城市軌道交通車輛直流電纜局部放電檢測系統(tǒng)的設計

王志新 劉 璘 田成元

（甘肅交通職業(yè)技術學院，730070，蘭州∥第一作者，副教授）

城市軌道交通車輛直流電纜局部放電檢測系統(tǒng)的設計

王志新 劉 璘 田成元

（甘肅交通職業(yè)技術學院，730070，蘭州∥第一作者，副教授）

直流電纜是城市軌道車輛供電系統(tǒng)重要的電力輸送線路。分析了軌道交通車輛直流電纜局部放電的產(chǎn)生機理及危害，指出了現(xiàn)行局部放電檢測技術的局限性。基于信號特性設計出相應的高頻電流傳感器以及信號放大器，并選擇了與之相適應的數(shù)據(jù)采集卡，還編寫了計算機軟件程序，能夠實現(xiàn)對局部放電信號的數(shù)據(jù)采集處理和波形顯示。通過頻譜分析能夠對直流電纜絕緣狀態(tài)做出評價和對干擾信號進行分類分離。

城市軌道交通；車輛；直流電纜；局部放電；頻譜分析

First-author'saddressGansu Vocational And Technical College of Communications，730070，Lanzhou，China

城市軌道交通（以下簡稱，城軌）直流電纜主要適用于額定電壓1 500 V及以下的直流電力傳輸，目前我國規(guī)定為750 V和1 500 V兩種。直流電纜是城軌車輛供電系統(tǒng)重要的電力輸送線路，其絕緣狀態(tài)的好壞直接關系著車輛的安全可靠運營［1］。

電纜局部放電是造成絕緣老化的主要原因，也是絕緣劣化的重要征兆和表現(xiàn)形式。當前國內(nèi)外對交流電纜的局部放電檢測方法都做了很多研究，主要的檢測方法有脈沖電流法、差分法、方向耦合法、電磁耦合法、電容耦合法、超聲波檢測法等，并且已成功應用到現(xiàn)場交流電纜局部放電檢測中，但在直流電纜局部放電檢測方面的研究還相對較少。直流電纜的絕緣部分一般采用電性能優(yōu)良的XLPE或EPR材料，絕緣材料和交流電纜采用的材料基本相同，因此目前一般將交流電纜的檢測方法應用在直流電纜的檢測上，理論上雖然是可行的，但是由于交流檢測過程中需要給電纜施加交流電壓，而并不能模擬真實直流電纜的正常工作狀態(tài)，因此這些檢測方法并不能起到理想的檢測效果。近些年高頻測量方法受到更多局部放電檢測人員的關注，成為直流電纜局部放電在線檢測新的技術方向。

本文首先分析了城軌車輛直流饋電電纜局部放電產(chǎn)生的機理以及局部放電信號的幅頻特性，然后根據(jù)局部放電信號的特性設計出適用于城軌車輛直流電纜在線監(jiān)測的寬頻帶電流感器以及與其相匹配的信號放大器，并選擇適當?shù)母咚贁?shù)據(jù)采集卡以及便攜式工業(yè)計算機，最終通過計算機軟件編程，實現(xiàn)局部放電信號的采集處理、數(shù)據(jù)顯示、頻譜分析，并完成數(shù)據(jù)的存儲、報表打印等功能［2］。

1 城軌車輛直流電纜局部放電的產(chǎn)生機理及危害

由于制造工藝等原因，直流電纜的絕緣材料內(nèi)部可能會有一些氣泡或雜質殘留，致使出現(xiàn)電纜絕緣材料的絕緣體表面或內(nèi)部區(qū)域所承受的電場不均勻的現(xiàn)象。在電纜運行過程中，在電場作用下絕緣體內(nèi)部或表面就會出現(xiàn)一些區(qū)域的電場強度比平均電場強度要高，一些區(qū)域的擊穿場強比平均擊穿場強要低，因此在這些區(qū)域便會首先出現(xiàn)放電現(xiàn)象，而其它區(qū)域仍然保持著正常的絕

緣特性，這便形成了局部放電，電纜局部放電產(chǎn)生機理如圖1所示。

圖1 電纜局部放電產(chǎn)生機理

電纜絕緣體內(nèi)部的氣隙在發(fā)生放電的時候，氣隙中的氣體便會產(chǎn)生游離的現(xiàn)象，導致中性分子分離成帶電的正、負離子等質點，并且在外部施加的電場作用下，電子或負離子會沿電場相反的方向移動，正離子會沿電場的方向移動，因此這些空間電荷便建立了新的電場，方向與外界施加的電場相反，此時氣隙內(nèi)的實際電場強度

車輛在運行過程中，通過受電弓或接觸軌傳輸電能的過程是比較復雜的，車輛的運行速度、受電弓對接觸導線的壓力、升降弓壓力等因素都可能引起離線等現(xiàn)象，并且氣象條件以及周圍環(huán)境等都會對受流質量有著直接的影響。對于外界施加直流電壓的電纜，當電壓瞬時值上升致使絕緣體中氣隙上的電壓達到氣隙的擊穿電壓時，氣隙便發(fā)生放電。

長時間的局部放電對電纜絕緣材料的絕緣性會產(chǎn)生嚴重的危害，主要表現(xiàn)在由于放電所產(chǎn)生的局部發(fā)熱、化學活性生成物、帶電粒子的撞擊以及輻射等因素對絕緣材料的損傷。這種對絕緣材料的破壞作用是一個緩慢的發(fā)展過程，而且從局部開始，并受多種其他因素影響，對運行中的高壓電纜是一種安全隱患，局部放電是造成高壓電纜最終發(fā)生絕緣擊穿的主要原因之一［3］。

城軌車輛的直流電纜局部放電是比較復雜的物理過程，需要通過多種表征參數(shù)才能全面地描繪其狀態(tài)，主要參數(shù)包括視在放電電荷、放電重復率、放電能量、放電平均電流、放電功率等。

2 硬件系統(tǒng)設計與選擇

2.1 高頻電流傳感器的設計

理論和試驗研究表明XLPE或EPR材料的直流電纜局部放電信號的頻譜中主要分量集中在≤6 MHz，而噪聲干擾的頻譜中主要分量多集中在≤1 MHz。因此針對XLPE或EPR材料電纜的局部放電在線檢測的現(xiàn)場環(huán)境，選用1～6 MHz范圍內(nèi)的高頻段檢測可有效提高傳感器的抗干擾能力和信噪比［4］。

基于電磁耦合法檢測的基本原理，本文研制出一個專門用于城市軌道車輛直流電纜局部放電在線檢測的羅戈夫斯基線圈型寬頻帶電流傳感器，該傳感器的輸出為一個與脈沖電流成比例的脈沖電壓。主要由磁心、線圈、金屬屏蔽盒等組成，磁心采用高頻高導磁率、穩(wěn)定性好的磁性材料，磁心上纏繞線圈并串接一個積分電阻R，構成自積分電路。磁心由兩個半環(huán)經(jīng)金屬屏蔽盒的閉合結構而形成一個圓環(huán)，電流傳感器及等效電路如圖2所示。

圖2 電流傳感器及等效電路

等效電路中i（t）為線圈中脈沖電流信號，M為電流傳感器的互感，Ls為線圈的自感，Rs為線圈的等效電阻，Cs為等效雜散電容。金屬屏蔽盒可屏蔽現(xiàn)場空間的干擾信號，以抑制局部放電測量過程中外界干擾。

2.1.1 磁心材料的選擇

磁心材料的工作頻帶在一定程度上決定了傳感器的頻帶，目前國內(nèi)用于高頻的磁心材料有鐵氧體、微晶態(tài)和非晶態(tài)材料等，圖3為不同磁心制作的傳感器的頻率特性曲線。根據(jù)圖3中的曲線，對于高頻脈沖信號，Ni-Zn鐵氧體頻帶較寬，為本傳感器所采用。

圖3 不同磁心制作的傳感器的頻率特性曲線

2.1.2 線圈匝數(shù)n的確定

當線圈匝數(shù)n增大時線圈的自感Ls增大，但

所采集的下限頻率降低，頻寬增加會導致靈敏度降低。圖4為不同匝數(shù)下傳感器的頻率響應特性。

圖4 不同匝數(shù)下傳感器的頻率響應特性

根據(jù)理論分析，當n=5或10時，高頻靈敏度相差不大。為更好地滿足自積分條件，同時拓寬頻帶，選取n=10。

2.2 放大器設計以及數(shù)據(jù)采集模塊選擇

從傳感器上得到的局部放電脈沖電壓信號一般都非常小，為數(shù)十毫伏到數(shù)百毫伏，并且混合一定量的干擾信號，因此，為了只獲得局部放電脈沖信號，需要采用放大器進行信號篩選。放大器對信號采集、波形顯示、響應特性、檢測靈敏度以及噪聲性能等有著直接的影響。放大電路通常由高通濾波器和適當頻帶寬度的放大器組成，其放大器電路圖如圖5所示。

圖5 放大器電路圖

放大器的入口處有一個LC組成的高通濾波器，主要用來抑制工頻高次諧波的侵入，電阻衰減器以及放大器后面的電子衰減器構成了衰減倍率裝置，每檔20 dB，共100 dB，即作為增益粗調裝置，電子衰減器的輸出由電位器進行調節(jié)，作為增益細調裝置。電阻衰減器后面的抽頭L1構成了升壓器，用來提高信噪比。放大部分主要由V1-V3組成，V1是低噪聲場效應管3DJ4，起到脈沖電壓信號放大的作用。

目前高頻信號的檢測系統(tǒng)設計中的采集模塊，大多數(shù)設計者都選擇美國NI公司研發(fā)的各系列的采集卡，如PCI總線采集卡、USB總線采集卡等，其優(yōu)點是測量精度較高、性能優(yōu)越。但是目前NI系列采集卡價格相對較高。本系統(tǒng)被測對象的信號頻率主要集中在1～4 MHz范圍之間，并且信號從放大器輸出后提升至-5～+5 V范圍之間。根據(jù)信號的這些特性以及對測量精度的要求，本系統(tǒng)選用MPX424波形采集模塊，該模塊既滿足數(shù)據(jù)采集速率和采樣精度的測試要求，同時價格也較合理。

MPX424是一款USB2.0總線，A/D轉換器采用4片12位AD并行工作，主要面向同步高速信號測量。MPX424支持全速、連續(xù)大容量采樣，可以直接將采樣信號緩沖在計算機內(nèi)存中，采樣長度可以由軟件設置，最大采樣速率可達10 MHz，采樣啟動可以由軟件或外部硬件觸發(fā)啟動。采樣結束后，可以分段將數(shù)據(jù)讀出。并且具有8路5 V電平開關量輸出，可以通過軟件程序控制繼電器的通斷，從而實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的自動控制［5］。

3 軟件系統(tǒng)設計實現(xiàn)

局部放電檢測系統(tǒng)的軟件部分為操作者提供了必要的人機對話窗口，主要對直流電纜局部放電信

號進行處理顯示并對測試數(shù)據(jù)進行操作管理。

綜合考慮檢測系統(tǒng)集通訊技術、數(shù)據(jù)存儲技術、動態(tài)圖形處理技術以及報表生成技術于一體，本檢測系統(tǒng)以內(nèi)置Windows XP操作系統(tǒng)的工業(yè)筆記本計算機作為上位機，編程語言采用Visual Studio 2005平臺下的Visual Basic.NET語言，編寫的程序具有安全性和語言互操作性方面的特點。

系統(tǒng)軟件可歸結為系統(tǒng)登錄模塊、用戶管理模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、參數(shù)顯示模塊、試驗數(shù)據(jù)存儲與管理模塊、頻譜分析模塊七大模塊。軟件系統(tǒng)的基本流程如圖6所示。

圖6 軟件系統(tǒng)操作流程圖

局部放電檢測系統(tǒng)圖形顯示部分是將表征局部放電的各種參數(shù)如放電電壓U、放電量Q、放電次數(shù)n、放電功率W等以一定的對應關系繪制成圖形，從而能夠直觀反映放電現(xiàn)象。測試主界面如圖7所示。

圖7 測試系統(tǒng)主界面

城軌車輛直流電纜的電氣接線特殊性決定了其局部放電檢測中干擾信號的多樣性和復雜性，分析認為可能存在的干擾主要有：①直流側非被測設備的局放脈沖；②交流側設備產(chǎn)生的局放脈沖；③白噪聲；④整流裝置產(chǎn)生的整流脈沖；⑤機車啟動制動產(chǎn)生的電流脈沖；⑥其它電子設備產(chǎn)生的周期性信號干擾。由于篇幅限制，本文重點研究整流脈沖、機車啟動和制動產(chǎn)生的電流脈沖和周期性信號干擾的特征，從而分析干擾抑制的研究方法。

整流脈沖干擾是車輛整流裝置開斷時產(chǎn)生的電流脈沖。研究發(fā)現(xiàn)整流干擾脈沖信號幅值與負載電流有關。脈沖間隔基本固定，重復頻率與整流運行方式有關，單個脈沖持續(xù)時間較長（＞4μs）。圖8為現(xiàn)場測到的整流干擾脈沖信號。

圖8 整流脈沖干擾

由圖8可知，整流脈沖干擾每工頻周期（20 ms）出現(xiàn)12次，頻率分布較寬，能量主要集中在＜3 MHz。

城軌車輛采用斬波調速，機車啟動和制動時會引起脈沖電流?，F(xiàn)場實測機車制動時的電纜電流波形見圖9。

圖9 機車制動時脈沖電流波形

由脈沖波形圖可見城軌車輛制動脈沖電流信號持續(xù)時間約100μs；頻譜較窄，能量集中在＜2 MHz。

城軌車輛牽引系統(tǒng)有眾多電子設備，這些電子設備工作時會產(chǎn)生周期性窄帶干擾信號，如圖10所示。

圖10 周期性干擾信號波形

可見，現(xiàn)場周期性干擾信號較強且分布在0.5 MHz～1 MHz之間。

根據(jù)研究結果，整流脈沖干擾具有很好的周期性和規(guī)律性，且同時出現(xiàn)在被測電纜上，故可采取同步采集差動平衡法和時域開窗法結合予以剔除；機車啟動和制動時引起的脈沖干擾信號和電子設備隨機干擾信號幅值較大但其頻譜較低，而直流電纜放電信號頻譜很寬，故通過選擇傳感器的響應頻段、硬件濾波技術及頻譜分析法抑制和消除這些干擾信號［6］。

4 結語

本文重點研究了城軌車輛直流饋電電纜局部放電的產(chǎn)生機理以及危害，通過對電纜局部放電信號特性分析，研制出高頻電流傳感器以及信號放大器，并選擇了與之相適應的數(shù)據(jù)采集卡，編寫了計算機系統(tǒng)軟件程序，能夠實現(xiàn)對局部放電信號的采集處理、測量。通過頻譜分析，能夠對干擾信號進行分類分離。

［1］ 沈小軍，江秀臣，達世鵬.軌道交通直流電纜絕緣診斷技術現(xiàn)狀及展望［J］.電工技術學報，2007（9）：22.

［2］ 方鳴.城市軌道交通的供電制式及饋電方式［J］.中國鐵路，2003（4）：49.

［3］ 丘昌容，王乃慶.電工設備局部放電及其測試技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1994.

［4］ 韋斌，王偉，李成榕，等.VHF鉗型傳感器在線檢測110k V XLPE電纜局放［J］.高電壓技術，2004，30（7）：37.

［5］ 范巧蓮.直流電纜絕緣監(jiān)察保護原理及在地鐵中的應用［J］.電氣化鐵道，2004（4）：30.

［6］ 沈小軍，江秀臣，白建社，等.地鐵直流電纜放電在線檢測中干擾信號的研究［J］.高電壓技術，2006，32（10）：29.

Design of Partial Discharge Detecting System for DC Cables of Rail Transit Vehicle

Wang Zhixin，Liu Lin，Tian Chengyuan

DC cable is the main power supply line for urban rail transit vehicles.Firstly，the partial discharge generation principle and harms of rail transit vehicle DC cables are analyzed，the limitations of partial discharge detectiontechnology is pointed out.Then，the high frequency current sensor and signal amplifier are designed through analyzing the signal characteristics，proper data collection cards are selected，a computer software program is wroten to realize the data collection and waveform display of the partial discharge signals.Finally，through spectral analysis，the evaluation and classification of DC cables insulation state are obtained.

urban rail transit；vehicle；DC cables；partial discharge；spectral analysis

TM 855；U 270.38+1

2012-10-16）