城市軌道交通供電智能運(yùn)維系統(tǒng)研究

郭昇彥

（福州地鐵集團(tuán)有限公司，福州 350000）

智能運(yùn)維技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域具有廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景，相關(guān)制造行業(yè)逐漸形成了市場(chǎng)和服務(wù)價(jià)值高于制造的理念，隨著智能傳感器、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)的發(fā)展，城市軌道交通供電系統(tǒng)智能運(yùn)維系統(tǒng)應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大。本文以運(yùn)維需求為導(dǎo)向，研究包括110 kV GIS、油浸式變壓器、35 kV GIS、DC1500 V 開(kāi)關(guān)柜、干式變壓器和整流器等關(guān)鍵設(shè)備的監(jiān)測(cè)方案，提出了一種搭建城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)智能運(yùn)維系統(tǒng)硬件和軟件系統(tǒng)的方法，有助于提高城軌供電設(shè)備的運(yùn)營(yíng)安全性，降低故障風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維。

1 監(jiān)測(cè)方案研究

1.1 110 kV GIS

SF6密度微水在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠在線監(jiān)測(cè)SF6氣體壓力、微水、密度、溫度和露點(diǎn)等數(shù)據(jù)，同時(shí)能夠監(jiān)測(cè)SF6泄漏故障和微水含量超限故障；UHF 特高頻局放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能在線監(jiān)測(cè)GIS 各氣室內(nèi)部局部放電信號(hào)的幅值、相位、放電次數(shù)等數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部局部放電故障；避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠在線監(jiān)測(cè)避雷器泄漏電流、阻性電流、雷擊次數(shù)等數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)避雷器受潮和老化故障；斷路器分合閘監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)分合閘次數(shù)、時(shí)間、電流等，用于預(yù)測(cè)分合閘機(jī)構(gòu)的健康狀態(tài)。推薦110 kV GIS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由以上4 個(gè)部分組成，同時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可融合綜合監(jiān)控部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，共同實(shí)現(xiàn)110 kV GIS 設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)功能。

1.2 油浸式變壓器

油浸式變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由高頻電流傳感器系統(tǒng)、溫度傳感器系統(tǒng)、油色譜分析儀系統(tǒng)3 個(gè)部分構(gòu)成，油浸式變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成如圖1 所示。油浸式變壓器的故障診斷主要根據(jù)油色譜分析結(jié)果確定，高頻電流傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果起輔助支持作用。油色譜分析方法主要用于分析變壓器內(nèi)部的長(zhǎng)期故障，對(duì)變壓器整體的健康狀況有良好的反映，故障類型覆蓋全面；高頻電流傳感器系統(tǒng)主要用于分析變壓器內(nèi)部的放電故障，能夠?qū)ψ儔浩鲀?nèi)部的絕緣受損情況作出更詳細(xì)的判斷，反應(yīng)速度快，正好補(bǔ)足了油色譜分析方法反應(yīng)較慢的缺點(diǎn)。兩者的故障分析結(jié)果相互支持，高頻電流傳感的分析結(jié)果正好能解釋放電導(dǎo)致的特征氣體的產(chǎn)生。油色譜的分析結(jié)果作為變壓器故障判斷的主要依據(jù)，對(duì)變壓器的運(yùn)行狀況作出詳細(xì)判斷，為運(yùn)營(yíng)維修提供指導(dǎo)性的建議。

圖1 油浸式變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.3 35 kV GIS

UHF 特高頻局放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能在線監(jiān)測(cè)GIS各氣室內(nèi)部局部放電信號(hào)的幅值、相位、放電次數(shù)等數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部局部放電故障；斷路器分合閘監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)分合閘次數(shù)、時(shí)間、電流等，用于預(yù)測(cè)分合閘機(jī)構(gòu)的健康狀態(tài)。35 kV GIS 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可同時(shí)融合綜合監(jiān)控部分狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)，共同實(shí)現(xiàn)35 kV GIS設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)功能，35 kV GIS 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖2 所示。

圖2 35 kV GIS 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.4 DC1500 V 開(kāi)關(guān)柜

在直流開(kāi)關(guān)設(shè)備中，由于電力電纜接頭絕緣材料不好、接觸電阻過(guò)大或制作工藝不達(dá)標(biāo)等原因，會(huì)引起電纜接頭溫度升高甚至擊穿。通過(guò)在一次電纜接頭和直流斷路器手車靜觸頭處安裝智能傳感器，對(duì)其溫度進(jìn)行測(cè)量并傳送至運(yùn)維管理系統(tǒng)，對(duì)這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析評(píng)估，有效預(yù)防電氣故障，保障設(shè)備運(yùn)行安全。直流斷路器機(jī)械特性在線測(cè)量的難點(diǎn)在于沒(méi)有特定的位移或角度傳感器時(shí)，無(wú)法在線獲取斷路器的合閘響應(yīng)時(shí)間，也無(wú)法獲取斷路器在分合閘操作過(guò)程中的觸頭從合（分）位運(yùn)動(dòng)到分（合）位的時(shí)間。因此基于上述判據(jù)，對(duì)斷路器機(jī)械特性的部分參數(shù)做些離線測(cè)量并作為固定參數(shù)來(lái)修正，則在線測(cè)量可較為準(zhǔn)確地反映斷路器的機(jī)械特性。針對(duì)直流斷路器而言，基于電壽命試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)更能真實(shí)反映實(shí)際壽命曲線，同時(shí)加入極限短路試驗(yàn)的數(shù)據(jù)做修正，可獲得較為準(zhǔn)確的預(yù)期電壽命次數(shù)或壽命百分比。DC1500 V 開(kāi)關(guān)柜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與斷路器分合閘監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（監(jiān)測(cè)分合閘次數(shù)、時(shí)間、電流等，用于預(yù)測(cè)分合閘機(jī)構(gòu)的健康狀態(tài)）2 個(gè)部分構(gòu)成。DC1500 V 開(kāi)關(guān)柜溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成如圖3 所示。

1.5 干式變壓器

干式變壓器系統(tǒng)由局放傳感器系統(tǒng)、溫度傳感器系統(tǒng)、振動(dòng)傳感器系統(tǒng)組成。故障診斷主要根據(jù)超高頻電流傳感器（UHF）的監(jiān)測(cè)結(jié)果確定，振動(dòng)傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果起輔助支持作用。干式變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成如圖4 所示。UHF 分析方法主要用于分析變壓器內(nèi)部的放電故障，對(duì)變壓器內(nèi)部的絕緣受損情況作出更詳細(xì)的判斷，多個(gè)UHF 傳感器還可以為對(duì)局放位置提供指導(dǎo)。振動(dòng)傳感器主要用于判斷變壓器的長(zhǎng)期性故障，尤其是機(jī)械性故障。兩者的故障分析結(jié)果相互支持，對(duì)變壓器的運(yùn)行狀況做出詳細(xì)判斷，為運(yùn)營(yíng)維修提供指導(dǎo)性的建議。

圖4 干式變壓器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.6 整流器

整流器測(cè)溫系統(tǒng)是由溫度傳感器、主機(jī)、后臺(tái)軟件組成，可以采集并輸出溫度信號(hào)。整流器測(cè)溫系統(tǒng)組成如圖5 所示。

圖5 整流器測(cè)溫系統(tǒng)

2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)城市軌道交通供電系統(tǒng)的關(guān)鍵供電設(shè)備進(jìn)行了常見(jiàn)故障及檢測(cè)方案研究，統(tǒng)計(jì)了城市軌道交通供電系統(tǒng)智能運(yùn)維系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能見(jiàn)表1。

智能運(yùn)維系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集來(lái)源共分為2 大類，一是來(lái)自添加傳感器的數(shù)據(jù)采集，二是從PSCADA 獲取的設(shè)備信息。每個(gè)站需要接入的系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括PSCADA 以及新增傳感器的信息。對(duì)以上部分進(jìn)行故障診斷與壽命預(yù)測(cè)所需數(shù)據(jù)分2 類，快速數(shù)據(jù)和慢速數(shù)據(jù)。系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖6 所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以研究適用于城市軌道交通供電系統(tǒng)的智能運(yùn)維系統(tǒng)為目的，以運(yùn)維需求為導(dǎo)向，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備包括油浸式和干式變壓器、中低壓開(kāi)關(guān)柜、直流開(kāi)關(guān)柜和整流器等的檢測(cè)方案進(jìn)行了研究分析，并根據(jù)分析情況搭建了城市軌道交通供電智能運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警及隱患排查、故障快速診斷、故障分析指導(dǎo)和全生命周期健康評(píng)估及壽命預(yù)測(cè)等系統(tǒng)功能。