鐵路27.5 kV高壓電纜絕緣在線監(jiān)測探討

許云升

0 引言

27.5 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣高壓電纜被廣泛應用于電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中，當其用于牽引變壓器、GIS（AIS）開關(guān)柜、27.5 kV所用變壓器、接觸網(wǎng)等設(shè)備之間的連接時，起到電力傳輸和分配的作用。

近年來電纜故障頻發(fā)，以國內(nèi)某電氣化鐵路為例，全線27.5 kV高壓電纜共有58條，2010—2014年發(fā)生高壓電纜故障11次，主要原因為電纜外護套在施工、運行中受到機械損傷，絕緣介質(zhì)逐漸受潮，絕緣性能下降進而發(fā)展為絕緣擊穿，最后引起牽引變電所全所停電或接觸網(wǎng)中斷供電，致使鐵路運輸中斷，造成重大經(jīng)濟損失或不良社會影響。由于高壓電纜故障定位比較困難，故障搶修恢復時技術(shù)作業(yè)也相對復雜，造成恢復時間較長。因此，及時發(fā)現(xiàn)和預防電纜絕緣潛在問題尤為重要。

通過采用絕緣在線監(jiān)測方法可以實時掌握電纜絕緣的變化情況，提前預判可能的故障。本文結(jié)合運行經(jīng)驗，通過現(xiàn)場試驗探討一種適合鐵路27.5 kV高壓電纜在線監(jiān)測的方法。

1 絕緣在線監(jiān)測方法對比

目前采用的鐵路27.5 kV高壓電纜絕緣在線監(jiān)測方法有交流耐壓試驗、分布式光纖溫度測量、接地電流監(jiān)測、局部放電監(jiān)測等多種方法。

1.1 交流耐壓試驗法

27.5 kV交聯(lián)聚乙烯高壓電纜大多分布在鐵路沿線、山區(qū)等地理環(huán)境較復雜地區(qū)，電纜長度從幾百米到數(shù)千米不等，由于巨大的電容量使常規(guī)的交流耐壓試驗設(shè)備無能為力，必須使用笨重的串聯(lián)交流諧振設(shè)備或?qū)Ｓ迷囼炣嚕以囼灂r間長，對運輸干擾較大[1]。因此，27.5 kV交聯(lián)聚乙烯高壓電纜的交流耐壓試驗一般較難完成。

1.2 分布式光纖溫度測量法

當高壓電纜外護套破損造成屏鎧雙端或多端接地時，屏鎧感應電流會使電纜發(fā)熱。另外，電纜終端或中間接頭絕緣性能下降或電纜頭連接接觸不良時，也會使電纜溫度升高[2]。因此，通過監(jiān)測電纜的溫度變化，關(guān)聯(lián)其絕緣性能變化的方法是可行的，如圖1所示。

圖1 分布式光纖溫度測量架構(gòu)

但通過實踐，證明該方法存在以下問題：（1）結(jié)構(gòu)復雜，需沿電纜布施多個溫度傳感器；（2）分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)的測溫裝置安裝在電纜終端的外護層表面，只能監(jiān)測電纜表層外護套溫度，并不能實時反映電纜線芯及電纜主絕緣內(nèi)部溫度。

1.3 接地電流監(jiān)測方法

27.5 kV單芯電纜線芯與其金屬屏鎧護套的關(guān)系可視為一個空芯變壓器，當單芯電纜線芯通過電流時會使金屬護套兩端產(chǎn)生感應電壓。高鐵電纜屏鎧等金屬護套采用一端接地，另一端經(jīng)護層保護器接地的方式，電纜屏鎧對地不能形成閉合回路，正常時其直接接地端泄漏電流或電容電流很小。當電纜外護套破損或絕緣性能下降到一定程度時，電纜屏鎧對地形成一個閉合回路而產(chǎn)生感應電流，并隨著電纜線芯電流的變化而變化。因此，可以通過測量線芯及屏鎧電流變化來監(jiān)測電纜絕緣性能的好壞。但是，該方法由于需要在電纜終端頭處安裝采集所需的電流互感器，同時還需要成套的集成設(shè)備及傳輸設(shè)施、二次供電設(shè)備等，實施較為復雜。

1.4 局部放電監(jiān)測法

局部放電是造成電纜絕緣破壞的主要原因之一，考慮到電纜故障多發(fā)生于電纜附件，而且從電纜附件處進行局部放電測量容易實現(xiàn)、靈敏度高，因此，一般電纜局部放電在線監(jiān)測主要是針對電纜附件[2]。目前，電纜局部放電在線監(jiān)測方法主要包括差分法、方向耦合法、電磁耦合法、電容分壓法、超高頻電容法、超高頻電感法等。雖然局部放電在線監(jiān)測方法很多，理論上也是可行的，但由于局放信號微弱、波形復雜、外界干擾噪聲大等原因，實際應用難度很大。

2 鐵路27.5 kV高壓電纜接地系統(tǒng)全電流在線監(jiān)測方案探討

2.1 基本原理

我國鐵路27.5 kV高壓電纜一般采取一端直接接地，另一端不接地或通過護層保護器接地的方式。當高電壓作用于供電電纜的絕緣介質(zhì)兩端時，電纜絕緣介質(zhì)中會產(chǎn)生全電流（泄漏電流），并經(jīng)接地系統(tǒng)流入大地，全電流中主要包含容性電流和阻性電流，等效電路如圖2所示。正常情況下容性電流占主要部分，該電流與電纜的材質(zhì)和運行電壓有關(guān)；阻性電流約占10%～20%，該電流主要來自經(jīng)絕緣介質(zhì)的沿面泄漏，包括外護套、外表面的沿面泄漏以及經(jīng)電纜附件絕緣材質(zhì)的泄漏等。一旦發(fā)生電纜的絕緣介質(zhì)老化、受潮或破壞、外護層保護遭到破壞進入水分、電纜絕緣附件絕緣性能下降等情況時，電纜的阻性電流會逐漸增大，占全電流的比重增大，全電流也隨之增大，因此只需對運行中流經(jīng)電纜接地系統(tǒng)的全電流或阻性電流進行監(jiān)測，并將所得數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)相比較，即可掌握電纜的運行狀態(tài)。另外，單獨監(jiān)測阻性電流分量需要較復雜的技術(shù)設(shè)計，監(jiān)測設(shè)備需具有較高的靈敏度，實現(xiàn)成本較高，因此，通過監(jiān)測全電流的變化判斷電纜運行狀態(tài)是一種既經(jīng)濟又實用的方法。

圖2 運行電纜全電流等效電路

2.2 全電流在線監(jiān)測方法

正常運行情況下，高壓供電電纜接地系統(tǒng)中一般存在幾十伏的電壓，若在接地系統(tǒng)線路中串接一電阻，如圖3所示，對兩端電壓進行采樣，并經(jīng)過整流過濾，即可以有效、實時地反映出電纜接地系統(tǒng)回路中的全電流值。

圖3 全電流監(jiān)測儀原理

3 鐵路27.5 kV高壓電纜接地系統(tǒng)全電流在線監(jiān)測分析

3.1 影響監(jiān)測結(jié)果的因素分析

通過長時間對電纜接地系統(tǒng)全電流在線監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測結(jié)果會隨著不同的環(huán)境和運行條件發(fā)生變化，因此若要通過監(jiān)測數(shù)據(jù)實時、真實、準確地反映電纜的運行質(zhì)量，需對影響其監(jiān)測結(jié)果的相關(guān)因素進行分析。

（1）天氣的影響。潮濕環(huán)境下電纜的泄漏電流會增大，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果顯示，一般濕度大于70%時，泄漏電流均會隨著濕度的增大而增大。

（2）溫度的影響。監(jiān)測結(jié)果顯示，一天中的不同時間段，監(jiān)測數(shù)據(jù)會出現(xiàn)不同的變化，在天氣晴朗的情況下，上午和下午的監(jiān)測結(jié)果基本一致，較為穩(wěn)定；中午天氣較熱和夜間溫濕度變化時，全電流數(shù)值均會發(fā)生變小或變大的現(xiàn)象。

（3）運行負荷的影響。在車流量較大的節(jié)假日期間，同一區(qū)段有多輛機車運行時，由于電纜主回路的電流較大，通過感應而產(chǎn)生的感應電壓也增大，該感應電壓施加在絕緣屏蔽層上，導致流過屏蔽層的電容電流增大，從而使全電流增大。

（4）諧波電流的影響。樞紐地區(qū)距離車站較近的供電線電纜在動車組列車啟動瞬間會出現(xiàn)全電流突然增大的現(xiàn)象，主要原因為動車組列車啟動瞬間會產(chǎn)生較大的高次諧波，由于呈容性的電纜具有高頻低阻特性，使得屏鎧層有較高的容性電流流過，全電流會增大。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場運行情況分析

3.2.1 電纜絕緣正常時的監(jiān)測數(shù)據(jù)

由于天氣、環(huán)境溫濕度、機車負荷、機車運行產(chǎn)生高次諧波等因素可能干擾全電流的監(jiān)測結(jié)果，因此，選擇天氣晴朗，8：00—11：00或16：00—20：00時段，線路上無負荷情況下的監(jiān)測結(jié)果進行統(tǒng)計分析，作為判斷電纜運行質(zhì)量的依據(jù)。分析發(fā)現(xiàn)，電纜長度在500 m以內(nèi)時，全電流基本保持在55 mA左右；電纜長度在1 km左右時，全電流一般在70 mA左右。某所10日內(nèi)的電纜在線監(jiān)測全電流統(tǒng)計情況見表1。

表1 電纜在線監(jiān)測全電流統(tǒng)計 mA

3.2.2 電纜接地系統(tǒng)全電流監(jiān)測數(shù)據(jù)與絕緣質(zhì)量判斷

電纜絕緣擊穿故障基本不會瞬間形成，需要經(jīng)過絕緣性能下降、不斷對外放電和發(fā)熱、加快絕緣擊穿的過程。當電纜的主絕緣性能下降時，泄漏電流會增大，且呈非線性的趨勢增大；當外護層受外力破壞或自身質(zhì)量問題而使電纜絕緣性能下降時，泄漏全電流的數(shù)值也呈現(xiàn)增大的趨勢，但占總泄漏全電流的比例稍小，一般為15%～20%，該數(shù)值在電纜缺陷發(fā)生的前期一般不產(chǎn)生變化，但隨著運行時間的增加，進入水分對電纜的主絕緣形成一定的破壞后即形成非線性遞增趨勢?；陔娎|主絕緣性能下降全電流會變大的現(xiàn)象，通過對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行縱向比較，發(fā)現(xiàn)其數(shù)值持續(xù)變化較大時立即停電做進一步的絕緣試驗檢查，進行綜合判斷，以便準確判斷電纜的運行質(zhì)量，并做好相應的防護措施，確保電纜的穩(wěn)定運行。

3.2.3 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)突變時的綜合分析

由于在線監(jiān)測數(shù)據(jù)會受到機車負荷和機車啟動、運行產(chǎn)生的高次諧波以及天氣、環(huán)境溫濕度等因素的影響，因此，在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)監(jiān)測電流出現(xiàn)瞬間較大變化時，應同時進行以下幾方面的分析對比，以此作為判斷電纜運行狀態(tài)的依據(jù)：（1）同時查看牽引所內(nèi)綜自裝置采集的線路電流值，并與日常運行監(jiān)測的情況進行對比；（2）查看線路上是否有機車運行，并記錄運行機車的型號；（3）如果是樞紐地區(qū)，還需了解當時車站內(nèi)是否有機車；（4）查看電纜是否存在持續(xù)增大或一直保持較大的全電流值；（5）外部環(huán)境溫度及天氣是否正常。通過綜合分析后正確判斷電纜的運行質(zhì)量。

3.3 測量數(shù)據(jù)在現(xiàn)場的運用案例

2020年10月24—26日，在線監(jiān)測某所02供電單元供電線電纜時，在連續(xù)幾日無負荷的情況下發(fā)現(xiàn)采集到的全電流數(shù)據(jù)較平時電流增大15%～20%（表1），于是對電纜進行停電試驗。通過試驗發(fā)現(xiàn)，該供電線電纜絕緣護層的絕緣電阻明顯下降，進一步開挖檢查發(fā)現(xiàn)該電纜被硬器破壞。

3.4 測量方法改進設(shè)想

（1）鐵路高壓供電電纜全電流在線監(jiān)測方法實施簡單、實用，但是增加了供電工區(qū)對安裝儀表的巡視工作量，如雨天電纜發(fā)生故障時不能及時巡視發(fā)現(xiàn)，同樣會導致故障的發(fā)生，因此需要做進一步的改進?？蓪⒅羔樖降谋O(jiān)測器改造為數(shù)字式，并增設(shè)報警功能，通過設(shè)定定值，使監(jiān)測數(shù)據(jù)達到一定值時自動報警，提醒車站或工區(qū)人員注意查看監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（2）增加對機車運行情況及電纜主回路中電流的同步采集和分析，以便排除干擾，增強電纜故障預判的準確性。通過長期對比分析全電流與主回路電流之間的關(guān)系，并統(tǒng)計不同車型和機車負荷對全電流的影響，分析數(shù)據(jù)變化的規(guī)律，排除干擾數(shù)據(jù)，減少可能出現(xiàn)的判斷錯誤。

4 結(jié)語

目前所采用的通過監(jiān)測電纜接地系統(tǒng)的泄漏全電流反映電纜運行狀態(tài)的方法簡單、實用，具有一定的推廣價值。對監(jiān)測裝置定期進行認真巡視，對相關(guān)數(shù)據(jù)進行仔細比對，即可掌握供電電纜的狀態(tài)，對可能存在問題的電纜及時進行處理，避免因高壓電纜故障造成供電故障，提高鐵路供電安全穩(wěn)定性。