实践点“金”| 广州地铁供配电系统设备状态在线监测的应用探讨

105天

摘要：通过分析地铁变电所供配电设备的原理特点，提出了实现设备状态在线监测的思路，并结合可实施的技术手段甄选了关键参数。利用先进的传感器技术和管理手段实现了对地铁供配电设备状态进行在线监测，并通过实践初步验证了监测效果。

关键词：地铁变电所供配电；关键参数；设备状态；在线监测

0 引言

近 20 年来，各大城市地铁建设如火如荼，地铁运营规模不断扩大，运维人员数量和维修成本与日俱增。目前，地铁运营人员的配额约为60 人/km[1]。不少城市提出地铁规划里程达到1 000～2 000 km，若按照常规的配置方式发展，运维人员的数量和维护检修成本将是地铁运营面临的最大问题。因此，采取何种技术及管理手段降低人员配额，减少维修成本，实现地铁高效可靠运营已成为业内重要的研究课题。

目前，地铁供电系统运维主要采用计划检修和人工巡检的方式进行，需要投入较多的人力和财力。随着地铁建设规模的不断扩大，地铁部门急需更为高效可靠的运维方式。在类似的市政电 系统，部分设备从计划检修转向状态检修甚至可靠性维修，并且已经取得了一些成果[2]。由于地铁供电系统的设备类型和运营模式与市政电 系统存在较大区别，电 的实践经验远不能解决地铁存在的问题，业内还尚未形成完整的理念进行推广实践。

1 地铁供电系统主要设备特征

地铁供电设备种类繁多，原理多样，制造方式和运行环境也多有不同，影响其运行状态和工作能力的参数较多，要获取关键的参数，还要考虑设备的工作原理、运行模式、环境参数、监测手段、可实施性和实现成本等。现对地铁供电系统主要设备的作用、原理和常见故障等设备特征做简要分析。

1.1 110 kV GIS

地铁主变电所通过110 kV 全封闭六氟化硫组合电器（GIS）接入地方电 的电源。其常见故障有：断路器操作机构故障、气体泄漏、内部放电等。

1.2 变压器

主变电所通常采用 110 kV 三相油浸式变压器将外电源的110 kV 电源转换为中压交流电（35 kV或10 kV）。牵引、降压通常采用35 kV（33 kV）或10 kV 环氧树脂浇注干式变压器。其常见故障有：绝缘下降、局部温升、异常噪声、渗漏油、油气体及水分过高、局部放电等。

1.3 中压气体绝缘开关柜

地铁中通常采用 35 kV、10 kV 电压等级的中压气体绝缘开关柜，其核心部件为真空断路器，断路器及母线置于充有绝缘气体（通常为SF6）的气室内，以保证绝缘性能。其常见故障有：气体泄漏、操作机构故障、断路器烧损等。

1.4 直流开关设备

地铁直流开关设备的核心部件是直流断路器，其作用是控制直流牵引电源的正常供给，故障时迅速切断故障电路，保证系统的安全。其常见故障有：框架绝缘故障、局部温升、断路器触头烧损、断路器机械故障等。

1.5 整流器

整流器是一种与牵引变压器组合成整流机组的电流变换装置。牵引变压器供给的交流电能通过整流器整流变为直流电。其常见故障有：绝缘下降、局部温升、二极管击穿、附属部件故障（压敏电阻、压仓电阻等）等。

1.6 电缆

电缆主要有交流110 kV 交联聚乙烯、交流35 kV/10 kV 交联聚乙烯、直流1 500 V/750 V 交联

聚乙烯或乙丙橡胶，交流400 V 交联聚乙烯电缆。常见故障是绝缘损坏和击穿，将造成停电事故。

1.7 低压400 V 开关柜

低压 400 V 开关柜主要负责变电所或地铁站低压交流负载的供电和保护功能。其常见故障有：局部温升、断路器故障、绝缘降低、绝缘闪络、绝缘击穿等。

2 地铁变电所设备在线监测的主要思路

以广州地铁某变电所作为试验站点开展地铁供配电设备在线监测技术的研究和实践。选取110 kV GIS、110 kV 油式变压器、33 kV 气体绝缘开关柜、1 500 V 直流开关柜、33 kV 干式整流变压器和配电变压器、整流器、400 V 低压开关柜以及110 kV 交流、35 kV 交流和1 500 V 直流电缆等设备进行在线监测。

由于该站点的设备均带电运行，所以在线监测尽量采用不影响设备运行，无需停电安装的方式。通过对设备原理、特点的分析以及对监测手段的可实施性论证，笔者团队对各类设备均确定了监测参数，主要包括以下几大类：

（1）成分分析类，包括SF6 微水密度、压力、温度，变压器油色谱、振动声波；

（2）运动监测类，包括断路器机械特性、断路器动作特性录波；

（3）电量检测类，包括避雷器漏电流及放电次数、局部放电、铁芯（含夹件）电流、直流设备框架泄漏电流；

（4）热量监测类，包括环境温湿度、设备母排温度、电缆温度、母线槽温度。

3 地铁变电所设备关键参数监测方法

3.1 110 kV GIS 和33 kV GIS

3.1.1 SF6 气体监测

通过监测 GIS 设备中SF6 气体的温度、压力、微水密度等参数，完成对运行设备中SF6 气体的实时、远程监测[3]。采用微水密度传感器、带温度测量的智能压力变送器，实现了对SF6 气体温度、压力、微水等参数的在线监测。

3.1.2 局部放电

超高频 UHF 传感器通过检测GIS 局部放电中产生的超高频脉冲电磁波，能有效避开低频干扰[4]。超声波AE 传感器采用光干涉技术检测材料缺陷或潜在缺陷改变状态而自动发出瞬态弹性波及释放所积蓄的应变能而发出声音[5]。

采用超高频 UHF 传感器和超声波AE 传感器，实现了对GIS 部分设备局部放电的在线监测。

3.1.3 避雷器

GIS 避雷器是由若干非线性伏安特性的阀片串联而成，通过监测避雷器接地线中的总泄漏电流的大小，判断避雷器的绝缘状况[6]。

采用避雷器监测传感器，实现了对避雷器的阻性电流、阻容比、泄漏电流及动作次数的监测。

3.1.4 断路器机械特性

GIS 中断路器机械特性试验可以有效地反应GIS 操动机构的动作情况。通过对GIS 中断路器分合闸电流大小的监测，可以发现断路器机械特性与设备运行年份存在一定的关系[7]。

通过在分合闸线圈上安装监测传感器，实现了对分合闸线圈电流、分闸电流、电机电压、电机电流的在线监测，以此可验证断路器的机械特性。

3.1.5 断路器动作特性监测

测量 33 kV GIS 断路器动作时的电流电压扰动值，后台服务器通过专用数据软件读取数据并形成录波 件，客户端电脑通过专用录波分析软件显示和分析扰动前后波形，最后得出结果呈现给用户。

采用断路器动作特性录波装置，实现了对断路器状态的在线监测（图1）。通过录波软件分析，得出断路器动作延时为16 ms。

图 1 断路器动作特性录波分析

3.2 110 kV 三相油浸式变压器

3.2.1 油色谱微水

变压器油色谱在线监测采用色谱分析原理，检测油中各组成成分，实现对变压器油中7 种气体（氢气H2、一氧化碳CO、二氧化碳CO2、甲烷CH4、乙烯C2H4、乙烷C2H6、乙炔C2H2）和总烃的全分析。变压器油中微水是影响变压器绝缘质量的重要因素，通过监测分析油中微水的含量得出故障原因，提供解决方案。

采用油色谱微水在线监测传感器，通过检测油中甲烷、乙烯、乙烷、乙炔、一氧化碳、二氧化碳等气体成分值，实现了对变压器油色谱气体、油中微水的在线监测。监测数据参见图2。

图 2 油色谱微水监测数据

3.2.2 铁芯接地电流监测

变压器铁芯及夹件接地电流监测通过采用加装补偿线圈产生反向电流的方式实现，改造后的抗干扰铁芯接地电流检测装置能够极大地消除空间磁场带来的干扰[8]。

采用在变压器铁芯夹件上安装电流传感器，实现了对铁芯接地电流的在线监测。监测数据见图3。

图 3 铁芯接地电流监测数据

3.3 电缆

3.3.1 局部放电

通过同轴电缆连接传感器监测电缆局部放电，能同时监测多条电缆的局放活跃程度[9]。考虑到电缆劣化直至损坏的过程中温度升高现象，需要在电缆接头处设置光栅点测温和沿电缆表面敷设分布式测温光纤。

采用局放监测单元、分布式光纤测温监测单元，实现了对110 kV 电缆外护层、主绝缘及电缆接头和表面温度的在线监测。

3.3.2 33 kV 电缆

33 kV 电缆在运行过程中会发生局部放电、温度变化的情况，需要对电缆本体与接头的整体绝缘进行监测[10]。采用局放监测单元、分布式光纤测温监测单元，实现了对33 kV 电缆本体与接头整体绝缘的在线监测。

3.3.3 DC 1 500 V 电缆

考虑到 1 500 V 电缆的运行电压及结构特点，局放监测方案效果不明显且难以实施，所以对1 500 V 电缆未采取局放监测，仅采取温度监测。

3.4 1 500 V 直流开关设备

3.4.1 设备温度监测

利用光纤温度传感器对变电站开关柜实时温度进行在线监测，对开关、母线及电缆进线的高温点进行 警、定位；采用感温光缆对主变电站电缆夹层内电缆温度进行连续实时在线监测，对数据进行分析，及时判断电缆故障点及温度变化情况。

采用光纤光栅解调仪及光纤温度传感器，实现了对设备故障点和温度变化的在线监测。通过对比收集的温度与故障告警数据，快速定位故障点。

3.4.2 直流设备框架绝缘监测

安装直流设备时，牵引系统的正、负极配电柜均采用对地绝缘安装，绝缘阻值不得小于2 M?。绝缘安装完成后，该处所有直流设备框架外壳只通过一根接地线进行单点接地。直流设备框架的泄漏电流仅流入该接地点，由此通过单接地点，采用比较法对霍尔电流传感器和磁调制电流传感器进行精度校验，采用测量微小弱电流的方式，实现对直流设备框架绝缘的监测。

采用在直流设备框架单点接地线穿心安装电流传感器，实现了对直流设备框架泄漏电流的在线监测（图4）。

图 4 直流设备框架绝缘监测装置

3.4.3 断路器机械特性

直流 1 500 V 断路器机械特性与GIS 断路器机械特性原理相似。采用传感器实现了对直流1 500V 断路器分合闸线圈电流、电机电流的在线监测。

3.4.4 断路器动作特性录波

直流 1 500 V 断路器动作录波原理不同于交流断路器动作录波原理，通过开关柜内的直流变送器采集信号，接入到录波测控单元；交流断路器动作录波通过开关柜内的互感器采集信号接入到录波测控单元。

采用断路器动作特性录波装置，实现了对断路器分合波形的在线监测。如图5 所示，t1 表示开关分断时触头动作至一次回路电流降至0 的时间，t2表示开关动作信号发出至触头开始动作的时间，t3表示开关动作信号发出至开关状态辅助触点闭合的时间。

图 5 直流断路器典型开断波形

3.5 低压400 V 开关柜

3.5.1 设备温度监测

低压 400 V 开关柜设备温度监测原理与直流1 500 V 设备温度监测原理类似。采用光纤光栅解调仪及光纤温度传感器，实现了对400 V 开关柜的设备温度监测。

3.5.2 断路器机械特性

400 V 开关柜断路器机械特性与GIS 断路器机械特性原理相似。采用传感器来验证400 V 开关柜断路器机械特性与设备运行年份的关系。

3.5.3 断路器动作特性监测

400 V 开关柜断路器动作特性原理与GIS 断路器动作特性原理相似。采用断路器动作特性录波装置进行验证。

3.5.4 局部放电

400 V 开关柜局放原理与110 kV GIS 电缆局部放电原理相似。采用暂态地电波传感器，实现了对400 V 开关柜设备局部放电的在线监测。

3.6 干式变压器

3.6.1 局部放电

干式变压器通常利用环氧树脂等绝缘材料对绕组和铁芯进行浇注，以保证良好的绝缘性，但在实际运行中仍存在局部放电。由于变压器发生局部放电时会同时向外发出电脉冲信号，可通过检测变压器接地电缆的脉冲电流实现对变压器局部放电的监测[11]。

采用高频传感器及局放监测单元，实现了干式变压器局部放电的在线监测。在一次偶发故障中捕捉到异常，证明其具备相应实践效果。但由于监测装置电压低、信号弱、背景噪音大，监测效果仍待进一步观察确认。

3.6.2 振动（声波）

利用声音传感器直接与数据终端连接定时获取噪声数据，经数据计算得到声压级、频谱声压级等多组数据，将实时数据远程传至后台，监测、 警。在干式变压器上安装声音传感器，对干式变压器存在的噪声进行监测。由于噪声频谱范围广，对正常频谱和特殊情况频谱则需要进行对比识别和预设。

3.7 整流器

整流器设备温度监测原理与 1 500 V 直流设备温度监测原理相似。参见图6。

图 6 整流器温度监测数据

3.8 环境温湿度

环境温湿度测量是指利用环境温湿度变化引起材料电特性变化的原理进行的温湿度测量。通过在变电所低压开关柜、整流器、GIS 安装传感器，采集和存储变电所内温度和湿度的数据，向监控软件传输并完成温湿度监控，实现了对变电所内温湿度的在线监测。

4 结语

基于 2016 年全年对地铁变电所供电系统设备在线监测进行的大量研究和实践，总结如下：

（1）产品的质量问题影响运行可靠性，采用在线监测能及时发现事故隐患，防患于未然。

（2）逐步采用在线监测代替停电试验，可减少设备停电时间，节约试验费用。

（3）对老化设备或本身有缺陷但有防范措施的设备，采用在线监测随时监视其运行状况，一旦发现问题及时退出运行，最大限度地利用其剩余寿命。

总体而言，在线监测系统在投入运行的一年多里尚未出现任何故障，这与该站设备本身质量可靠，投入时间不长（约8 年）有关。另外，日常记录也可判断监测手段是否反映设备运行状态，如110 kV GIS 局部放电监测，存在随早晚、季节变化的规律。

参考 献：

[1] 张伟瑾. 上海城市轨道交通运营人才的培养[J]. 城市轨道交通研究，2004，7（2）：89-90.

[2] 李明，韩学山，杨明，等. 电 状态检修概念与理论基础研究[J]. 中国电机工程学 ，2011，31（34）：43-52.

[3] 郝骏. GIS 中SF6 气体在线监测的实现[J]. 科技展望，2016，26（32）.

[4] 王宜昶. 基于UHF 的新型GIS 局放传感器设计[D]. 西安电子科技大学，2009.

[5] 张森. 光纤声发射（AE）传感技术的研究与应用[J]. 科技创新导 ，2007（36）：14-15.

[6] 王金水，马玲，王建荣. 35 kV 输电线路避雷器监测系统[J]. 农村电气化，2011（9）：41-42.

[7] 张欣. 110 kV 以上GIS 中断路器机械特性数据的统计和分析[J]. 高压电器，2015（9）：129-133.

[8] 邬小波. 变压器铁芯接地电流检测装置应用研究[J]. 华北电力技术，2013（8）：38-42.

[9] 祝晓辉，吕万辉，路明，等. 局放在线监测系统在电缆线路中的应用研究[J]. 中国电业：技术版，2015（9）.

[10] 张村. 电力电缆在线监测系统的研究和设计[D]. 电子科技大学，2012.

[11] 杨东星. 干式变压器局部放电在线监测及模式识别的研究[D]. 华北电力大学，2015.