常寶波,程詠斌,梁釗福,楊宜廣
(1.廣州市揚(yáng)新技術(shù)研究有限責(zé)任公司,廣州 510540;2.廣州市世科高新技術(shù)企業(yè)有限公司,廣州 510540)
城市軌道交通工程采用直流牽引供電軌,通過(guò)架空接觸網(wǎng)或接觸軌受電,利用列車走行鋼軌作為負(fù)回流線,列車運(yùn)行過(guò)程中不斷振動(dòng)周圍環(huán)境,造成接觸網(wǎng)臟污,使得接觸網(wǎng)設(shè)備容易發(fā)生絕緣擊穿等現(xiàn)象,造成接地端路跳閘,牽引電流沿鋼軌流回牽引變電所時(shí)在鋼軌上形成電壓降,從而導(dǎo)致鋼軌與大地之間產(chǎn)生電位差,引起泄漏電流。隨著城市軌道交通規(guī)模的不斷擴(kuò)大,地鐵線路逐漸增多,直流饋線電纜的應(yīng)用越來(lái)越多[1-2]。然而,直流饋線電纜電流的監(jiān)測(cè)難度較大[3-4]。傳統(tǒng)方案是通過(guò)分流器監(jiān)測(cè)饋線電纜的電流,而分流器只能監(jiān)測(cè)10 A以上的電流,同時(shí)直流牽引保護(hù)的動(dòng)作電流往往在幾千安培的數(shù)量級(jí),對(duì)于更小量級(jí)的電流與高阻接地等輕微故障的情況無(wú)能為力[5-6]。對(duì)于饋線電纜可能存在破損的情形,目前沒(méi)有有效的方法或技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行定性甚至定量的監(jiān)測(cè)與分析?,F(xiàn)有的排障手段,只是在切除電力后,通過(guò)人工對(duì)疑似故障的電纜進(jìn)行逐根、逐段“手摸”式損傷排查,效率十分低下[7-8]。因此,本文提出一種基于霍爾元件的直流饋線電纜泄漏電流在線監(jiān)測(cè)方案,檢測(cè)各區(qū)間段接觸網(wǎng)泄漏電流的變化情況,通過(guò)預(yù)警泄漏電流過(guò)大的區(qū)間段以減少事故的發(fā)生率,實(shí)現(xiàn)地鐵直流饋線電纜泄漏電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),降低地鐵維護(hù)工作量及成本。
地鐵直流牽引系統(tǒng)主要包括了整流變壓器、整流器和直流開(kāi)關(guān)柜等主要部件。整流變壓器將交流33 kV的電壓降壓到1 220 V,通過(guò)整流器將交流電壓整流為1 500 V左右的直流電壓[9-10]。所得到的直流電源通過(guò)電纜送到牽引變電站內(nèi)的直流母排上,通過(guò)直流饋線柜控制饋線電纜的供電。直流饋線通過(guò)上網(wǎng)電纜給接觸網(wǎng)供電,地鐵列車借助接觸網(wǎng)取流,完成整個(gè)地鐵牽引供電系統(tǒng)的供電和用電[11-12]。同正常運(yùn)行時(shí)負(fù)荷電流相比,泄漏電流的量級(jí)要小很多。為了更好地監(jiān)測(cè)到泄漏電流,本方案利用霍爾元件精確測(cè)量微小電流的特性,通過(guò)霍爾元件采集微小泄漏電流,對(duì)采集到的泄漏電流進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直流饋線柜電纜電流。通過(guò)對(duì)比分析列車運(yùn)行、列車停運(yùn)、上網(wǎng)隔離刀閘斷開(kāi)等各種情況下的監(jiān)測(cè)電流值,實(shí)現(xiàn)泄漏電流的判斷與故障區(qū)域的定位。
本方案選擇1 500 V直流饋線柜出線為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。當(dāng)直流饋線柜出線與接觸網(wǎng)之間的隔離開(kāi)關(guān)處于分位置時(shí),霍爾元件采集電纜泄漏電流,此時(shí)若發(fā)現(xiàn)泄漏電流,則泄漏電流來(lái)自于饋線柜出線電纜;當(dāng)隔離開(kāi)關(guān)處于合位置時(shí),采集接觸網(wǎng)上的泄漏電流,此時(shí)若發(fā)現(xiàn)泄漏電流,則泄漏電流存在于接觸網(wǎng)中;當(dāng)?shù)罔F正常運(yùn)行時(shí),監(jiān)測(cè)接觸網(wǎng)及電纜的負(fù)荷電流,通過(guò)負(fù)荷電流判斷機(jī)車運(yùn)行是否存在故障;當(dāng)?shù)罔F收車時(shí),對(duì)接觸網(wǎng)及電纜上的泄漏電流進(jìn)行監(jiān)測(cè),對(duì)泄漏電流大小、位置進(jìn)行初步判斷,為地鐵檢修人員的工作提供依據(jù)。
考慮到地鐵上采用雙端供電原理為機(jī)車供電,如圖1所示,以圖中A-B站為例,說(shuō)明站間及站內(nèi)泄漏電流監(jiān)測(cè)原理。
在A、B站分別使用霍爾元件采集接觸網(wǎng)上的電流ia、ib,對(duì)全天的監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行分析:(1)當(dāng)機(jī)車正常運(yùn)行時(shí),ia、ib為負(fù)荷電流,此時(shí)將負(fù)荷電流采集,并進(jìn)行每日對(duì)比,查看負(fù)荷電流峰值、谷值等是否有明顯變化,若有明顯變化,則機(jī)車存在問(wèn)題;(2)當(dāng)機(jī)車剛收車時(shí),此時(shí)線路上若存在電流,則為泄漏電流。
圖1 站間電流流向
如圖2所示,圖中每一站內(nèi)有5路電纜,每路電纜上串聯(lián)4個(gè)不同量程的霍爾元件,每路電纜選取最適當(dāng)?shù)牧砍滩杉底鳛樵撀沸孤╇娏鞑杉?,?路電纜得到的泄漏電流值相加,即得到該站內(nèi)泄漏電流ik,如式(1)所示。
式中:ia、ib分別由5個(gè)支路的泄漏電流構(gòu)成,ia=iah1+iah2+iah3+iah4+iah5,ib=ibh1+ibh2+ibh3+ibh4+ibh5。
由于接觸網(wǎng)上的泄漏電流由于范圍較大,采用分級(jí)采集的方式每一支路有4個(gè)霍爾元件,量程分別為0~10 mA、0~1 A、0~10 A和0~100 A。電纜上的泄漏電流較小,監(jiān)測(cè)時(shí)選用量程為0~10 mA的霍爾元件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。若泄漏電流較大則選用其他量程霍爾元件。
圖2 站內(nèi)接觸網(wǎng)
本方案主要可以分為3個(gè)模塊:數(shù)據(jù)采集及信號(hào)調(diào)理模塊、采樣裝置模塊及后臺(tái)系統(tǒng)模塊。數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)電流接口接收接觸網(wǎng)連接線纜區(qū)間段的電流模擬量信號(hào);信號(hào)調(diào)理模塊將電流模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓模擬量信號(hào)并傳輸至采樣裝置;采樣裝置將接收的電壓模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流數(shù)字量信號(hào),并將電流數(shù)字量信號(hào)通過(guò)以太網(wǎng)接口傳輸至后臺(tái)系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)采集及信號(hào)調(diào)理模塊通過(guò)4種不同量程(0~10 mA、0~1 A、0~10 A和0~100 A)的霍爾元件電流接口接收來(lái)自接觸網(wǎng)連接電纜區(qū)間段的電流模擬量信號(hào),電流模擬量信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后轉(zhuǎn)換為電壓模擬量信號(hào)并傳輸至采樣裝置。
采樣裝置模塊將接收到的電壓模擬量信號(hào)通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電流數(shù)字量信號(hào),并通過(guò)以太網(wǎng)接口傳輸至后臺(tái)系統(tǒng)。
后臺(tái)系統(tǒng)模塊又包括網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、負(fù)載均衡服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、前端服務(wù)器和監(jiān)控中心服務(wù)器7個(gè)子模塊。其中,網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊用于傳輸電流數(shù)字信號(hào);負(fù)載均衡服務(wù)器用于調(diào)配數(shù)據(jù)采集服務(wù)器;數(shù)據(jù)采集服務(wù)器用于對(duì)接收的電流數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解碼、歸類和整合儲(chǔ)存至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器;數(shù)據(jù)處理服務(wù)器用于分析數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器中的數(shù)據(jù),對(duì)站間數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),將異常數(shù)據(jù)傳輸至前端服務(wù)器。
負(fù)載均衡服務(wù)器根據(jù)服務(wù)器權(quán)重調(diào)配數(shù)據(jù)采集服務(wù)器,負(fù)載均衡服務(wù)器在接收到采樣裝置的連接請(qǐng)求后,若負(fù)載均衡服務(wù)器與數(shù)據(jù)采集服務(wù)器連接成功后,負(fù)載均衡服務(wù)器根據(jù)服務(wù)器權(quán)重重新調(diào)配數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。
若負(fù)載均衡服務(wù)器與數(shù)據(jù)采集服務(wù)器連接未成功,判斷數(shù)據(jù)采集服務(wù)器是否發(fā)生宕機(jī)故障;若數(shù)據(jù)采集服務(wù)器發(fā)生宕機(jī)故障,數(shù)據(jù)采集服務(wù)器恢復(fù)初始狀態(tài),負(fù)載均衡服務(wù)器會(huì)分配備份負(fù)載均衡服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)備份;若數(shù)據(jù)采集服務(wù)器不發(fā)生宕機(jī)故障,則負(fù)載均衡服務(wù)器重新接收到采樣裝置的連接請(qǐng)求,直至負(fù)載均衡服務(wù)器根據(jù)服務(wù)器權(quán)重重新調(diào)配數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。
監(jiān)控中心服務(wù)器與后臺(tái)系統(tǒng)中各模塊與服務(wù)器設(shè)有心跳包,用于監(jiān)控后臺(tái)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。后臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊將帶時(shí)標(biāo)的電流數(shù)字量信號(hào)傳輸至采樣裝置進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí),用于校準(zhǔn)采樣裝置時(shí)間。
底層采樣元件采集地鐵供電軌輸入的電流模擬信號(hào),然后將電流模擬信號(hào)經(jīng)采樣裝置轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào),并通過(guò)以太網(wǎng)接口發(fā)送至數(shù)據(jù)發(fā)送模塊,數(shù)據(jù)發(fā)送模塊接收采樣裝置發(fā)送的數(shù)字量信號(hào),然后以無(wú)線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送至數(shù)據(jù)采集模塊。其中,負(fù)載均衡模塊為采樣裝置調(diào)配相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集模塊,使得采樣裝置與數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行連接、通訊;云端服務(wù)器對(duì)接收的數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行校驗(yàn)判斷和數(shù)據(jù)處理,數(shù)據(jù)采集模塊用于對(duì)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備信息預(yù)處理及數(shù)據(jù)分析預(yù)處理,并將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)存放至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中;通過(guò)數(shù)據(jù)處理模塊將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并將數(shù)據(jù)分析結(jié)果推送至前端模塊,前端模塊根據(jù)用戶請(qǐng)求將采集數(shù)據(jù)以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、裝置信息、異常告警等推送至終端,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,廣州地鐵坑口站饋線至接觸網(wǎng)連接電纜區(qū)間段可能存在部分電流泄漏現(xiàn)象,因此我司依據(jù)直流饋線電纜在線監(jiān)測(cè)的原理對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)進(jìn)行方案設(shè)計(jì),提供了一套城市軌道交通直流饋線電纜電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(該系統(tǒng)包括1套“基于軌道交通接觸網(wǎng)泄漏電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”程序、3臺(tái)直流錄波裝置、12臺(tái)霍爾元件數(shù)據(jù)采集裝置、1臺(tái)4G無(wú)線路由器及1臺(tái)工業(yè)級(jí)交換機(jī),以下簡(jiǎn)稱“在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”)。
在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2019年10月在廣州地鐵一號(hào)線坑口車輛段試運(yùn)行,對(duì)坑口車輛段現(xiàn)場(chǎng)饋線柜214的電纜進(jìn)行采集數(shù)據(jù),饋線柜214中有3根電纜,編號(hào)分別為C-2141、C-2142、C-2143,對(duì)每一根電纜均使用4個(gè)不同量程的霍爾元件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采集量程分別為0~10 mA、0~1 A、0~10 A、0~100 A。霍爾元件采集的數(shù)據(jù)經(jīng)錄波裝置的4路AI輸入傳輸至交換機(jī)、4G無(wú)線路由器并發(fā)送至云端服務(wù)器中的后臺(tái)系統(tǒng)。后臺(tái)系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析及托送到前端網(wǎng)頁(yè)展示。
通過(guò)云端平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控直流牽引網(wǎng)饋線段各個(gè)支路直流電流數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包括3根電纜實(shí)時(shí)的負(fù)荷電路及泄漏電流,并計(jì)算出該饋線總負(fù)荷及總泄漏電流。以電纜2141為例,其實(shí)時(shí)電流數(shù)據(jù)如圖3所示。此外,還可通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比功能可查詢、對(duì)比相關(guān)時(shí)間段內(nèi)各饋線段負(fù)荷電流;通過(guò)數(shù)據(jù)分析功能可分析相關(guān)時(shí)間段內(nèi)各饋線段負(fù)荷電流、泄漏電流每日數(shù)據(jù)最大、最小負(fù)荷及每日數(shù)據(jù)對(duì)比??梢苑治雒咳肇?fù)荷、泄漏電流最大值、最小值及均值、負(fù)荷、泄漏電流變化趨勢(shì);通過(guò)實(shí)時(shí)錄波功能可對(duì)直流牽引網(wǎng)饋線段各個(gè)支路進(jìn)行實(shí)時(shí)波形錄制,生成錄波文件。底層采樣裝置采樣頻率為10 kHz,即采樣時(shí)間間隔為0.1 ms。以10 kHz采樣頻率連續(xù)錄波,可生成錄波文件,在前端可看到波形并可保存。
根據(jù)直流饋線段現(xiàn)有系統(tǒng)的測(cè)量和保護(hù)功能原理,微小電流可能出現(xiàn)幾十安培至幾百安培零飄,進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量和保護(hù)功能不準(zhǔn)?,F(xiàn)場(chǎng)證實(shí)引入饋線電纜電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)微小電流,減少現(xiàn)有系統(tǒng)保護(hù)功能的誤判。
經(jīng)2個(gè)多月的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,各類數(shù)據(jù)的采集量達(dá)200萬(wàn)條,實(shí)現(xiàn)的主要功能如下。
(1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè):通過(guò)云端平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控直流牽引網(wǎng)饋線段各個(gè)支路直流電流數(shù)據(jù)。
(2)數(shù)據(jù)對(duì)比查詢及分析:通過(guò)數(shù)據(jù)分析功能可查詢、對(duì)比相關(guān)時(shí)間段內(nèi)各饋線段負(fù)荷電流、泄漏電流每日數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及數(shù)據(jù)對(duì)比。
(3)實(shí)時(shí)錄波:通過(guò)實(shí)時(shí)錄波功能可對(duì)直流牽引網(wǎng)饋線段各個(gè)支路進(jìn)行實(shí)時(shí)波形錄取,生成錄波文件。
本文設(shè)計(jì)了一種基于霍爾元件的直流饋線電纜泄漏電流在線監(jiān)測(cè)方案,方案中霍爾元件采集數(shù)據(jù)后傳輸給錄波裝置,錄波裝置連接到交換機(jī)后經(jīng)由無(wú)線路由器,把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到云端服務(wù)器,云端服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以及存儲(chǔ),最后通過(guò)網(wǎng)頁(yè)端進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)及查看處理結(jié)果。該方案實(shí)現(xiàn)了地鐵接觸網(wǎng)各個(gè)區(qū)間段泄漏電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)檢測(cè)各區(qū)間段接觸網(wǎng)泄漏電流變化情況,對(duì)泄漏電流過(guò)大的區(qū)間段可進(jìn)行預(yù)警,安全可靠,提高了工作效率,可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)遠(yuǎn)程查看,減少現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員工作量,降低地鐵運(yùn)營(yíng)的維護(hù)成本。該方案已經(jīng)成功應(yīng)用于廣州地鐵一號(hào)線坑口車輛段,經(jīng)過(guò)運(yùn)行及測(cè)試,該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,能夠?qū)︷伨€電流的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),同時(shí)能夠?qū)ω?fù)荷電流進(jìn)行最大值、最小值、均值對(duì)比分析。該方案可以監(jiān)測(cè)到穩(wěn)定的泄漏電流,但還無(wú)法監(jiān)測(cè)到間歇性的泄漏電流,需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。
圖3 饋線段電纜2141實(shí)時(shí)電流數(shù)據(jù)
在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中,后續(xù)可更為細(xì)致地研究單根電纜的不同位置在不同時(shí)刻的電流值,探討泄漏電流存在的區(qū)間位置,從而進(jìn)一步減少檢修工作量。當(dāng)饋線電纜比較長(zhǎng)時(shí),該方向的研究將更具意義。