高速铁路高压电缆屏铠接地在线智能监测装置研究

李建民

(郑州铁路局　新乡供电段， 河南新乡 453000)



高速铁路高压电缆屏铠接地在线智能监测装置研究

李建民

(郑州铁路局新乡供电段， 河南新乡 453000)

针对京广高铁高压电缆检修中发现的外护套破损造成的绝缘电阻下降且故障点查找困难的问题，研制了高压电缆屏铠接地在线智能监测装置。该装置采用真有效值测量法，实时在线监测运行高压电缆的金属护层电流，实现了高压电缆故障的早发现、早预警、早处理。装置成品已经在京广高铁鹤壁东等牵引变电所投入运行，效果良好。

高压电缆； 屏铠接地； 在线智能监测； 真有效值测量

随着我国高速铁路的发展，大量的高压供电电缆被采用，高压电缆作为牵引供电系统的主导电回路，埋在地下，看不见摸不着，其绝缘状态的好坏直接威胁着高铁的安全运行。如在京广高铁高压电缆检修中，发现了几起高压电缆外护套破损造成的绝缘电阻下降缺陷，但缺陷的查找非常困难。为了保证京广高铁供电的可靠安全，及时发现高压电缆在运行中出现的隐患，并做到超前防范，提出一种真有效值测量法实时监测运行高压电缆的金属护层电流的方法，并研制出高压电缆屏铠接地在线智能监测装置。通过实时连续地监测运行高压电缆的金属护层电流，分析预测电缆本体的故障趋势，实现了高压电缆故障早发现、早预警、早处理，从根本上避免高压电缆故障的发生，保障高压电缆安全可靠的运行。

1　监测原理

我国高速铁路使用的27.5 kV单芯高压电缆，全部采用屏蔽层和铠装层一端接地的方式。当牵引电流流过单芯电缆时，电缆周围产生交变磁场，形成与电缆回路相交链的磁通，电缆金属屏蔽层和铠装层将产生感应电动势。感应电动势的大小由通过高压电缆的电流大小、电缆排列方式和电缆长度共同决定。此时，如果高压电缆外护套破损，将形成屏蔽层或铠装层的两点接地，则屏蔽层或铠装层就会出现很大的环流，其大小可以反映电缆外护层绝缘状态，通过对高压电缆屏蔽层和铠装层接地电流的实时在线监测，及时发现高压电缆外护套破损故障。其监测原理如图1所示。

图1　监测原理

2　监测系统总体设计

电缆屏铠绝缘在线监测装置由屏铠电流监测采样、CT感应取电、在线监测逻辑判断等几个环节构成。其构成示意图如图2所示。

本装置中取电CT，负责从高压电缆上感应电流，对蓄能超级电容进行充电，为整个测量前端进行供电。电流采样CT，将屏铠的接地电流转换成模拟测量信号，经真值-有效值转换电路，将采样CT取得的模拟信号转变为和其有效值成正比的直流电压。AD转换部分负责将信号调理部分输出的直流电压信号转换为数字信号，送入单片机进行数据处理，单片机负责对测量结果进行整定值对比，当测量结果大于整定值时(或接收到上位机的定时查询指令)，通过无线通信模块、通信前置机将在线监测数据传输到牵引供电地理信息系统，以实现实时电流显示，存储，查询统计，数据打印等，并与安全生产管理指挥系统无缝融合。

上述各系统组件分别封装在3个铝制防水盒内，分别称为：测量部、电源部和处理部，测量部、电源部安装在高压电缆上，处理部安装在牵引变电所内。

3　影响测量精度的关键技术及其解决方案

3.1屏铠接地电流的精确提取

本装置使用电流互感器采集27.5 kV高压电缆屏蔽层和铠装层的接地电流。由于被测量信号是交流电压信号，如果将其直接送单片机A/D进行处理，会增大系统误差，因此需要将采集的电流信号进行有效的处理。考虑到电流中可能含有高次谐波引起的电流波形畸变，所以本系统采用专用真有效值芯片AD637进行有效值的测量，相比普通整流式测量方法，可有效克服小信号带来的测量误差，大大提高了电流波形畸变情况下的测量精度。AD637的真值-有效值转换电路设计如图3所示。

为了防止运行中电流互感器二次开路造成的危险，该电流互感器采用内部灌封取样电阻、电压输出开口式结构，不仅杜绝了二次开路的可能性，而且也方便检修中随时插拔采样插头。

3.2电源供给

高压电缆均在野外沿高速铁路线路辅设，几乎无外部电源可引入，由于27.5 kV高压电缆是牵引供电系统的主导电回路，当有高速列车通过时，主回路中就有较大的牵引电流，因此，选择采用电流感应电源(CT取电)解决电源问题。考虑到使用寿命和维护工作量小的需要及可能出现的导线电流不足的现象，使用超能电容为储能元件，并将电流感应电源的电压信号引入通信终端，实现感应电源工况的智能监视。

通过高压电缆的负荷电流比较特殊，当线路上没有列车运行时，流过的电流几乎为零，当接触网线路发生短路故障时，流过高压电缆的短路电流可达数千安培。该电源设计主要考虑线路上没有高速列车运行时，要能保证装置的正常运行，有列车运行时要尽量多的采集能源，当接触网线路发生短路故障时，要有足够的保护措施，保证装置不发生过压击穿损坏。CT取电原理图如图4所示。

图4　取电CT原理图

正常情况下，取电CT直接从高压电缆电流中感应出交流电压，通过平波电抗、全波整流转换后，在稳压电容上得到较稳定的直流电压Uc，再通过LC滤波和DC-DC转换模块变换成5 V的电源，对蓄能超级电容进行充电。当接触网线路发生短路故障时，取电CT深度饱和，感应电压和感应电流都大幅度上升，在取电CT和整流桥之间的位置加入平波电抗L，可以分担绝大部分取电CT感应的高电压，并限制取电CT的电流输出，同时，与稳压电容并联的TVS泄放电路在电压高压6 V时击穿，限制了电压升高，保证了在发生短路时的设备不出现故障。

当线路上没有高速列车通过时，首先由蓄能超级电容进行供电，大约维持系统运行2 h，当蓄能超级电容所存储的电能使用完备后，启用后备电池进行供电，后备电池能累计供电3 000 h，保证系统长期可靠运行。

3.3数据的传输

监测数据采集后，如何有效的进行传输是关键。为降低造价，不可能铺设有线的通信电缆或光缆进行数据通信，又因系统电源功率有限，也不可能采用远距离大功率无线数据传输。如果采用移动通信GPRS网络，将会产生额外的运行费用。为了解决上述矛盾，本系统采用了低功耗无线数据级联传输。

27.5 kV高压电缆一般均是牵引变电所、分区所、AT所的上网馈线，其单节长度最大不超过800 m，若上网点距离变电所较远，则采用电缆分接箱进行级联。因此,本装置采用基于扩频调制的无线级联传输模式，设计一个无线传输网络，将采集到的数据传输到邻近的牵引变电所，由牵引变电所通过铁路局域网传输到供电段调度中心，以实现对监测数据的传输。

4　结束语

针对高压电缆在运行中经常发生外护套破损造成绝缘电阻下降的问题，成功研制了高压电缆屏铠接地在线智能监测装置。该装置在不影响27.5 kV高压电缆屏铠接地正常运行的情况下，能实时在线监测高压电缆屏蔽层、铠装层接地电流。目前该装置已在郑州铁路局郑州、新乡两供电段京广高铁牵引变电所投入使用。2013年9月该装置成功测试京广高铁郑州东牵引变电所郑-新上行3#馈线电缆分接箱T线高压电缆铠装层接地问题，2015年7月又成功测试京广高铁卫辉牵引变电所211F1、212F1、213T2高压电缆铠装层接地电流，满足现场运行的需要，且性能稳定，监测精度高，无需引接外部供电，接线简单，施工方便，从而实现高压电缆故障的早发现、早预警、早处理，保障了高压电缆安全可靠的运行。

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Research of On-line Intelligent Monitoring Device for High-voltage Screened Armour Cable Grounding in High-speed Railway

LIJianmin

(Power Supply Section of Xinxiang, Zhengzhou Railway Bureau, Xinxiang 453000 Henan, China)

Aiming at the insulation resistance decrease and fault point finding problem because of the outer sheath broken in High-voltage cable maintenance of Beijing-Guangzhou High-speed rail, we developed on-line intelligent monitoring device for High-voltage screened armour cable grounding. The device adopts the method of measuring true effective value, real-time monitors metal sheath current in running high-voltage cable, realizes the early discovery, early warning, early treatment of the high voltage cable fault. The devices has been put into operation in traction substations of Beijing-Guangzhou high-speed rail, such as Hebi and so on, the result is good.

High-voltage cable; screened armour grounding; on-line intelligent monitoring; true effective value measurement

1008-7842 (2016) 04-0051-03

��)男，高级工程师(

2016-01-28)

U223.5+1

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.12