直流設(shè)備框架絕緣監(jiān)測裝置在地鐵變電所的應(yīng)用

劉 蘭，肖偉強(qiáng)，余 龍，何遠(yuǎn)毫

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直流設(shè)備框架絕緣監(jiān)測裝置在地鐵變電所的應(yīng)用

劉 蘭，肖偉強(qiáng)，余 龍，何遠(yuǎn)毫

為實(shí)現(xiàn)直流牽引供電系統(tǒng)直流設(shè)備框架絕緣的監(jiān)測，提出了一套直流設(shè)備框架絕緣監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)方案，采用3個(gè)量程的磁調(diào)制電流傳感器，解決了地鐵變電所直流牽引設(shè)備框架泄漏電流的寬量程問題。通過測控單元采集電流傳感器的模擬輸出信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，將泄漏電流實(shí)時(shí)值進(jìn)行顯示分析，判斷直流設(shè)備框架絕緣的故障狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)警和報(bào)警功能。

直流設(shè)備框架絕緣監(jiān)測裝置；磁調(diào)制電流傳感器；泄漏電流；狀態(tài)評估

0 引言

城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)中，框架保護(hù)是特有且重要的保護(hù)類型。接觸軌為正極，走行軌為負(fù)極，電流可以從走行軌返回，還可從大地返回，但會產(chǎn)生較大的雜散電流，所以直流供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)為不接地系統(tǒng)。直流設(shè)備框架外殼進(jìn)行接地設(shè)置，如果發(fā)生正極與外殼觸碰，正極通過設(shè)備外殼與負(fù)極間的短路電流突然增大，鋼軌與車身外殼相連為負(fù)極，旅客上下車時(shí)將存在極大的觸電危險(xiǎn)。為了防止短路造成的安全隱患，在直流設(shè)備安裝時(shí)，牽引系統(tǒng)的正、負(fù)極配電柜均需對地絕緣安裝，且絕緣阻值不得小于2 MΩ。所有直流設(shè)備框架外殼最后只通過一根接地線進(jìn)行單點(diǎn)接地，直流設(shè)備框架的泄漏電流只流入該接地點(diǎn)，通過該接地點(diǎn)，可對框架絕緣進(jìn)行監(jiān)測和保護(hù)。因此，框架絕緣監(jiān)測和保護(hù)是防止發(fā)生短路或接地故障、保護(hù)人身和設(shè)備安全的重要措施。

1 框架絕緣保護(hù)原理

目前的框架絕緣保護(hù)（圖1）原理是通過設(shè)置泄漏電流閥值觸發(fā)繼電器動作并反饋開關(guān)量觸發(fā)繼電保護(hù)，該過程不能實(shí)時(shí)監(jiān)測框架的泄漏電流，也不能反映直流設(shè)備框架絕緣的優(yōu)劣程度。直流設(shè)備框架泄漏電流通常很微弱，一般為幾毫安甚至小于1毫安，而在事故發(fā)生時(shí)，泄漏電流可以達(dá)到幾十安，因此直流設(shè)備框架泄漏電流的監(jiān)測不僅要滿足微小電流的測量精度要求，而且需實(shí)現(xiàn)寬量程測量。目前，單個(gè)傳感器很難達(dá)到該要求。

為了在事故發(fā)生時(shí)及時(shí)做出判斷，提前采取措施，將事故危害程度減到最小，必須實(shí)時(shí)監(jiān)測直流設(shè)備框架的泄漏電流。監(jiān)測裝置通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和處理，做出判斷并進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)將測量值實(shí)時(shí)傳送至后臺進(jìn)行處理及顯示，對泄漏電流數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、記錄和分析，通過設(shè)置報(bào)警閥值，觸發(fā)在線監(jiān)測系統(tǒng)動作，提示維護(hù)人員采取措施。

圖1 地鐵直流設(shè)備主回路接地原理

2 微小電流測量方法

正常情況下，直流供電系統(tǒng)通過框架泄漏的電流極其微弱，通常是幾毫安，甚至更小。目前，直流系統(tǒng)的微小電流測量有2種方式：一是依據(jù)霍爾原理，采用霍爾電流傳感器進(jìn)行探測；二是依據(jù)磁調(diào)制原理，采用磁調(diào)制電流傳感器進(jìn)行探測。

2.1 霍爾元件測量原理

霍爾傳感器可以測量任意波形的電流和電壓，如直流、交流、脈沖波形等，甚至可以實(shí)現(xiàn)對瞬態(tài)峰值的測量，測量原理如圖2所示?；魻杺鞲衅鞲边呺娏骺烧鎸?shí)反映原邊電流的波形，而普通互感器一般只適用于測量50 Hz正弦波，無法與其相比?；魻杺鞲衅鬟€具有精度高、線性度好、帶寬寬以及抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 磁調(diào)制技術(shù)測量原理

磁調(diào)制技術(shù)測量原理如圖3所示。圖中，W1為激勵(lì)線圈，W2為被測線圈（通常只有1匝），W3為檢測線圈。

圖2 霍爾元件測量原理

圖3 磁調(diào)制測量原理

在激勵(lì)線圈W1中通以交變對稱電壓源或電流源的三角波激勵(lì)信號，若被測線圈W2中電流為零，則檢測線圈W3中的信號波形如圖4中的實(shí)線所示，為正方波；若被測線圈W2中電流不為零，受W2中電流產(chǎn)生的磁場調(diào)制作用影響，檢測線圈W3中的信號波形如圖4中的虛線所示，為脈沖寬度調(diào)制波。

圖4 三角波激勵(lì)信號

由圖4可見，當(dāng)存在調(diào)制信號時(shí)，檢測繞組輸出電壓的正負(fù)半波發(fā)生相對位移，正負(fù)半波相位變化量（D）的大小和變化方向可以反映被測直流電流的大小和方向，利用這一特性測量直流電流，就是相位差磁調(diào)制式直流電流測量的基本原理。

3 精度校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)

采用標(biāo)準(zhǔn)直流源按照電流等級大小輸出電流，輸出導(dǎo)線穿過電流傳感器，使用模擬量采集裝置連接傳感器的模擬量輸出端，通過顯示軟件讀取并記錄測量值，通過對比測量值與標(biāo)準(zhǔn)源輸出值，判斷傳感器的精度及穩(wěn)定性。此次校驗(yàn)的霍爾電流傳感器和磁調(diào)制電流傳感器的標(biāo)稱量程均為0～ 100 mA，精度均為0.1 mA。

3.1 霍爾電流傳感器精度校驗(yàn)

在空輸入或調(diào)零時(shí)，通過顯示軟件發(fā)現(xiàn)傳感器存在零漂現(xiàn)象，數(shù)值變化范圍為-0.8～1 mA，標(biāo)準(zhǔn)直流源輸出值為1 mA時(shí)，測得數(shù)值變化范圍為0.2～2 mA，相對誤差較大。為了確定誤差的真實(shí)性，將傳感器的輸出端接入示波器，在空輸入或調(diào)零時(shí)，發(fā)現(xiàn)其紋波峰值為1 mA。

通過以上實(shí)驗(yàn)得知，霍爾電流傳感器存在零漂現(xiàn)象，其穩(wěn)定性和抗干擾性較差。因零漂較難解決，霍爾傳感器不適合測試小電流，無法在直流供電系統(tǒng)中進(jìn)行泄漏電流的測量。

3.2 磁調(diào)制電流傳感器精度校驗(yàn)

對磁調(diào)制電流傳感器進(jìn)行精度校驗(yàn)，并記錄校驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 磁調(diào)制電流傳感器精度校驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過實(shí)驗(yàn)和表1數(shù)據(jù)表明，磁調(diào)制電流傳感器的零漂在精度范圍內(nèi)，在校驗(yàn)過程中，傳感器的測量輸出較為穩(wěn)定，測量精度符合要求。

本次測試的傳感器均為基于互感原理的磁感應(yīng)傳感器，若要實(shí)現(xiàn)小電流的穩(wěn)定測量，還應(yīng)進(jìn)一步研究開發(fā)高精度的測量元件，通過大量的測試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證測量精度、量程等參數(shù)以及可靠性符合要求，通過可靠的通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，應(yīng)用數(shù)據(jù)庫技術(shù)及軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)評估及預(yù)警。

4 直流設(shè)備框架絕緣監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)

為了監(jiān)測直流設(shè)備框架的泄漏電流，在直流設(shè)備框架單點(diǎn)接地線上穿心式安裝磁調(diào)制電流傳感器，同時(shí)放置3個(gè)不同量程的磁調(diào)制電流傳感器，可實(shí)現(xiàn)從毫安級到幾十安級的寬量程測量。磁調(diào)制電流傳感器將實(shí)時(shí)測量的泄漏電流轉(zhuǎn)化為4～ 20 mA模擬量信號，輸入到測控單元，經(jīng)測控單元內(nèi)部的A/D電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號，經(jīng)CPU處理后進(jìn)行顯示。相關(guān)邏輯出口的控制通過測控單元的RS485端口傳送至后臺顯示并分析，判斷絕緣故障狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)預(yù)警和報(bào)警功能（圖5）。

4.1 裝置的組成及設(shè)計(jì)實(shí)施

結(jié)合廣州地鐵嘉禾望崗主變電所的現(xiàn)場情況，設(shè)計(jì)的直流設(shè)備框架絕緣監(jiān)測裝置主要由以下幾部分組成：磁調(diào)制電流傳感器、直流設(shè)備框架絕緣監(jiān)測箱JX5、交換機(jī)SC1、上位機(jī)PC及軟件等。其中JX5主要包括測控單元及傳感器電源變送模塊PM1，JX5的供電電源為AC 220 V，由電纜層現(xiàn)有的AC 220 V電源箱提供。

圖5 直流設(shè)備框架絕緣監(jiān)測裝置設(shè)計(jì)原理

裝置主要部件設(shè)計(jì)及實(shí)施方案如下：

（1）制作一段長為0.5 m的400 mm2接地電纜，先穿傳感器，然后壓線耳，安裝地點(diǎn)為33 kV電房。電纜一端連接建筑地排，另一端連接原有接地電纜線耳，使用Ф12的螺栓緊固。

（2）設(shè)計(jì)一套直流設(shè)備框架絕緣監(jiān)測箱JX5，供電電源為AC 220 V，壁掛安裝，安裝位置在電纜層接地電纜附近。箱內(nèi)主要包括：a.傳感器電源及變送模塊PM1，由傳感器供電電源、信號調(diào)理模塊組成，將傳感器的電流轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的0～ 20 mA模擬量信號，通過磁調(diào)制措施解決零漂，保證信號采集的可靠性和準(zhǔn)確性；b.測控單元，其CPU時(shí)鐘周期為15 ns，具有3個(gè)模擬量輸入通道，其A/D轉(zhuǎn)換芯片分辨率為14位，接收傳感器0～20 mA模擬量信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和CPU處理后，以標(biāo)準(zhǔn)的Modbus RTU 協(xié)議通過RS485串口進(jìn)行通信。添加測控單元的Modbus通信點(diǎn)表的泄漏電流參量。測控單元作為從站，響應(yīng)主站的掃描，將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)的OPC軟件。

（3）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫上位機(jī)軟件作為主站掃描Modbus從站測控單元，掃描周期為60 s，收到從站響應(yīng)發(fā)回的報(bào)文數(shù)據(jù)后，將報(bào)文中的泄漏電流的實(shí)時(shí)值存儲在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。下一次讀取的泄漏電流的實(shí)時(shí)值與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)值進(jìn)行比較，若相同則不更新，若改變則更新數(shù)據(jù)庫。在線監(jiān)控軟件顯示泄漏電流實(shí)時(shí)值，依據(jù)不同的閥值顯示不同的狀態(tài)報(bào)警。

（4）狀態(tài)評估數(shù)據(jù)庫上位機(jī)軟件將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫泄漏電流的值進(jìn)行時(shí)間點(diǎn)上的連續(xù)存儲，生成數(shù)據(jù)卷，存儲周期為1 h。在監(jiān)控軟件畫面中顯示泄漏電流歷史曲線，進(jìn)行狀態(tài)評估分析，生成報(bào)表，提供預(yù)警功能。

（5）交換機(jī)SC1實(shí)現(xiàn)各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，包括串口服務(wù)器與PC，服務(wù)器PC之間及服務(wù)器PC與客戶端PC之間的數(shù)據(jù)交換。

4.2 現(xiàn)場安裝調(diào)試

在安裝現(xiàn)場，直流1 500 V電房的所有直流設(shè)備最終通過一根400 mm2單芯電纜接地，接地點(diǎn)位于33 kV電房內(nèi)的建筑地排。接地電纜從直流柜底部進(jìn)入電纜層，最后引入到33 kV電房內(nèi)的建筑地排，用Ф12的螺栓緊固。穿好傳感器的接地電纜安裝于33 kV電房內(nèi)的建筑地排上，直流設(shè)備框架絕緣監(jiān)測箱JX5安裝于電纜層接地電纜附近，如圖6所示。從電纜層電源箱敷設(shè)AC 220 V電源線到JX5，從JX5敷設(shè)485電纜至監(jiān)控室，PC服務(wù)器及串口服務(wù)器安裝于監(jiān)控室機(jī)柜內(nèi)。

所有設(shè)備及線路安裝完成后，進(jìn)行通電調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，通過運(yùn)行測試實(shí)現(xiàn)直流設(shè)備框架泄漏電流的監(jiān)測?，F(xiàn)場監(jiān)控軟件測得泄漏電流實(shí)時(shí)值如圖7所示。

圖6 電流傳感器及監(jiān)控箱安裝位置

圖7 現(xiàn)場監(jiān)控軟件顯示泄漏電流實(shí)時(shí)值

5 結(jié)語

直流設(shè)備框架絕緣監(jiān)測裝置可以實(shí)現(xiàn)對直流供電系統(tǒng)設(shè)備框架泄漏電流的監(jiān)測，本文通過霍爾傳感器和磁調(diào)制電流傳感器精度校驗(yàn)的對比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與霍爾傳感器相比，磁調(diào)制電流傳感器可以實(shí)現(xiàn)微小電流的精確監(jiān)測，同時(shí)，為了解決直流設(shè)備框架泄漏電流寬量程要求的問題，提出使用3個(gè)不同量程范圍的磁調(diào)制電流傳感器進(jìn)行監(jiān)測。測控單元通過采集磁調(diào)制電流傳感器輸出的模擬量信號，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過RS485總線傳送至后臺的監(jiān)控軟件進(jìn)行顯示并分析，進(jìn)而判斷直流設(shè)備框架的絕緣故障狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警和報(bào)警功能。

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In order to effectively monitor DC equipment frame insulation of DC traction power supply system, the paper puts forward a scheme on designing a set of devices for monitoring of DC equipment frame, the measurements by application of magnetic modulation current sensor with 3 measuring ranges has met the requirements for wide-range measuring of leaking current of DC traction equipment frame in subway substation. After analog-digital conversion is made for analog output signals collected by current sensor of monitoring unit, the real time values of leaking current are displayed and analyzed to verdict fault status of DC equipment insulation and realize the pre-alarm and alarm functions.

Monitoring device for insulation of DC equipment frame; magnetic modulation current sensor; leaking current; status assessment

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.05.004

U231.8

B

1007-936X(2017)05-0013-06

劉 蘭.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，高級工程師；肖偉強(qiáng).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；何遠(yuǎn)毫.廣州白云電器設(shè)備股份有限公司，工程師。

2017-04-19