20~+70℃

相對濕度

5%~95%，不結露

5%~90%，不結露

海拔高度

≤2500m

≤2500m

6.2測試信號發生器技術參數

輔助電源

電壓

AC 85~265V DC100~300V

功耗

<7W

IT係統

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(yi) 技術參數

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

環境

電磁兼容/電磁輻射

IEC61326-2-4

工作溫度

-15-+55℃

6.4 AKH-0.66L係列電流互感器技術參數

型號

額定電流

變比

等級

過載倍數

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絕緣監測耦合儀(yi) 技術參數

產(chan) 品型號

ACPD100

ACPD200

適用係統

單相交、直流不接地係統

三相交流、直流不接地係統

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(chu) 溫度

-20~+70℃

防護等級

IP30

7結語

根據本文分析和研究，基本可以看出，通過測量直流電纜導體(ti) 與(yu) 負極之間的電壓U及金屬鎧裝層與(yu) 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，並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(ge) 饋線回路的幾根電纜的金屬鎧裝層並聯統一采集、判別和保護。

下一階段將盡快推進實現產(chan) 品研製與(yu) 工程實踐應用。在理論研究方麵，可以在本文所述方案基礎上作進一步功能擴展，例如嚐試如何通過監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據速報.

［2］範巧蓮.直流電纜絕緣監察保護原理及在地鐵中的應用[J].電氣化鐵道，2004(4)：30-32

［3］hth下载地址企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) .2020.6版；

［4］hth下载地址IT係統絕緣監測故障定位裝置及監控係統（中英文）2020.01版