城市軌道交通直流饋線電纜在線監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用

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）

0 引言

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。

1 直流饋線電纜泄漏電流監(jiān)測(cè)原理

1.1 在線監(jiān)測(cè)方案原理

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)

1.2 在線監(jiān)測(cè)方案流程

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。

2 直流饋線電纜泄漏電流實(shí)施方案

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。

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

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。

4 結(jié)束語(yǔ)

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。