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安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：從城市軌道交通直流牽引供電系統架構和直流電纜結構入手，分析了直流電纜在系統中的重要作用，闡述了對直流電纜絕緣進行監測的必要性。在不改變原有系統架構和直流電纜結構基礎上，提出直流電纜絕緣監測方案，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正負極不接地懸浮系統的特性，至今沒有成熟的監測經驗和案例。本文通過研究和工程實踐提出一種用于監測電纜絕緣性能降低的方法，在事故發生之前監測系統可預判并通知運營部門提前處理，避免事故擴大。
1系統構成
圖1為城軌直流牽引供電系統示意圖。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中的重要環節，而且處于近電源端的位置，一旦系統發生金屬性短路，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至關重要。
2直流電纜絕緣監測方案
2.1直流電纜結構
城市軌道交通牽引供電系統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，對電纜的絕緣監測應盡量不改變原有直流供電系統架構和直流電纜的結構。
2.2直流電纜絕緣監測接線方案
直流電纜絕緣監測接線方案如圖3所示，每回直流電纜由多根電纜并聯組成。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電阻R1，在鎧裝層和負極之間并聯電阻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發送給智能監測單元進行運算。選取R1=200Ω，R2=200Ω，電壓變送器輸入電壓為±2000V，輸出電流為±20mA。
3直流電纜絕緣監測原理
3.1直流電纜絕緣監測原理與計算方法
圖4為直流電纜絕緣監測等效電氣原理圖。
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并聯的附加電阻；R2為與RS并聯的附加電阻。
R1與RC并聯的電阻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??；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絕緣監測及絕緣故障定位產品
5.1絕緣監測及絕緣故障定位產品
AIM-T系列工業用絕緣監測儀
AIM-T系列絕緣監測儀主要應用在工業場所IT配電系統中，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。
其中AIM-T300適用于450V以下的交流、直流以及交直流混合系統，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
工業用絕緣故障定位產品配合AIM-T500L絕緣監測儀使用，主要包括ASG200測試信號發生器，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。
5.3絕緣監測耦合儀
絕緣監測耦合儀配合AIM-T500絕緣監測儀使用，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。
6技術參數
6.1絕緣監測儀技術參數
型號 技術指標 | AIM-T300 | AIM-T500 | AIM-T500L | ||||
輔助電源 | 電壓 | AC 85~265V;DC100~300 | AC 85~265V;DC100~300 | ||||
功耗 | ＜8W | ＜8W | |||||
被監測IT系統 | 電壓 | 480V以下的交流、直流以及交直流混合系統 | 690V以下的交流及交直流混合系統、800V以下直流系統 | ||||
頻率 | 40~60Hz | 40~60Hz | |||||
絕緣監測 | 測量范圍 | 1kΩ~5MΩ | 1kΩ~10MΩ | ||||
報警值范圍 | 10kΩ~5MΩ | 10kΩ~10MΩ | |||||
相對誤差 | 1~10k: 10k；10k~5M: ±10% | 1~10k: 10k；10k~10M: ±10% | |||||
允許系統泄露電容 | <150μF | <500μF | |||||
響應時間 | <6s | <5s | |||||
通訊 | RS485，Modbus-RTU | RS485，Modbus-RTU | RS485，Modbus-RTU； | ||||
內部參數 | 測量電流 | <170μA | <270μA | ||||
絕緣故障定位 | 無 | 無 | 有 | ||||
電磁兼容/電磁輻射 | IEC61326-2-4 | IEC61326-2-4 | |||||
額定沖擊電壓/污染等級 | 8kV/Ⅲ | 8kV/Ⅲ | |||||
內部直流電阻 | ≥120kΩ | ≥180kΩ | |||||
輸出 | 繼電器輸出 | 預警、報警 | 出錯、預警、報警 | ||||
環境 | 工作溫度 | -20~+60℃ | -15~+55℃ | ||||
存儲溫度 | -20~+70℃ | -20~+70℃ | |||||
相對濕度 | 5%~95%，不結露 | 5%~90%，不結露 | |||||
海拔高度 | ≤2500m | ≤2500m | |||||
6.2測試信號發生器技術參數
輔助電源 | 電壓 | AC 85~265V DC100~300V |
功耗 | <7W | |
IT系統 | 額定電壓 | 單相交流AC 220V 三相交流 AC 0~690V 直流DC 0~800V |
絕緣故障定位 | 響應時間 | <5s |
定位電壓 | 20V/5Hz | |
定位電流 | 0~10mA | |
環境 | 電磁兼容/電磁輻射 | IEC61326-2-4 |
工作溫度 | -15-+55℃ |
6.3絕緣故障定位儀技術參數
輔助電源 | 電壓 | AC 85-265V DC100~300V |
功耗 | <5W | |
絕緣故障定位 | 響應時間 | <12s |
定位電壓 | 無 | |
定位電流 | 無 | |
響應靈敏度 | >0.5mA | |
輸出 | 繼電器輸出 | 報警Alarm |
環境 | 電磁兼容/電磁輻射 | IEC61326-2-4 |
工作溫度 | -15-+55℃ |
6.4 AKH-0.66L系列電流互感器技術參數
型號 | 額定電流 | 變比 | 等級 | 過載倍數 |
L-45 | 16-100A | 5A：5mA | 1 | 10 |
L-80 | 100-250A | |||
L-100 | 250-400A | |||
L-150 | 400-800A | |||
L-200 | 800-1500A |
6.5絕緣監測耦合儀技術參數
產品型號 | ACPD100 | ACPD200 |
適用系統 | 單相交、直流不接地系統 | 三相交流、直流不接地系統 |
電壓等級 | 交流0~1150V，直流0~1760V | 交流0~1650V，帶直流元件0~1300V |
直流阻抗 | ≥160kΩ | AK1≥225kΩ |
工作溫度 | -10~+55℃ | |
存儲溫度 | -20~+70℃ | |
防護等級 | IP30 | |
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統一采集、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］安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.6版；
［4］安科瑞IT系統絕緣監測故障定位裝置及監控系統（中英文）2020.01版
