铁路变电所外27.5kV在线电流监测开关装置的研究

俞庆国 中国铁路上海局集团有限公司杭州供电段

目前，国内外电气化铁道牵引供电系统中的隔离开关只起到普通的电气分段功能，通过设置隔离开关进行接触网分束供电时，未设置电流互感器采集监测设备，无法采集隔离开关的遥测量，接触网上也没有其它监测手段，当接触网发生故障时，无法通过接触网自身或分束隔离开关和牵引变电所故障点标定装置配合确定故障点位置，严重影响了事故抢修时间。研究一套带电流互感器的接触网隔离开关，能满足快速判断故障的要求，并通过检测到的故障方向与牵引变电所故障点标定装置相配合，实现快速判断故障点位置，提高应急处置的效率。

1 既有故障测距装置现状分析

目前，接触网发生故障时，为了确定故障点位置，在牵引变电所内设置故障测距装置，故障测距装置是一种根据故障特征迅速准确地测定故障点的自动装置。该装置通过计算故障点距牵引变电所的距离确定故障点位置，对永久性故障，帮助及时抢修故障；对瞬时性故障，帮助找到故障点并分析故障发生的原因，避免发展成永久性故障。

对于接触网多分支线路，大型枢纽及多股道的车站，故障测距装置给出的故障点位置是一个故障点至牵引所亭的距离长度，并不能确定故障点在哪一个分支或者股道，必需通过人工现场排查才能最终确定故障点位置，严重影响了事故抢修效率，不能满足快速抢修要求，给铁路运输造成一定的损失。

2 户外27.5 kV在线电流监测开关装置

2.1 研究思路

接触网线路上无其他监测手段，考虑到现有的接触网上网（或分束）开关仅具备远动功能，实现遥控及遥信功能，无法采集一次回路遥测量，隔离开关无电流互感器或电压互感器等监测设备，研究一种接触网隔离开关，可以采集一次电流值，且满足故障方向判断要求的开关装置是必要的。安装集电流互感器、隔离开关于一体的监测开关，取代普通网上隔离开关，通过电流互感器取流情况实现故障区域、方向的判别，给故障测距系统提供辅助判别功能，同时实现远程快速分合操作，化小区间单元，满足应急处置要求。

2.2 在线电流监测开关装置研究难点

户外27.5 kV在线电流监测装置主要技术难点：

（1）采用环氧树脂自动压力凝胶工艺（APG）一次浇注成固封极柱式电流互感器。

（2）并将隔离开关动触头作为模块化电器的一个部件，实现模块化电器高度集成。

（3）在线电流监测装置集成干式电流互感器、隔离开关、避雷器、操作控制箱，形成一个整体设备。

（4）电流互感器实时监测电流，RTU实时接收，储存数据，报警功能，实现同步实时、高效率等特点。

（5）电源系统和测控系统满足户外防护要求，并具备温湿度自适应调节功能，提高设备运行安全可靠性。同时，根据接触网专业设备布置要求，安装在接触网支柱位于同一纵轴线、满足侧面限界要求，布置安装该设备满足牵引供电系统工艺标准。即可实时监测，还不降低牵引供电系统的可靠性、灵活性，其技术性、经济性、社会性较高。

3 户外27.5 kV在线电流监测开关装置总体技术方案

3.1 技术方案

户外27.5 kV在线电流监测开关装置包括主体模块和外设模块；主体模块包括隔离开关、电动操作机构箱、电流互感器、避雷器，外设模块包括支撑架等。

3.1.1接触网27.5 kV远动隔离开关本体（图1）

图1 接触网27.5 kV远动隔离开关本体图

27.5 kV电动隔离开关适用于智能模块化电器上网模块，全线单相50 Hz、25 kV交流电气化铁路接触网上网模块(上网/分束)处。隔离开关动静触头与电流互感器连为一体，具有高可靠性、免维护性、小型化特点。

3.1.2 电动操作机构箱

隔离开关的操动机构，采用智能电动控制器操控。能实现当地电动和手动操作，通过光纤接入牵引远动系统，实现远方分合闸操作。设备充分考虑操作电压的波动、可满足交流85 V～265 V，直流110 V～370 V供电电压输入，电机控制采用自整定设计，在全电压范围内自动调整输出保证电机工作在额定范围内，保证隔离开关可靠合闸与分闸，其动作时间均不得大于8 s。

电动操作机构具有结构简单、功能可靠、体积小、重量轻、噪音低、故障率低、安装维护简单等优点。

电动操作机构箱配有摇把，可以实现手动、电动以及远动操作隔离开关的作用。电操机构原理图如图2。

图2 电操机构原理图

3.1.3 RTU远动终端（图3）

图3 RTU远动终端图

RTU远动终端是一种多功能测控装置，针对27.5 kV馈线的电压、电流等进行实时监控功能而设计。装置选用高性能MCU为通信主CPU，具有交流采样测量、开关量输入、控制输出及网络通信等功能，可广泛应用于电气化铁路牵引变电站及各种电压等级电力变电站、配电所、户外箱变、柱上开关等。

每个监控单元负责一台接触网电动隔离开关的监控。各个监控单元通过光电缆与通信管理单元构成本地网络。监控单元具备隔离开关控制和电机驱动电路，通过电缆直接与隔离开关操动机构连接，实现隔离开关的合分闸操作和位置监视功能。监控单元自带时钟模块，接收通信管理单元定时下发的对时指令并校准时钟；时钟模块设有故障告警功能，即该模块损坏或者监控单元收不到对时指令时，提示校时异常。

3.1.4 电流互感器（图4）

图4 电流互感器图

LZZW4-27.5Q型电流互感器采用环氧树脂与硅橡胶复合绝缘的全封闭支柱式结构，适用于额定电压为27.5 kV及以下，额定频率为50 Hz或60 Hz的户外电力系统中作电流测量、电能计量和继电保护使用。

该装置外部采用高温硫化硅橡胶材料，采用防雨伞型设计，形成自立式结构使表面不会出现积水情况。硅橡胶具有良好的憎水性，大大地提高了污闪电压，能有效地防止污闪故障的发生，且具有抗老化和耐漏电起痕性能，电蚀损性能达到国标最高级的1 A 6.0级,可以连续承受污闪电压。产品具有耐机械冲击能力强、不易损坏、维护周期长等特点。

3.2 工作原理

3.2.1 户外27.5 kV在线电流监测开关装置系统结构

户外27.5 kV在线电流监测开关装置系统结构如图5。

图5 户外27.5 kV在线电流监测开关装置系统结构

户外27.5 kV在线电流监测装置系列产品包括构架支撑安装平台、电流互感器、隔离开关和开关操作箱，其中隔离开关起到分合闸的作用，满足电气化铁道供电功能；电流互感器实时监测电流数值，反馈给远动终端；在线电流监测开关装置可取代普通上网、分束或越区隔离开关，并具有判断故障功能。

3.2.2 户外27.5 kV在线电流监测开关装置系统原理（图6）

图6 户外27.5 kV在线电流监测开关装置流程图

4 户外27.5kV在线电流监测开关装置应用

通过在既有的分支线路绝缘关节处安装户外27.5 kV在线电流监测开关装置。同步更新SCADA系统后台界面，界面4005隔开新增电流遥测数据值，如图7，新增的电流互感器将通过的电流变比转化，通过RTU采集并将数据传至所内后台，可以设置曲线图（直观显示波动）与数据图8（方便导出分析）2种类型，并将数据实时上传供电调度主站，在复示系统上可以显示。当接触网发生故障跳闸时，抢修人员可以通过复示系统查询故障时的电流值，用来判断故障发生的方向，再配合牵引所内故障测距装置来准确的查出故障点，大大的节省了故障查找的时间，提高了抢修的效率，平时也可以通过电流情况，对可能发生的故障有一个提前研判，做好预防性处理，减少故障的发生，该装置在实际运行过程中取得了较好的应用价值。

图7 SCADA后台界面

图8 电流数据表

5 结语

改变互感器和隔离开关的传统使用概念，形成将固封极柱形式的干式电流互感器与隔离开关动静触头集成于一体，作为一个整体使用的新型理念。在此基础上完成户外27.5 kV在线电流监测开关装置的研发工作。户外27.5 kV在线电流监测开关装置能够实现故障方向判断、故障点精确定位，可节省大量故障抢修时间，提高了供电可靠性，最大可能的降低对运输的影响，将为铁路系统带来一定的经济效益及社会效益。