城市軌道交通直流饋線電纜在線監測方案設計與應用

常寶波，程詠斌，梁釗福，楊宜廣

（1.廣州市揚新技術研究有限責任公司，廣州 510540；2.廣州市世科高新技術企業有限公司，廣州 510540）

0 引言

城市軌道交通工程采用直流牽引供電軌，通過架空接觸網或接觸軌受電，利用列車走行鋼軌作為負回流線，列車運行過程中不斷振動周圍環境，造成接觸網臟污，使得接觸網設備容易發生絕緣擊穿等現象，造成接地端路跳閘，牽引電流沿鋼軌流回牽引變電所時在鋼軌上形成電壓降，從而導致鋼軌與大地之間產生電位差，引起泄漏電流。隨著城市軌道交通規模的不斷擴大，地鐵線路逐漸增多，直流饋線電纜的應用越來越多[1-2]。然而，直流饋線電纜電流的監測難度較大[3-4]。傳統方案是通過分流器監測饋線電纜的電流，而分流器只能監測10 A以上的電流，同時直流牽引保護的動作電流往往在幾千安培的數量級，對于更小量級的電流與高阻接地等輕微故障的情況無能為力[5-6]。對于饋線電纜可能存在破損的情形，目前沒有有效的方法或技術手段對其進行定性甚至定量的監測與分析。現有的排障手段，只是在切除電力后，通過人工對疑似故障的電纜進行逐根、逐段“手摸”式損傷排查，效率十分低下[7-8]。因此，本文提出一種基于霍爾元件的直流饋線電纜泄漏電流在線監測方案，檢測各區間段接觸網泄漏電流的變化情況，通過預警泄漏電流過大的區間段以減少事故的發生率，實現地鐵直流饋線電纜泄漏電流的實時監測，降低地鐵維護工作量及成本。

1 直流饋線電纜泄漏電流監測原理

1.1 在線監測方案原理

地鐵直流牽引系統主要包括了整流變壓器、整流器和直流開關柜等主要部件。整流變壓器將交流33 kV的電壓降壓到1 220 V，通過整流器將交流電壓整流為1 500 V左右的直流電壓[9-10]。所得到的直流電源通過電纜送到牽引變電站內的直流母排上,通過直流饋線柜控制饋線電纜的供電。直流饋線通過上網電纜給接觸網供電，地鐵列車借助接觸網取流，完成整個地鐵牽引供電系統的供電和用電[11-12]。同正常運行時負荷電流相比，泄漏電流的量級要小很多。為了更好地監測到泄漏電流，本方案利用霍爾元件精確測量微小電流的特性，通過霍爾元件采集微小泄漏電流，對采集到的泄漏電流進行數據分析，實時監測直流饋線柜電纜電流。通過對比分析列車運行、列車停運、上網隔離刀閘斷開等各種情況下的監測電流值，實現泄漏電流的判斷與故障區域的定位。

本方案選擇1 500 V直流饋線柜出線為監測點。當直流饋線柜出線與接觸網之間的隔離開關處于分位置時，霍爾元件采集電纜泄漏電流，此時若發現泄漏電流，則泄漏電流來自于饋線柜出線電纜；當隔離開關處于合位置時，采集接觸網上的泄漏電流，此時若發現泄漏電流，則泄漏電流存在于接觸網中；當地鐵正常運行時，監測接觸網及電纜的負荷電流，通過負荷電流判斷機車運行是否存在故障；當地鐵收車時，對接觸網及電纜上的泄漏電流進行監測，對泄漏電流大小、位置進行初步判斷，為地鐵檢修人員的工作提供依據。

考慮到地鐵上采用雙端供電原理為機車供電，如圖1所示，以圖中A-B站為例，說明站間及站內泄漏電流監測原理。

在A、B站分別使用霍爾元件采集接觸網上的電流ia、ib，對全天的監測情況進行分析：（1）當機車正常運行時，ia、ib為負荷電流，此時將負荷電流采集，并進行每日對比，查看負荷電流峰值、谷值等是否有明顯變化，若有明顯變化，則機車存在問題；（2）當機車剛收車時，此時線路上若存在電流，則為泄漏電流。

圖1 站間電流流向

如圖2所示，圖中每一站內有5路電纜，每路電纜上串聯4個不同量程的霍爾元件，每路電纜選取最適當的量程采集值作為該路泄漏電流采集值，將5路電纜得到的泄漏電流值相加，即得到該站內泄漏電流ik，如式（1）所示。

式中：ia、ib分別由5個支路的泄漏電流構成，ia=iah1+iah2+iah3+iah4+iah5，ib=ibh1+ibh2+ibh3+ibh4+ibh5。

由于接觸網上的泄漏電流由于范圍較大，采用分級采集的方式每一支路有4個霍爾元件，量程分別為0～10 mA、0～1 A、0～10 A和0～100 A。電纜上的泄漏電流較小，監測時選用量程為0～10 mA的霍爾元件進行數據采集。若泄漏電流較大則選用其他量程霍爾元件。

圖2 站內接觸網

1.2 在線監測方案流程

本方案主要可以分為3個模塊：數據采集及信號調理模塊、采樣裝置模塊及后臺系統模塊。數據采集模塊通過電流接口接收接觸網連接線纜區間段的電流模擬量信號；信號調理模塊將電流模擬量信號轉換為電壓模擬量信號并傳輸至采樣裝置；采樣裝置將接收的電壓模擬量信號轉換為電流數字量信號，并將電流數字量信號通過以太網接口傳輸至后臺系統。

數據采集及信號調理模塊通過4種不同量程（0～10 mA、0～1 A、0～10 A和0～100 A）的霍爾元件電流接口接收來自接觸網連接電纜區間段的電流模擬量信號，電流模擬量信號經過信號調理后轉換為電壓模擬量信號并傳輸至采樣裝置。

采樣裝置模塊將接收到的電壓模擬量信號通過ADC轉換器轉換為電流數字量信號，并通過以太網接口傳輸至后臺系統。

后臺系統模塊又包括網絡傳輸模塊、負載均衡服務器、數據采集服務器、數據存儲服務器、數據處理服務器、前端服務器和監控中心服務器7個子模塊。其中，網絡傳輸模塊用于傳輸電流數字信號；負載均衡服務器用于調配數據采集服務器；數據采集服務器用于對接收的電流數字信號進行解碼、歸類和整合儲存至數據存儲服務器；數據處理服務器用于分析數據存儲服務器中的數據，對站間數據進行比對，將異常數據傳輸至前端服務器。

負載均衡服務器根據服務器權重調配數據采集服務器，負載均衡服務器在接收到采樣裝置的連接請求后，若負載均衡服務器與數據采集服務器連接成功后，負載均衡服務器根據服務器權重重新調配數據采集服務器。

若負載均衡服務器與數據采集服務器連接未成功，判斷數據采集服務器是否發生宕機故障；若數據采集服務器發生宕機故障，數據采集服務器恢復初始狀態，負載均衡服務器會分配備份負載均衡服務器進行數據備份；若數據采集服務器不發生宕機故障，則負載均衡服務器重新接收到采樣裝置的連接請求，直至負載均衡服務器根據服務器權重重新調配數據采集服務器。

監控中心服務器與后臺系統中各模塊與服務器設有心跳包，用于監控后臺系統的運行狀態。后臺系統通過網絡傳輸模塊將帶時標的電流數字量信號傳輸至采樣裝置進行網絡對時，用于校準采樣裝置時間。

底層采樣元件采集地鐵供電軌輸入的電流模擬信號，然后將電流模擬信號經采樣裝置轉換為數字量信號，并通過以太網接口發送至數據發送模塊，數據發送模塊接收采樣裝置發送的數字量信號，然后以無線傳輸的方式發送至數據采集模塊。其中，負載均衡模塊為采樣裝置調配相應的數據采集模塊，使得采樣裝置與數據采集模塊進行連接、通訊；云端服務器對接收的數字量信號進行校驗判斷和數據處理，數據采集模塊用于對處理的數據進行設備信息預處理及數據分析預處理，并將預處理后的數據存放至數據存儲模塊中；通過數據處理模塊將數據存儲模塊中的數據進行分析，并將數據分析結果推送至前端模塊，前端模塊根據用戶請求將采集數據以實時數據、歷史數據、裝置信息、異常告警等推送至終端，實現數據可視化。

2 直流饋線電纜泄漏電流實施方案

根據現場運營監測數據顯示，廣州地鐵坑口站饋線至接觸網連接電纜區間段可能存在部分電流泄漏現象，因此我司依據直流饋線電纜在線監測的原理對現場監測進行方案設計，提供了一套城市軌道交通直流饋線電纜電流在線監測系統（該系統包括1套“基于軌道交通接觸網泄漏電流在線監測系統”程序、3臺直流錄波裝置、12臺霍爾元件數據采集裝置、1臺4G無線路由器及1臺工業級交換機，以下簡稱“在線監測系統”）。

在線監測系統于2019年10月在廣州地鐵一號線坑口車輛段試運行，對坑口車輛段現場饋線柜214的電纜進行采集數據，饋線柜214中有3根電纜，編號分別為C-2141、C-2142、C-2143，對每一根電纜均使用4個不同量程的霍爾元件進行數據采集，采集量程分別為0～10 mA、0～1 A、0～10 A、0～100 A。霍爾元件采集的數據經錄波裝置的4路AI輸入傳輸至交換機、4G無線路由器并發送至云端服務器中的后臺系統。后臺系統對采集的數據進行存儲、分析及托送到前端網頁展示。

3 現場實測數據分析

通過云端平臺實時監控直流牽引網饋線段各個支路直流電流數據。實時監控數據包括3根電纜實時的負荷電路及泄漏電流，并計算出該饋線總負荷及總泄漏電流。以電纜2141為例，其實時電流數據如圖3所示。此外，還可通過數據對比功能可查詢、對比相關時間段內各饋線段負荷電流；通過數據分析功能可分析相關時間段內各饋線段負荷電流、泄漏電流每日數據最大、最小負荷及每日數據對比。可以分析每日負荷、泄漏電流最大值、最小值及均值、負荷、泄漏電流變化趨勢；通過實時錄波功能可對直流牽引網饋線段各個支路進行實時波形錄制，生成錄波文件。底層采樣裝置采樣頻率為10 kHz，即采樣時間間隔為0.1 ms。以10 kHz采樣頻率連續錄波，可生成錄波文件，在前端可看到波形并可保存。

根據直流饋線段現有系統的測量和保護功能原理，微小電流可能出現幾十安培至幾百安培零飄，進而導致測量和保護功能不準。現場證實引入饋線電纜電流在線監測系統可以準確監測微小電流，減少現有系統保護功能的誤判。

經2個多月的現場測試，在線監測系統運行穩定，各類數據的采集量達200萬條，實現的主要功能如下。

（1）實時監測：通過云端平臺實時監控直流牽引網饋線段各個支路直流電流數據。

（2）數據對比查詢及分析：通過數據分析功能可查詢、對比相關時間段內各饋線段負荷電流、泄漏電流每日數據統計分析及數據對比。

（3）實時錄波：通過實時錄波功能可對直流牽引網饋線段各個支路進行實時波形錄取，生成錄波文件。

4 結束語

本文設計了一種基于霍爾元件的直流饋線電纜泄漏電流在線監測方案，方案中霍爾元件采集數據后傳輸給錄波裝置，錄波裝置連接到交換機后經由無線路由器，把數據實時上傳到云端服務器，云端服務器對數據進行分析以及存儲，最后通過網頁端進行數據訪問及查看處理結果。該方案實現了地鐵接觸網各個區間段泄漏電流的實時監測，實時檢測各區間段接觸網泄漏電流變化情況，對泄漏電流過大的區間段可進行預警，安全可靠，提高了工作效率，可實現監控數據遠程查看，減少現場維護人員工作量，降低地鐵運營的維護成本。該方案已經成功應用于廣州地鐵一號線坑口車輛段，經過運行及測試，該系統運行穩定，能夠對饋線電流的電流進行實時監測，同時能夠對負荷電流進行最大值、最小值、均值對比分析。該方案可以監測到穩定的泄漏電流，但還無法監測到間歇性的泄漏電流，需要進行進一步研究。

圖3 饋線段電纜2141實時電流數據

在實際的應用過程中，后續可更為細致地研究單根電纜的不同位置在不同時刻的電流值，探討泄漏電流存在的區間位置，從而進一步減少檢修工作量。當饋線電纜比較長時，該方向的研究將更具意義。