一體化鐵路管型母線智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)研究

李 濤，杜鵬程，劉 浩

（山東泰開電纜有限公司，山東 泰安 271000）

0 引 言

牽引變電所是高速鐵路能源的供給者。牽引變電所管型母線是能源供給的重要高壓部件，其絕緣性能的好壞直接影響牽引變電所的供電能力，對(duì)保障高速鐵路的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[1]。由于管型母線長(zhǎng)期運(yùn)行于惡劣環(huán)境，它的絕緣性能降低或損壞又不易被運(yùn)行人員所知，進(jìn)而帶病運(yùn)行，最終造成重大安全事故[2-3]。因此，研究了一體化鐵路管型母線智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，以監(jiān)測(cè)管型母線自身的絕緣狀態(tài)。當(dāng)管型母線自身絕緣性能下降或存在安全隱患時(shí)，監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)可準(zhǔn)確發(fā)出預(yù)警信息。該智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用，提高了鐵路牽引變電所供電的可靠性，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一體化鐵路管型母線智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，主要由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層及運(yùn)維管理組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 一體化鐵路管型母線智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層由監(jiān)測(cè)傳感器和監(jiān)測(cè)裝置兩類設(shè)備組成。

監(jiān)測(cè)傳感器用于完成信號(hào)量的變換。本系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)傳感器主要有微電流傳感器、局放脈沖電流傳感器及預(yù)埋式光纖溫度傳感器三種，分別完成主絕緣泄露電流的變換、局放信號(hào)的捕獲及管型母線溫度的測(cè)量[4]。

監(jiān)測(cè)裝置包括絕緣監(jiān)測(cè)裝置和溫度測(cè)量裝置。絕緣監(jiān)測(cè)裝置用于監(jiān)測(cè)主絕緣的泄露電流、系統(tǒng)電壓及局放信息等，并折算出主絕緣的介質(zhì)損耗、容性電流、電容量、局放強(qiáng)度及局放頻度。絕緣監(jiān)測(cè)裝置將監(jiān)測(cè)信息通過現(xiàn)場(chǎng)總線上傳至數(shù)據(jù)處理層[5]。溫度監(jiān)測(cè)裝置通過測(cè)量光纖傳感器傳輸?shù)墓庑畔?，折算出管型母線的實(shí)際運(yùn)行溫度，并將監(jiān)測(cè)溫度信息通過現(xiàn)場(chǎng)總線上傳至數(shù)據(jù)處理層。

1.2 數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層由監(jiān)測(cè)預(yù)警IED和所端通信管理機(jī)組成。該層用于完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收集、監(jiān)測(cè)信息綜合處理、運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，并將監(jiān)測(cè)信息、運(yùn)行狀態(tài)信息及預(yù)警信息通過通信管理機(jī)上傳至所屬供電段的運(yùn)維管理系統(tǒng)。

1.3 運(yùn)維管理層

運(yùn)維管理層由運(yùn)維管理系統(tǒng)服務(wù)器組成。該層用于完成變電所各類監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的收集和管理，可在各類預(yù)警信息發(fā)生時(shí)診斷存在的問題，從而為運(yùn)行管理人員提供必要的處理方案。

2 系統(tǒng)組成及監(jiān)測(cè)內(nèi)容

該系統(tǒng)由微電流監(jiān)測(cè)傳感器、局放監(jiān)測(cè)傳感器、溫度監(jiān)測(cè)傳感器、主絕緣監(jiān)測(cè)裝置、溫度監(jiān)測(cè)裝置、監(jiān)測(cè)預(yù)警IED及通信管理機(jī)（跟綜自系統(tǒng)共用）組成。

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括三方面。

（1）主絕緣監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)內(nèi)容為母線電壓和頻率、主絕緣泄露電流、主絕緣介質(zhì)損耗、主絕緣電容量、主絕緣容性電流、局放強(qiáng)度及局放頻度等[6]。

（2）溫度監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)內(nèi)容為管母運(yùn)行溫度等。

（3）監(jiān)測(cè)預(yù)警IED完成的功能為：上傳實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)量；主絕緣性能下降預(yù)警；主絕緣破壞預(yù)警；管母運(yùn)行異常預(yù)警；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理；預(yù)警SOE時(shí)間記錄；預(yù)警信息發(fā)布等。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)方案

3.1 主絕緣監(jiān)測(cè)

管型母線的內(nèi)屏蔽層采用一點(diǎn)接地，其接電線穿過監(jiān)測(cè)用泄露電流傳感器和脈沖局放監(jiān)測(cè)用傳感器；主絕緣監(jiān)測(cè)裝置同時(shí)測(cè)量泄露電壓和系統(tǒng)母線電壓，利用DFT計(jì)算基頻電流和電壓的相位、幅值；計(jì)算介質(zhì)損耗角；采用投影法計(jì)算容性電流Ic，折算出電容量。至此，實(shí)現(xiàn)了母線電壓、頻率、主絕緣泄露電流、容性電流、介質(zhì)損耗和電容量的測(cè)量。

主絕緣監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)脈沖局放監(jiān)測(cè)用傳感器輸出的脈沖信號(hào)，并測(cè)量脈沖強(qiáng)度，從而監(jiān)測(cè)局放強(qiáng)度；對(duì)單位時(shí)間內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而監(jiān)測(cè)局放發(fā)生頻度。

3.2 運(yùn)行溫度監(jiān)測(cè)

光纖溫度傳感器采用一種和光纖折射率相匹配的高分子溫敏材料涂覆在二根熔接在一起的光纖外面，使光能由一根光纖輸入該反射面然后從另一根光纖輸出。由于這種新型溫敏材料受溫度影響折射率發(fā)生變化，因此輸出的光功率與溫度呈函數(shù)關(guān)系。本系統(tǒng)采用預(yù)埋光纖溫度傳感器，使溫度傳感器與管母金屬導(dǎo)電部分緊密接觸，感知最真實(shí)的管母溫度。管母溫度監(jiān)測(cè)裝置實(shí)時(shí)測(cè)量光纖傳感器輸出的光功率，并通過算法折算出管母的實(shí)際運(yùn)行溫度。

3.3 主絕緣性能下降預(yù)警

泄露電流、容性電流、介質(zhì)損耗及電容量都能反映主絕緣的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)這些變量變化時(shí)，預(yù)示主絕緣的性能發(fā)生下降。本系統(tǒng)根據(jù)國(guó)網(wǎng)公司容性設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)導(dǎo)則的規(guī)范要求，對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)量設(shè)置兩級(jí)預(yù)警定值。當(dāng)監(jiān)測(cè)量發(fā)生越限時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信息，并建立SOE事件記錄。

3.4 主絕緣破壞預(yù)警

局放的發(fā)生意味著管母的主絕緣老化，并存在放電通道。隨著放電頻度的增加，局放產(chǎn)生的局部高溫加速了主絕緣的劣化，此時(shí)若不采取措施，一旦形成固定的放電通道，主絕緣將遭到破壞。本系統(tǒng)采用監(jiān)測(cè)放電強(qiáng)度和放電頻度實(shí)現(xiàn)預(yù)警。系統(tǒng)設(shè)置放電強(qiáng)度兩級(jí)預(yù)警（警示和告警），一旦越限，將發(fā)出告警信息并建立SOE時(shí)間記錄。

系統(tǒng)放電頻度預(yù)警信息為嚴(yán)重預(yù)警信號(hào)，設(shè)置兩級(jí)預(yù)警：第一級(jí)警示存在穩(wěn)定的放電現(xiàn)象；第二級(jí)警示主絕緣已受損壞，放電已頻繁發(fā)生。放電頻度兩級(jí)預(yù)警一旦發(fā)生，系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)出告警信息并建立SOE事件記錄。

3.5 管母運(yùn)行異常預(yù)警

負(fù)載一定時(shí)，正常運(yùn)行的管母的發(fā)熱和散熱最終會(huì)達(dá)到熱平衡，運(yùn)行溫度會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)正常范圍。一旦管母的發(fā)熱量增加，熱平衡溫度超過極限值，則預(yù)示管母運(yùn)行存在異常。本系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管母的運(yùn)行溫度，采用兩級(jí)預(yù)警：第一級(jí)警示管母溫度即將到達(dá)極限（1.1倍額定負(fù)載的熱平衡溫度）；第二級(jí)警示管母溫度超越極限（1.2倍額定負(fù)載的熱平衡溫度）。一旦預(yù)警產(chǎn)生，系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)出告警信息并建立SOE事件記錄。

4 接口方案

4.1 主絕緣監(jiān)測(cè)裝置（室外安裝）接口

本系統(tǒng)采用一體化設(shè)計(jì)，就地安裝。監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)置微電流傳感器、脈沖放電電流傳感器及監(jiān)測(cè)主板。管母內(nèi)屏蔽的一點(diǎn)接地線需采用一匝穿芯方式穿過監(jiān)測(cè)傳感器輸入套管。系統(tǒng)母線PT二次輸出應(yīng)接入監(jiān)測(cè)裝置。監(jiān)測(cè)裝置電源設(shè)置兩線接線端子，接入AC220 V或DC220 V、DC110 V電源。當(dāng)不具備外接電源時(shí)，采用太陽能供電模式。監(jiān)測(cè)裝置采用RS485或無線通信接口上傳數(shù)據(jù)，通信協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議。

4.2 溫度監(jiān)測(cè)裝置（室外安裝）接口

溫度傳感器由管母廠家預(yù)埋。溫度監(jiān)測(cè)裝置配置4路光纖接口，可同時(shí)接入4路傳感器[7]。

4.3 監(jiān)測(cè)預(yù)警IED（室內(nèi)安裝）接口

監(jiān)測(cè)預(yù)警IED對(duì)數(shù)據(jù)采集層預(yù)設(shè)2路RS485接口和1路無線通信接口，通信協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議。監(jiān)測(cè)預(yù)警IED對(duì)通信管理機(jī)預(yù)設(shè)1路RS485接口和1路網(wǎng)絡(luò)接口，協(xié)議格式則需根據(jù)用戶需求開發(fā)。

5 結(jié) 論

本文研究的一體化鐵路管型母線智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，可在牽引變電所管型母線出現(xiàn)問題時(shí)及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)出預(yù)警信息，防止事故發(fā)生，保障了變電所的安全、可靠供電，提高了整個(gè)牽引供電系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)一步保障了鐵路運(yùn)營(yíng)的安全、穩(wěn)定。