铁路27.5 kV高压电缆绝缘在线监测探讨

2021-08-28许云升

电气化铁道 2021年4期

许云升

0 引言

27.5 kV交联聚乙烯绝缘高压电缆被广泛应用于电气化铁路牵引供电系统中，当其用于牵引变压器、GIS（AIS）开关柜、27.5 kV所用变压器、接触网等设备之间的连接时，起到电力传输和分配的作用。

近年来电缆故障频发，以国内某电气化铁路为例，全线27.5 kV高压电缆共有58条，2010—2014年发生高压电缆故障11次，主要原因为电缆外护套在施工、运行中受到机械损伤，绝缘介质逐渐受潮，绝缘性能下降进而发展为绝缘击穿，最后引起牵引变电所全所停电或接触网中断供电，致使铁路运输中断，造成重大经济损失或不良社会影响。由于高压电缆故障定位比较困难，故障抢修恢复时技术作业也相对复杂，造成恢复时间较长。因此，及时发现和预防电缆绝缘潜在问题尤为重要。

通过采用绝缘在线监测方法可以实时掌握电缆绝缘的变化情况，提前预判可能的故障。本文结合运行经验，通过现场试验探讨一种适合铁路27.5 kV高压电缆在线监测的方法。

1 绝缘在线监测方法对比

目前采用的铁路27.5 kV高压电缆绝缘在线监测方法有交流耐压试验、分布式光纤温度测量、接地电流监测、局部放电监测等多种方法。

1.1 交流耐压试验法

27.5 kV交联聚乙烯高压电缆大多分布在铁路沿线、山区等地理环境较复杂地区，电缆长度从几百米到数千米不等，由于巨大的电容量使常规的交流耐压试验设备无能为力，必须使用笨重的串联交流谐振设备或专用试验车，且试验时间长，对运输干扰较大[1]。因此，27.5 kV交联聚乙烯高压电缆的交流耐压试验一般较难完成。

1.2 分布式光纤温度测量法

当高压电缆外护套破损造成屏铠双端或多端接地时，屏铠感应电流会使电缆发热。另外，电缆终端或中间接头绝缘性能下降或电缆头连接接触不良时，也会使电缆温度升高[2]。因此，通过监测电缆的温度变化，关联其绝缘性能变化的方法是可行的，如图1所示。

图1 分布式光纤温度测量架构

但通过实践，证明该方法存在以下问题：（1）结构复杂，需沿电缆布施多个温度传感器；（2）分布式光纤温度监测系统的测温装置安装在电缆终端的外护层表面，只能监测电缆表层外护套温度，并不能实时反映电缆线芯及电缆主绝缘内部温度。

1.3 接地电流监测方法

27.5 kV单芯电缆线芯与其金属屏铠护套的关系可视为一个空芯变压器，当单芯电缆线芯通过电流时会使金属护套两端产生感应电压。高铁电缆屏铠等金属护套采用一端接地，另一端经护层保护器接地的方式，电缆屏铠对地不能形成闭合回路，正常时其直接接地端泄漏电流或电容电流很小。当电缆外护套破损或绝缘性能下降到一定程度时，电缆屏铠对地形成一个闭合回路而产生感应电流，并随着电缆线芯电流的变化而变化。因此，可以通过测量线芯及屏铠电流变化来监测电缆绝缘性能的好坏。但是，该方法由于需要在电缆终端头处安装采集所需的电流互感器，同时还需要成套的集成设备及传输设施、二次供电设备等，实施较为复杂。

1.4 局部放电监测法

局部放电是造成电缆绝缘破坏的主要原因之一，考虑到电缆故障多发生于电缆附件，而且从电缆附件处进行局部放电测量容易实现、灵敏度高，因此，一般电缆局部放电在线监测主要是针对电缆附件[2]。目前，电缆局部放电在线监测方法主要包括差分法、方向耦合法、电磁耦合法、电容分压法、超高频电容法、超高频电感法等。虽然局部放电在线监测方法很多，理论上也是可行的，但由于局放信号微弱、波形复杂、外界干扰噪声大等原因，实际应用难度很大。

2 铁路27.5 kV高压电缆接地系统全电流在线监测方案探讨

2.1 基本原理

我国铁路27.5 kV高压电缆一般采取一端直接接地，另一端不接地或通过护层保护器接地的方式。当高电压作用于供电电缆的绝缘介质两端时，电缆绝缘介质中会产生全电流（泄漏电流），并经接地系统流入大地，全电流中主要包含容性电流和阻性电流，等效电路如图2所示。正常情况下容性电流占主要部分，该电流与电缆的材质和运行电压有关；阻性电流约占10%～20%，该电流主要来自经绝缘介质的沿面泄漏，包括外护套、外表面的沿面泄漏以及经电缆附件绝缘材质的泄漏等。一旦发生电缆的绝缘介质老化、受潮或破坏、外护层保护遭到破坏进入水分、电缆绝缘附件绝缘性能下降等情况时，电缆的阻性电流会逐渐增大，占全电流的比重增大，全电流也随之增大，因此只需对运行中流经电缆接地系统的全电流或阻性电流进行监测，并将所得数据与历史数据相比较，即可掌握电缆的运行状态。另外，单独监测阻性电流分量需要较复杂的技术设计，监测设备需具有较高的灵敏度，实现成本较高，因此，通过监测全电流的变化判断电缆运行状态是一种既经济又实用的方法。

图2 运行电缆全电流等效电路

2.2 全电流在线监测方法

正常运行情况下，高压供电电缆接地系统中一般存在几十伏的电压，若在接地系统线路中串接一电阻，如图3所示，对两端电压进行采样，并经过整流过滤，即可以有效、实时地反映出电缆接地系统回路中的全电流值。

图3 全电流监测仪原理

3 铁路27.5 kV高压电缆接地系统全电流在线监测分析

3.1 影响监测结果的因素分析

通过长时间对电缆接地系统全电流在线监测发现，监测结果会随着不同的环境和运行条件发生变化，因此若要通过监测数据实时、真实、准确地反映电缆的运行质量，需对影响其监测结果的相关因素进行分析。

（1）天气的影响。潮湿环境下电缆的泄漏电流会增大，根据监测结果显示，一般湿度大于70%时，泄漏电流均会随着湿度的增大而增大。

（2）温度的影响。监测结果显示，一天中的不同时间段，监测数据会出现不同的变化，在天气晴朗的情况下，上午和下午的监测结果基本一致，较为稳定；中午天气较热和夜间温湿度变化时，全电流数值均会发生变小或变大的现象。

（3）运行负荷的影响。在车流量较大的节假日期间，同一区段有多辆机车运行时，由于电缆主回路的电流较大，通过感应而产生的感应电压也增大，该感应电压施加在绝缘屏蔽层上，导致流过屏蔽层的电容电流增大，从而使全电流增大。

（4）谐波电流的影响。枢纽地区距离车站较近的供电线电缆在动车组列车启动瞬间会出现全电流突然增大的现象，主要原因为动车组列车启动瞬间会产生较大的高次谐波，由于呈容性的电缆具有高频低阻特性，使得屏铠层有较高的容性电流流过，全电流会增大。

3.2 监测数据及现场运行情况分析

3.2.1 电缆绝缘正常时的监测数据

由于天气、环境温湿度、机车负荷、机车运行产生高次谐波等因素可能干扰全电流的监测结果，因此，选择天气晴朗，8：00—11：00或16：00—20：00时段，线路上无负荷情况下的监测结果进行统计分析，作为判断电缆运行质量的依据。分析发现，电缆长度在500 m以内时，全电流基本保持在55 mA左右；电缆长度在1 km左右时，全电流一般在70 mA左右。某所10日内的电缆在线监测全电流统计情况见表1。

表1 电缆在线监测全电流统计 mA

3.2.2 电缆接地系统全电流监测数据与绝缘质量判断

电缆绝缘击穿故障基本不会瞬间形成，需要经过绝缘性能下降、不断对外放电和发热、加快绝缘击穿的过程。当电缆的主绝缘性能下降时，泄漏电流会增大，且呈非线性的趋势增大；当外护层受外力破坏或自身质量问题而使电缆绝缘性能下降时，泄漏全电流的数值也呈现增大的趋势，但占总泄漏全电流的比例稍小，一般为15%～20%，该数值在电缆缺陷发生的前期一般不产生变化，但随着运行时间的增加，进入水分对电缆的主绝缘形成一定的破坏后即形成非线性递增趋势。基于电缆主绝缘性能下降全电流会变大的现象，通过对实时监测数据进行纵向比较，发现其数值持续变化较大时立即停电做进一步的绝缘试验检查，进行综合判断，以便准确判断电缆的运行质量，并做好相应的防护措施，确保电缆的稳定运行。

3.2.3 现场监测数据突变时的综合分析

由于在线监测数据会受到机车负荷和机车启动、运行产生的高次谐波以及天气、环境温湿度等因素的影响，因此，在现场发现监测电流出现瞬间较大变化时，应同时进行以下几方面的分析对比，以此作为判断电缆运行状态的依据：（1）同时查看牵引所内综自装置采集的线路电流值，并与日常运行监测的情况进行对比；（2）查看线路上是否有机车运行，并记录运行机车的型号；（3）如果是枢纽地区，还需了解当时车站内是否有机车；（4）查看电缆是否存在持续增大或一直保持较大的全电流值；（5）外部环境温度及天气是否正常。通过综合分析后正确判断电缆的运行质量。

3.3 测量数据在现场的运用案例

2020年10月24—26日，在线监测某所02供电单元供电线电缆时，在连续几日无负荷的情况下发现采集到的全电流数据较平时电流增大15%～20%（表1），于是对电缆进行停电试验。通过试验发现，该供电线电缆绝缘护层的绝缘电阻明显下降，进一步开挖检查发现该电缆被硬器破坏。

3.4 测量方法改进设想

（1）铁路高压供电电缆全电流在线监测方法实施简单、实用，但是增加了供电工区对安装仪表的巡视工作量，如雨天电缆发生故障时不能及时巡视发现，同样会导致故障的发生，因此需要做进一步的改进。可将指针式的监测器改造为数字式，并增设报警功能，通过设定定值，使监测数据达到一定值时自动报警，提醒车站或工区人员注意查看监测数据。

（2）增加对机车运行情况及电缆主回路中电流的同步采集和分析，以便排除干扰，增强电缆故障预判的准确性。通过长期对比分析全电流与主回路电流之间的关系，并统计不同车型和机车负荷对全电流的影响，分析数据变化的规律，排除干扰数据，减少可能出现的判断错误。