接触网绝缘子泄漏电流在线监测装置设计*

2014-09-25景小兵陈唐龙张智涛

传感器与微系统 2014年5期

景小兵, 陈唐龙, 白杰, 于龙, 张智涛

(西南交通大学电气工程学院，四川成都 610031)

0 引言

接触网绝缘子在表面积污(主要机车排放的煤烟、油雾、盐雾及空气中的粉尘颗粒)和恶劣的天气(尤其是大雾、阴雨天气)条件下，其绝缘性能降低，非常容易发生污秽闪络事故，造成牵引变电所失电，甚至铁路运行中断，给铁路运输带来严重的损失[1]。2008年2月，由于华北和中原地区的浓雾天气，造成北京铁路局和郑州铁路局的部分铁路区段发生大面积污闪，导致线路跳闸300余次，7个变电所失电。接触网绝缘子污秽闪络事故的危害已经远远超过雷击事故，成为影响接触网安全运行的最大公害。

目前已有些绝缘子泄露电流在线监测装置研发并投入使用，但它们主要是针对国网用户[2～4]。目前还没有一种主要针对接触网绝缘子的泄露电流在线监测装置。本文研制了一种专用于接触网绝缘子的泄漏电流在线监测装置，实时监测接触网绝缘子泄漏电流大小，据此判断绝缘子污秽水平，及时清理绝缘子表面污秽，为牵引供电系统安全可靠运行提供坚实的保障。

1 在线监测装置设计

1.1 检测装置原理与总体设计

在线装置主要由铁路局监控中心、供电段监控中心主机以及在线监测分机组成(如图1)。装置的基本原理是在铁路沿线每基杆塔上安装一个监测分机(分机安装如图2)，定时测量铁路沿线的温湿度和绝缘子的泄漏电流，将这些信息通过GPRS无线传输设备传送给供电段监控中心，以便实时了解该段的绝缘子泄露电流大小，预测绝缘子污秽水平，决定是否对该段绝缘子进行清洗。同时通过INTERNRT将供电段与铁路局监控中心组网，使铁路局监控中心实时的掌握各个供电段的运行状况。

图1 系统结构图

图2 监测分机安装示意图

1.2 监测分机硬件设计

本装置根据泄漏电流信号的范围、强度的大小，采用了专用的微电流传感器、稳定的系统保护电路、放大滤波电路，以使硬件电路具有较高的灵敏度和较好的抗干扰能力。为确保装置长时间工作于不良天气下，采用了以LT3652作为充电管理芯片的太阳能供电方式，并且限制装置的功耗值。装置硬件主要由泄漏电流传感器、温湿度传感器、A/D转换器、微处理器，低功耗唤醒模块以及供电单元组成。硬件电路原理图如图3所示。

图3 硬件系统原理图

1.3 泄漏电流传感器选择

由于绝缘子的泄漏电流信号微弱、幅值变化大、频率范围宽，要求泄漏电流传感器应具有高灵敏度、良好的线性度及较宽的频带[5]；装置通常运行在条件恶劣的环境中，这也对传感器的耐久性、稳定性和抗干扰性提出了很高要求。目前，可用于泄漏电流测量的传感器包括无感电阻分流器、双线圈CT和罗氏线圈3种[6]。考虑到罗氏线圈具有线性度好、测量精度高测量范围宽的优点，能够满足装置的测量要求。而且其测量回路与被测设备之间没有直接的电气联系，测量安全可靠，能很好地抑制噪声，实现泄漏电流的在线监测。因此，本装置采用罗氏线圈型传感器。

1.4 监测装置软件设计

1.4.1 下位机软件

下位机软件包括系统初始化、数据采集、数据处理以及通信模块等组成。下位机上电后，首先对系统的硬件电路进行初始化设置，包括硬件电路的I/O端口设置、控制字的设置、特殊功能寄存器及存储器的分配等。数据采集模块负责所需各项原始数据的采集，数据处理模块负责对采集到的数据进行分析和处理，滤除干扰信号，通信模块则实现下位机以数据流的方式与上位机进行数据通信，并采用先进的数据校验方法对数据进行校验，保证通信数据的准确性。

1.4.2 上位机软件

后台管理软件有专家诊断功能，可及时了解绝缘子泄漏电流状况，并对参量实施远程修改，包括有泄漏电流门槛值、IP地址以及重启时间等。全面建立线路绝缘子泄漏电流信息数据库，提供全面查询功能，可按时间检索和打印数据、图形、报表，永久保存所有报警记录。

2 人工污秽实验与结果分析

2.1 实验布置和试品

实验在西安高压电器研究所高压实验室的人工气雾室中进行，实验原理图如图4所示。实验电源由250 kW发电机、调压变压器、工频实验变压器(其额定容量为100 kVA、额定电流为1 A)以及水电阻保护装置组成，满足国家标准GB/T 4585—2004《交流系统用高压绝缘子的人工污秽实验》对实验电源的要求。实验电压模拟接触网正常运行电压27.5 kV，频率范围为45～55 Hz。

考虑到斜腕臂对绝缘子表面积污的影响，模拟接触网绝缘子实际运行条件，本实验采取绝缘子倾斜安装(与水平夹角37°)。本实验选取FQBJ—25/8—760P接触网绝缘加强型棒式复合绝缘子作为试品。

图4 人工污秽实验原理图

2.2 实验方案

本实验的主要目的是在人工气雾室利用接触网绝缘子泄漏电流在线监测装置，测量饱和空气湿度下，不同污秽水平绝缘子的泄露电流。通过对泄漏电流的分析，得出饱和空气湿度下接触网绝缘子泄漏电流与污秽度的关系曲线，为确定接触网绝缘子泄漏电流在线监测装置的预警值提供指导。

本实验根据《电气化铁道接触网绝缘污秽等级标准》选取了4个污秽等级，盐密ρESDD与灰密ρNSDD配比[7]如表1所示。实验采用固体涂污法，将试品涂好垂直悬挂24 h自然阴干。实验时，将试品移入雾室20 min后待其表面受潮后，再加运行电压，保持运行电压不变，测量并记录泄露电流波形。

表1 试品污秽配比表

2.3 实验结果

目前，泄漏电流是评判绝缘子污秽水平的主要标准[8]，泄漏电流有效值反映当前泄露电流的基本大小，也直接反映了相同湿度下污秽水平的高低。本实验主要是从测得的泄漏电流出发，提取泄漏电流的有效值I，即

(1)

实验分析对比了饱和湿度下，不同污秽程度的绝缘子泄漏电流大小。如图5所示，随污秽水平的提高，绝缘子泄漏电流幅值迅速增加，泄漏电流有效值I也越大，呈近似指数上升趋势[9,10]。根据污秽绝缘子泄漏电流数学模型，泄漏电流有效值I、空气相对湿度RH和盐密值ρESDD的关系[11]如下式

图5 饱和湿度下不同污秽绝缘子泄漏电流波形

(2)

式中a为常数量，表示相对湿度以外的其他因素对泄漏电流的影响；RH为空气相对湿度；b为控制泄露电流有效值随相对湿度RH增加而变化的速度。如图6利用实验测得的泄漏电流有效值I、空气相对湿度RH以及盐密值ρESDD数据可以拟合复合绝缘子FQBJ—25/8—760P在饱和湿度下的回归方程如下

(3)

上式的拟合度为95 %。

根据文献[8～11]和实验数据分析可得，接触网绝缘子爬电距离小于等于1 400 mm，当绝缘子的泄漏电流小于3 mA时，绝缘子的污秽度比较低,小于等于0.15 mg/cm2，属于中度污秽，基本不会对绝缘子造成危险；当泄漏电流在3～20 mA之间时，绝缘子污秽度就比较高，当污秽不均匀时，绝缘子很有可能发生污秽闪络事故；当泄漏电流大于20 mA时，绝缘子污秽闪络的概率显著增加；当泄漏电流达到50 mA以上时，绝缘子完全会发生污秽闪络。

依据以上所得，以及污闪发展三区段思想[12]，可以把接触网绝缘子运行过程分为3个阶段：安全运行区、污秽清理区、危险区。安全运行区，泄露电流小于3 mA。当泄露电流在3～20 mA之间时，属于污秽清理区，建议清理绝缘子表面污秽。当泄漏电流大于20 mA,属于危险区，随时可能发生污秽闪络，所以，建议立即清理污秽。

图6 泄露电流有效值均值I与污秽度的关系

3 实际运行

接触网绝缘子泄露电流在线装置自2012年研制成功，目前已经在北京铁路局石家庄供电段和青藏铁路公司格尔木供电段安装运行。图7为石家庄供电段新乐至承安铺119号杆塔5月31日～6月16日的监测数据。

根据图7可以看出：绝缘子泄露电流随环境湿度增大而增大；泄露电流在环境湿度最高和温度最低时出现峰值。绝缘子泄露电流有效值只有在6月6日出现尖峰超过3 mA，其他时间都运行在安全区。通过对绝缘子的实时监测发现该绝缘子运行安全，但已接近污秽清理区阈值，应随时关注此绝缘子。实践表明：通过监测泄漏电流和环境湿度可以判断接触网绝缘子的绝缘性能，为现场污秽清理提供科学依据。