基于鐵路10kV電力線路故障在線監(jiān)測技術(shù)研究

中國鐵路設(shè)計集團有限公司 張 瑩

基于鐵路10kV 電力線路故障在線監(jiān)測技術(shù)是通過對電力線路運行參數(shù)和狀態(tài)量的監(jiān)測，實現(xiàn)對電力線路運行狀態(tài)的監(jiān)測與診斷，通過對狀態(tài)量的分析及判斷能夠及時發(fā)現(xiàn)故障點并進行報警。在實際運行中，由于環(huán)境條件等因素影響很難做到全面、準確地收集到全部運行參數(shù)和信息[1]。

1 10kV 鐵路電力線路故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成與應(yīng)用原理

10kV 電力線屬于城市交通電力網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，由于其傳輸距離遠，所以供電可靠性高。其具有以下特點：鐵路10kV 電力線傳輸距離長，線路易發(fā)生故障，故障排查困難；電力線運行過程中需要通過電容、電感、電阻等元器件進行能量的轉(zhuǎn)換和傳遞，如果這些元器件發(fā)生故障，則會導(dǎo)致整個電力線路出現(xiàn)故障，影響鐵路運輸?shù)陌踩?。鐵路10kV 電力線在實際運行過程中會受到外部環(huán)境和條件的影響，因此容易出現(xiàn)安全事故。在鐵路10kV 電力線路出現(xiàn)故障的情況下，首先要對故障點進行定位。在實際工作中，可以采用感應(yīng)電流法來實現(xiàn)對鐵路10kV 電力線路故障進行檢測和定位，這種方法不需要借助額外的監(jiān)測設(shè)備就可以實現(xiàn)對電力線路故障點的監(jiān)測和定位[2]。

10kV 鐵路電力線路故障在線監(jiān)測系統(tǒng)包括：檢測單元、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、監(jiān)控管理中心。檢測單元：主要由10kV 電力線路故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的供電電源、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、監(jiān)控管理中心構(gòu)成。其主要作用是檢測10kV電力線路出現(xiàn)的故障，并通過實時監(jiān)測、自動報警等方式對故障進行排除，以保證鐵路交通運輸?shù)陌踩粩?shù)據(jù)采集單元：主要由通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、時鐘模塊等組成。其主要作用是收集電力線路運行過程中的數(shù)據(jù)信息，并將這些信息通過GPRS或者GPRS/CDMA 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控管理中心，并對其進行有效處理，從而實現(xiàn)對電力線路運行過程中的故障進行遠程診斷。

數(shù)據(jù)處理單元：主要由計算機和軟件組成。其主要作用是對采集到的數(shù)據(jù)信息進行處理，并將處理后的結(jié)果通過GPRS/CDMA 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控管理中心，以實現(xiàn)對鐵路電力線路運行過程中的故障進行遠程診斷；監(jiān)控管理中心：主要由服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)管理軟件、軟件開發(fā)工具包、圖形用戶界面等構(gòu)成。其主要作用是將電力線路運行過程中采集到的數(shù)據(jù)信息進行處理，并將處理結(jié)果以圖形界面的形式顯示出來，從而實現(xiàn)對鐵路電力線路運行過程中的故障進行遠程診斷，同時利用數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行存儲和管理，并通過服務(wù)器將數(shù)據(jù)信息推送到計算機終端，以實現(xiàn)對鐵路電力線路運行過程中的故障進行遠程診斷。

在鐵路電力線路故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的前端，需要安裝各類在線監(jiān)測裝置，如電流互感器、電壓互感器等；在服務(wù)器端需要安裝各類數(shù)據(jù)庫，如電力線路模型、數(shù)據(jù)庫等；在監(jiān)測終端則需安裝各類傳感器，如電流傳感器、溫度傳感器等。電力線路故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能作用，主要是通過采集、處理數(shù)據(jù)來完成故障報警。

在線監(jiān)測系統(tǒng)在鐵路電力線路運行中的具體應(yīng)用過程如下：首先，在鐵路電力線路運行中，需要利用電流互感器將鐵路電力線路的電壓、電流數(shù)據(jù)采集下來；其次，當鐵路電力線路發(fā)生故障時，通過電流互感器將電流數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器端；最后，服務(wù)器端會將故障信息反饋到在線監(jiān)測系統(tǒng)中，在線監(jiān)測系統(tǒng)會對信息進行分析處理，判斷出具體的故障類型并及時發(fā)出報警信號[3]。

2 故障顯示裝置的應(yīng)用

2.1 故障類型

目前，我國10kV 鐵路電力線路應(yīng)用的大多是消弧線圈接地或者是不接地形式的小電流系統(tǒng)，所以在具體運行中，其主要的故障類型有單相接地、兩相接地、兩相短路以及三相短路4種。單相接地故障是10kV 電力線路中最為常見的一種故障類型，其發(fā)生的頻率較高，如果發(fā)生了單相接地故障，則會導(dǎo)致電力線路的絕緣保護失效，進而出現(xiàn)了整個系統(tǒng)被破壞的情況。單相接地故障的發(fā)生原因是多方面的，其主要可以分為兩個方面：一是鐵路電力線路在正常運行時出現(xiàn)了絕緣薄弱處，其會導(dǎo)致單相接地故障的發(fā)生；二是由于線路運行人員在工作中操作不當使得接地電流較大，從而造成了單相接地故障的發(fā)生。

當鐵路電力線路中發(fā)生單相接地故障時，由于其電壓值不是很高，其發(fā)生電弧放電的概率非常小，因此這種故障情況下的電力線路也就不會出現(xiàn)電弧放電。但由于在鐵路電力線路中發(fā)生了單相接地故障，其會對系統(tǒng)中的其他設(shè)備產(chǎn)生較大影響，并且也會對鐵路電力線路的正常運行產(chǎn)生嚴重的影響[4]。

圖1 單相接地故障

兩相接地：當鐵路電力線路中發(fā)生單相接地故障時，當其三相電壓值處于平衡狀態(tài)時，由于中性點不接地，所以也就不會產(chǎn)生電弧，所以這種故障情況下的電力線路不會出現(xiàn)電弧放電。但在鐵路電力線路中如果發(fā)生了兩相接地故障，則其會在中性點出現(xiàn)接地電流，使得中性點電位升高，最終會使該線路的絕緣保護失效，進而導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障。在鐵路電力線路中發(fā)生兩相接地故障時，其主要原因可分為以下方面：一是由于鐵路電力線路中發(fā)生了兩相接地故障，進而導(dǎo)致中性點電壓升高；二是由于鐵路電力線路中的避雷器以及電纜存在了過電壓；三是由于鐵路電力線路中存在的過電壓引起的，同時也可以將鐵路電力線路中的電纜絕緣擊穿；四是由于鐵路電力線路中存在的電弧接地引起的，并且在該故障情況下還會有弧光接地。

兩相短路：鐵路電力線路中發(fā)生的兩相短路故障主要是因為電網(wǎng)中存在電容電流以及鐵磁諧振現(xiàn)象，這種故障發(fā)生的頻率相對較低，但是對于整個電力系統(tǒng)的危害極大，因此必須要引起足夠的重視。在鐵路電力線路中，由于其中性點采用的是消弧線圈，所以當發(fā)生兩相短路故障時，其會在故障點產(chǎn)生較大的電容電流，而電網(wǎng)中存在的鐵磁諧振現(xiàn)象則會使中性點出現(xiàn)零序電壓，最終導(dǎo)致電網(wǎng)中的電流在瞬間達到很高的數(shù)值。

三相短路：當鐵路電力線路中發(fā)生三相短路故障時，其發(fā)生的頻率較高，并且會對整個電力系統(tǒng)造成較大的影響。通常情況下，三相短路故障主要是因為線路中存在著兩個并聯(lián)的變壓器，或者是母線以及電容式電壓互感器等設(shè)備，從而使系統(tǒng)中產(chǎn)生了鐵磁諧振現(xiàn)象。

2.2 監(jiān)測方法

10kV 鐵路電力線路單相接地故障的主要監(jiān)測方法有首半波法、諧波方向法、信號注入法以及零序電流法等。首半波法是指當故障發(fā)生時，通過測量首半波的幅值以及相位來判斷是否發(fā)生了單相接地故障。信號注入法是指通過向線路注入零序電流的方法，在線路故障點注入零序電流，判斷是否發(fā)生了單相接地故障[5]。根據(jù)上述分析可知，10kV鐵路電力線路單相接地故障在線監(jiān)測裝置的工作原理是：當10kV 鐵路電力線路出現(xiàn)單相接地故障時，零序電流互感器中的信號會發(fā)生改變，從而使其內(nèi)部的勵磁繞組產(chǎn)生變化，通過測量勵磁電流的大小可以判斷出是否發(fā)生了單相接地故障。

基于上述分析可知，基于鐵路10kV 電力線路單相接地故障在線監(jiān)測裝置中的零序電流互感器在采集回路中的零序電流數(shù)據(jù)時，需要對其進行特殊處理。首先，將采集到的零序電流數(shù)據(jù)通過高頻信號發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)頻率的高頻信號；其次，將高頻信號通過濾波器濾波處理；再次，將濾波后的高頻信號經(jīng)過整流電路轉(zhuǎn)換成直流電壓，并通過開關(guān)控制電路使其導(dǎo)通；最后，將該直流電壓經(jīng)過穩(wěn)壓電路后變成相應(yīng)頻率的交流電壓信號，并通過相應(yīng)的檢測電路來判斷該交流電壓信號是否達到報警值。對于該裝置來說，為了提高其檢測性能和測量精度，需要在保證檢測精度的前提下對其進行優(yōu)化設(shè)計。

3 系統(tǒng)應(yīng)用分析

3.1 太陽能通信主機的應(yīng)用

太陽能通信主機通過光纖傳輸?shù)骄€路故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的信號采集端，完成實時數(shù)據(jù)采集及傳輸。太陽能通信主機將采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過光纖傳輸?shù)竭h方監(jiān)控中心，實現(xiàn)了電力線路的故障監(jiān)測。太陽能通信主機采用雙CPU 系統(tǒng)設(shè)計以保證數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)膶崟r性，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，各模塊均有各自的功能。

其中，太陽能通信主機與監(jiān)測終端之間的通信采用光纖網(wǎng)絡(luò)，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和實時性要求，光纖采用光電混合接口，并采用“1+1”冗余配置方式，即有一條光纖作為主干光纖、一條備用光纖作為后備光纖；太陽能通信主機與監(jiān)測終端之間的通信采用CAN 總線。CAN 總線具有實時性、可靠性和開放性等特點，而太陽能通信主機與監(jiān)測終端之間的通信主要是通過CAN 總線進行的，該方式具有實時性、開放性等特點。

OPC Server 是一種工業(yè)標準的企業(yè)應(yīng)用軟件，可以通過TCP/IP 協(xié)議與其他計算機或數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行信息交換。在OPC Server 中可以方便地實現(xiàn)各種信息的采集、處理、分析、顯示和存儲等功能。GPRS 網(wǎng)絡(luò)是一種面向全球開放的、可無限擴展和無限升級的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)遠距離、高速、穩(wěn)定的傳輸。

3.2 系統(tǒng)主站的應(yīng)用

太陽能通信主機通過CAN 總線將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街髡?，主站軟件通過OPC Server 軟件對數(shù)據(jù)進行處理，并根據(jù)分析結(jié)果在界面上顯示出來，以便工作人員能夠及時掌握電力線路運行狀態(tài)[6]。

監(jiān)控中心?？筛鶕?jù)不同的需求設(shè)置不同的監(jiān)控界面，包括各鐵路區(qū)段故障監(jiān)測系統(tǒng)界面、各鐵路區(qū)段故障信息顯示界面、各鐵路區(qū)段設(shè)備故障信息顯示界面等；狀態(tài)評估。通過對電力線路故障進行分析，可判斷出電力線路運行是否正常，狀態(tài)是否存在異常情況；預(yù)警預(yù)報。利用太陽能通信主機采集到的電力線路實時狀態(tài)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合線路實時運行情況進行分析和預(yù)報，以便于工作人員提前做好準備，保證鐵路電力線路的安全穩(wěn)定運行。

設(shè)備監(jiān)測。利用太陽能通信主機采集到的設(shè)備運行參數(shù)數(shù)據(jù)對設(shè)備進行實時監(jiān)測，并結(jié)合當前設(shè)備的運行情況，給出相應(yīng)的設(shè)備檢修建議；管理監(jiān)控。利用太陽能通信主機采集到的數(shù)據(jù)對電力線路進行管理，包括對線路巡檢情況、故障搶修情況等進行統(tǒng)計分析和管理；操作培訓。利用太陽能通信主機采集到的電力線路故障數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，通過OPC Server 軟件對電力線路進行操作培訓。在培訓過程中，工作人員可以通過觀察實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)了解當前電力線路運行狀態(tài)，以便更好地應(yīng)對各種突發(fā)事件。同時在培訓過程中還可以學習到一些電力系統(tǒng)相關(guān)知識、了解一些專業(yè)術(shù)語等。

4 結(jié)語

鐵路電力系統(tǒng)特殊性較強，其電力線路運行環(huán)境較為惡劣且維護成本較高，為保證鐵路運輸安全，對鐵路電力線路的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測的意義非常重要。實踐表明，基于太陽能通信主機的鐵路10kV 電力線路故障在線監(jiān)測技術(shù)，可以為鐵路供電部門提供安全、可靠、準確的線路運行數(shù)據(jù)。