一体化铁路管型母线智能监测预警系统研究

李 涛，杜鹏程，刘 浩

（山东泰开电缆有限公司，山东 泰安 271000）

0 引 言

牵引变电所是高速铁路能源的供给者。牵引变电所管型母线是能源供给的重要高压部件，其绝缘性能的好坏直接影响牵引变电所的供电能力，对保障高速铁路的安全运行起着至关重要的作用[1]。由于管型母线长期运行于恶劣环境，它的绝缘性能降低或损坏又不易被运行人员所知，进而带病运行，最终造成重大安全事故[2-3]。因此，研究了一体化铁路管型母线智能监测预警系统，以监测管型母线自身的绝缘状态。当管型母线自身绝缘性能下降或存在安全隐患时，监测预警系统可准确发出预警信息。该智能监测预警系统的应用，提高了铁路牵引变电所供电的可靠性，带来了巨大的经济效益和社会效益。

1 系统结构

一体化铁路管型母线智能监测预警系统采用分层分布式结构，主要由数据采集层、数据处理层及运维管理组成，系统架构如图1所示。

图1 一体化铁路管型母线智能监测预警系统结构图

1.1 数据采集层

数据采集层由监测传感器和监测装置两类设备组成。

监测传感器用于完成信号量的变换。本系统中监测传感器主要有微电流传感器、局放脉冲电流传感器及预埋式光纤温度传感器三种，分别完成主绝缘泄露电流的变换、局放信号的捕获及管型母线温度的测量[4]。

监测装置包括绝缘监测装置和温度测量装置。绝缘监测装置用于监测主绝缘的泄露电流、系统电压及局放信息等，并折算出主绝缘的介质损耗、容性电流、电容量、局放强度及局放频度。绝缘监测装置将监测信息通过现场总线上传至数据处理层[5]。温度监测装置通过测量光纤传感器传输的光信息，折算出管型母线的实际运行温度，并将监测温度信息通过现场总线上传至数据处理层。

1.2 数据处理层

数据处理层由监测预警IED和所端通信管理机组成。该层用于完成监测数据收集、监测信息综合处理、运行状态评估及风险预警，并将监测信息、运行状态信息及预警信息通过通信管理机上传至所属供电段的运维管理系统。

1.3 运维管理层

运维管理层由运维管理系统服务器组成。该层用于完成变电所各类监测系统数据的收集和管理，可在各类预警信息发生时诊断存在的问题，从而为运行管理人员提供必要的处理方案。

2 系统组成及监测内容

该系统由微电流监测传感器、局放监测传感器、温度监测传感器、主绝缘监测装置、温度监测装置、监测预警IED及通信管理机（跟综自系统共用）组成。

系统监测内容主要包括三方面。

（1）主绝缘监测装置的监测内容为母线电压和频率、主绝缘泄露电流、主绝缘介质损耗、主绝缘电容量、主绝缘容性电流、局放强度及局放频度等[6]。

（2）温度监测装置的监测内容为管母运行温度等。

（3）监测预警IED完成的功能为：上传实时监测量；主绝缘性能下降预警；主绝缘破坏预警；管母运行异常预警；监测数据管理；预警SOE时间记录；预警信息发布等。

3 系统功能实现方案

3.1 主绝缘监测

管型母线的内屏蔽层采用一点接地，其接电线穿过监测用泄露电流传感器和脉冲局放监测用传感器；主绝缘监测装置同时测量泄露电压和系统母线电压，利用DFT计算基频电流和电压的相位、幅值；计算介质损耗角；采用投影法计算容性电流Ic，折算出电容量。至此，实现了母线电压、频率、主绝缘泄露电流、容性电流、介质损耗和电容量的测量。

主绝缘监测装置监测脉冲局放监测用传感器输出的脉冲信号，并测量脉冲强度，从而监测局放强度；对单位时间内脉冲的个数进行计数，从而监测局放发生频度。

3.2 运行温度监测

光纤温度传感器采用一种和光纤折射率相匹配的高分子温敏材料涂覆在二根熔接在一起的光纤外面，使光能由一根光纤输入该反射面然后从另一根光纤输出。由于这种新型温敏材料受温度影响折射率发生变化，因此输出的光功率与温度呈函数关系。本系统采用预埋光纤温度传感器，使温度传感器与管母金属导电部分紧密接触，感知最真实的管母温度。管母温度监测装置实时测量光纤传感器输出的光功率，并通过算法折算出管母的实际运行温度。

3.3 主绝缘性能下降预警

泄露电流、容性电流、介质损耗及电容量都能反映主绝缘的运行状态。当这些变量变化时，预示主绝缘的性能发生下降。本系统根据国网公司容性设备状态评价导则的规范要求，对每个监测量设置两级预警定值。当监测量发生越限时，系统发出预警信息，并建立SOE事件记录。

3.4 主绝缘破坏预警

局放的发生意味着管母的主绝缘老化，并存在放电通道。随着放电频度的增加，局放产生的局部高温加速了主绝缘的劣化，此时若不采取措施，一旦形成固定的放电通道，主绝缘将遭到破坏。本系统采用监测放电强度和放电频度实现预警。系统设置放电强度两级预警（警示和告警），一旦越限，将发出告警信息并建立SOE时间记录。

系统放电频度预警信息为严重预警信号，设置两级预警：第一级警示存在稳定的放电现象；第二级警示主绝缘已受损坏，放电已频繁发生。放电频度两级预警一旦发生，系统实时发出告警信息并建立SOE事件记录。

3.5 管母运行异常预警

负载一定时，正常运行的管母的发热和散热最终会达到热平衡，运行温度会稳定在一个正常范围。一旦管母的发热量增加，热平衡温度超过极限值，则预示管母运行存在异常。本系统实时监测管母的运行温度，采用两级预警：第一级警示管母温度即将到达极限（1.1倍额定负载的热平衡温度）；第二级警示管母温度超越极限（1.2倍额定负载的热平衡温度）。一旦预警产生，系统实时发出告警信息并建立SOE事件记录。

4 接口方案

4.1 主绝缘监测装置（室外安装）接口

本系统采用一体化设计，就地安装。监测装置内置微电流传感器、脉冲放电电流传感器及监测主板。管母内屏蔽的一点接地线需采用一匝穿芯方式穿过监测传感器输入套管。系统母线PT二次输出应接入监测装置。监测装置电源设置两线接线端子，接入AC220 V或DC220 V、DC110 V电源。当不具备外接电源时，采用太阳能供电模式。监测装置采用RS485或无线通信接口上传数据，通信协议采用标准MODBUS协议。

4.2 温度监测装置（室外安装）接口

温度传感器由管母厂家预埋。温度监测装置配置4路光纤接口，可同时接入4路传感器[7]。

4.3 监测预警IED（室内安装）接口

监测预警IED对数据采集层预设2路RS485接口和1路无线通信接口，通信协议采用标准MODBUS协议。监测预警IED对通信管理机预设1路RS485接口和1路网络接口，协议格式则需根据用户需求开发。

5 结 论

本文研究的一体化铁路管型母线智能监测预警系统，可在牵引变电所管型母线出现问题时及时准确地发出预警信息，防止事故发生，保障了变电所的安全、可靠供电，提高了整个牵引供电系统的可靠性，进一步保障了铁路运营的安全、稳定。