安科瑞 陳聰

摘要：從城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)架構和直流電纜結構入手，分析了直流電纜在系統(tǒng)中的重要作用，闡述了對直流電纜絕緣進行監(jiān)測的必要性。在不改變原有系統(tǒng)架構和直流電纜結構基礎上，提出直流電纜絕緣監(jiān)測方案，并通過理論分析、計算，給出電纜絕緣層和電纜外護套絕緣性能降低的報警值。

關鍵詞：城市軌道交通；DC1500V；電纜；絕緣；在線監(jiān)測

0引言

按照交通運輸部數據，截至2021年底，我國共有51座城市開通運營城市軌道交通線路共269條，運營里程達8708km[1]，其中95%以上的線路采用DC750V、DC1500V電壓制式供電，電能從牽引變電所到接觸網主要采用直流電纜傳送。直流電纜敷設條件比較復雜，如變電所電纜夾層、戶外直埋、電纜溝、電纜槽等，經常處于潮濕環(huán)境，存在鼠蟻害風險，而且運營維護檢修不便。

由于直流牽引供電系統(tǒng)正負極不接地懸浮系統(tǒng)的特性，至今沒有成熟的監(jiān)測經驗和案例。本文通過研究和工程實踐提出一種用于監(jiān)測電纜絕緣性能降低的方法，在事故發(fā)生之前監(jiān)測系統(tǒng)可預判并通知運營部門提前處理，避免事故擴大。

1系統(tǒng)構成

圖1為城軌直流牽引供電系統(tǒng)示意圖。整流機組將AC35kV、AC33kV或AC10kV交流電源轉換成DC750V、DC1500V，通過直流開關柜分配、饋出至對應的接觸網為車輛供電，因此直流電纜是整個系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，而且處于近電源端的位置，一旦系統(tǒng)發(fā)生金屬性短路，故障電流將高達10kA，事故將直接影響行車安全和人身安全，由此可見，直流電纜絕緣性能對整個牽引供電系統(tǒng)至關重要。

2直流電纜絕緣監(jiān)測方案

2.1直流電纜結構

城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)用直流電纜選用低壓、無鹵、阻燃、防水、防鼠蟻銅芯鎧裝電纜，其結構如圖2所示，主要由導體、絕緣層、金屬鎧裝層、外護套組成。為降低工程難度，對電纜的絕緣監(jiān)測應盡量不改變原有直流供電系統(tǒng)架構和直流電纜的結構。

2.2直流電纜絕緣監(jiān)測接線方案

直流電纜絕緣監(jiān)測接線方案如圖3所示，每回直流電纜由多根電纜并聯(lián)組成。將同一回路的多根直流電纜的金屬鎧裝層通過導線連接在一起，在導體和鎧裝層之間并聯(lián)電阻R1，在鎧裝層和負極之間并聯(lián)電阻R2。

設置電壓變送器分別采集導體對負極的電壓U和金屬鎧裝層對負極的電壓US，并將U和US發(fā)送給智能監(jiān)測單元進行運算。選取R1=200Ω，R2=200Ω，電壓變送器輸入電壓為±2000V，輸出電流為±20mA。

3直流電纜絕緣監(jiān)測原理

3.1直流電纜絕緣監(jiān)測原理與計算方法

圖4為直流電纜絕緣監(jiān)測等效電氣原理圖。

圖中：U為導體(正極)對負極的電壓(1#電壓變送器測量的電壓)；UC為導體對金屬鎧裝層的電壓；US為金屬鎧裝層對負極的電壓(2#電壓變送器測量的電壓)；RC為導體與金屬鎧裝層之間的絕緣電阻；RS為金屬鎧裝層與負極之間的絕緣電阻；R1為與RC并聯(lián)的附加電阻；R2為與RS并聯(lián)的附加電阻。

R1與RC并聯(lián)的電阻R1'：

正常運行時，RC、RS、R1、R2為固定值，因此金屬鎧裝層對負極的電壓US只隨導體對負極電壓U的變化而變化。因此，正常運行時，US/U為固定值，不隨電壓的變化而變化，其值小于1。

3.2電纜導體對金屬鎧裝層絕緣故障分析

根據圖4，當導體對金屬鎧裝層絕緣故障時，其絕緣電阻RC減小，而金屬鎧裝層對負極的絕緣電阻RS不變，US隨RC的減小而增大，US/U也隨之增大；最嚴重情況下RC=0，此時US=U，US/U=1。

3.3電纜金屬鎧裝層對地絕緣故障分析

根據圖4，當金屬鎧裝層對負極絕緣故障時，其絕緣電阻RS減小，而導體對金屬鎧裝層的絕緣電阻RC不變，US隨RS的減小而減小，US/U也隨之減小；最嚴重情況下RS=0，此時US=0，US/U=0。

4告警值的設定

4.1電纜導體對金屬鎧裝絕緣故障時的報警設置

正常運行時US/U為固定值，設為A，導體對鎧裝層絕緣故障最嚴重情況下US/U=1，設基準為 (1−A)。實時監(jiān)測U及US，并計算US/U的值，隨著絕緣電阻的下降，US/U的值增大。計算電壓偏差百分比(US/U−A)/(1−A)的值，并根據該值進行報警。

表1所示為直流電纜導體對鎧裝層絕緣故障時的報警值計算，報警值(電壓偏差百分比)可設為39.29%，對應導體對金屬鎧裝層的絕緣電阻降低到正常時的0.01倍。

4.2電纜鎧裝層對負極絕緣故障時的報警設置

正常運行時US/U為固定值A，鎧裝層對負極絕緣故障最嚴重情況下US=0，設基準為A。隨時監(jiān)測U及US，并計算US/U的值，隨著絕緣電阻的下降，US/U的值減小，計算電壓偏差百分比(US/U−A)/A的值，根據該值進行報警。如表2所示計算，報警值可設為−56.41%，對應鎧裝層對負極的絕緣電阻降低到正常時的0.01倍。

5絕緣監(jiān)測及絕緣故障定位產品

5.1絕緣監(jiān)測及絕緣故障定位產品

AIM-T系列工業(yè)用絕緣監(jiān)測儀

AIM-T系列絕緣監(jiān)測儀主要應用在工業(yè)場所IT配電系統(tǒng)中，主要包括AIM-T300、AIM-T500和AIMT500L三款產品，均適用于純交流、純直流以及交直流混合的系統(tǒng)。

其中AIM-T300適用于450V以下的交流、直流以及交直流混合系統(tǒng)，AIM-T500適用于800V以下的交流、直流以及交直流混合系。AIM-T500L相比AIM-T500增加了絕緣故障定位功能。

5.2絕緣故障定位產品

工業(yè)用絕緣故障定位產品配合AIM-T500L絕緣監(jiān)測儀使用，主要包括ASG200測試信號發(fā)生器，AIL200-12絕緣故障定位儀，AKH-0.66L系列電流互感器，適用于出線回路較多的IT配電系統(tǒng)。

5.3絕緣監(jiān)測耦合儀

絕緣監(jiān)測耦合儀配合AIM-T500絕緣監(jiān)測儀使用，主要包括ACPD100，ACPD200，適用于交流電壓高于690V，直流電壓高于800V的IT配電系統(tǒng)。

6技術參數

6.1絕緣監(jiān)測儀技術參數

6.2測試信號發(fā)生器技術參數

6.3絕緣故障定位儀技術參數

6.4 AKH-0.66L系列電流互感器技術參數

6.5絕緣監(jiān)測耦合儀技術參數

7結語

根據本文分析和研究，基本可以看出，通過測量直流電纜導體與負極之間的電壓U及金屬鎧裝層與負極之間的電壓US，便可判斷出直流電纜絕緣和外護套的絕緣情況，并可通過運算作出判別。判別方法簡單可靠，投資可控。該方案可以針對單根電纜，也可以考慮將單個饋線回路的幾根電纜的金屬鎧裝層并聯(lián)統(tǒng)一采集、判別和保護。

下一階段將盡快推進實現產品研制與工程實踐應用。在理論研究方面，可以在本文所述方案基礎上作進一步功能擴展，例如嘗試如何通過監(jiān)測和運算識別出故障位置，如何識別負極電纜的絕緣性能降低等。

參考文獻：

［1］交通運輸部.2021年12月城市軌道交通運營數據速報.

［2］范巧蓮.直流電纜絕緣監(jiān)察保護原理及在地鐵中的應用[J].電氣化鐵道，2004(4)：30-32

［3］安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2020.6版；

［4］安科瑞IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測故障定位裝置及監(jiān)控系統(tǒng)（中英文）2020.01版