鐵路27.5 kV高壓電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)探討

許云升

0 引言

27.5 kV交聯(lián)聚乙烯絕緣高壓電纜被廣泛應(yīng)用于電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中，當(dāng)其用于牽引變壓器、GIS（AIS）開(kāi)關(guān)柜、27.5 kV所用變壓器、接觸網(wǎng)等設(shè)備之間的連接時(shí)，起到電力傳輸和分配的作用。

近年來(lái)電纜故障頻發(fā)，以國(guó)內(nèi)某電氣化鐵路為例，全線27.5 kV高壓電纜共有58條，2010—2014年發(fā)生高壓電纜故障11次，主要原因?yàn)殡娎|外護(hù)套在施工、運(yùn)行中受到機(jī)械損傷，絕緣介質(zhì)逐漸受潮，絕緣性能下降進(jìn)而發(fā)展為絕緣擊穿，最后引起牽引變電所全所停電或接觸網(wǎng)中斷供電，致使鐵路運(yùn)輸中斷，造成重大經(jīng)濟(jì)損失或不良社會(huì)影響。由于高壓電纜故障定位比較困難，故障搶修恢復(fù)時(shí)技術(shù)作業(yè)也相對(duì)復(fù)雜，造成恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)防電纜絕緣潛在問(wèn)題尤為重要。

通過(guò)采用絕緣在線監(jiān)測(cè)方法可以實(shí)時(shí)掌握電纜絕緣的變化情況，提前預(yù)判可能的故障。本文結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)探討一種適合鐵路27.5 kV高壓電纜在線監(jiān)測(cè)的方法。

1 絕緣在線監(jiān)測(cè)方法對(duì)比

目前采用的鐵路27.5 kV高壓電纜絕緣在線監(jiān)測(cè)方法有交流耐壓試驗(yàn)、分布式光纖溫度測(cè)量、接地電流監(jiān)測(cè)、局部放電監(jiān)測(cè)等多種方法。

1.1 交流耐壓試驗(yàn)法

27.5 kV交聯(lián)聚乙烯高壓電纜大多分布在鐵路沿線、山區(qū)等地理環(huán)境較復(fù)雜地區(qū)，電纜長(zhǎng)度從幾百米到數(shù)千米不等，由于巨大的電容量使常規(guī)的交流耐壓試驗(yàn)設(shè)備無(wú)能為力，必須使用笨重的串聯(lián)交流諧振設(shè)備或?qū)Ｓ迷囼?yàn)車(chē)，且試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)運(yùn)輸干擾較大[1]。因此，27.5 kV交聯(lián)聚乙烯高壓電纜的交流耐壓試驗(yàn)一般較難完成。

1.2 分布式光纖溫度測(cè)量法

當(dāng)高壓電纜外護(hù)套破損造成屏鎧雙端或多端接地時(shí)，屏鎧感應(yīng)電流會(huì)使電纜發(fā)熱。另外，電纜終端或中間接頭絕緣性能下降或電纜頭連接接觸不良時(shí)，也會(huì)使電纜溫度升高[2]。因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)電纜的溫度變化，關(guān)聯(lián)其絕緣性能變化的方法是可行的，如圖1所示。

圖1 分布式光纖溫度測(cè)量架構(gòu)

但通過(guò)實(shí)踐，證明該方法存在以下問(wèn)題：（1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需沿電纜布施多個(gè)溫度傳感器；（2）分布式光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)溫裝置安裝在電纜終端的外護(hù)層表面，只能監(jiān)測(cè)電纜表層外護(hù)套溫度，并不能實(shí)時(shí)反映電纜線芯及電纜主絕緣內(nèi)部溫度。

1.3 接地電流監(jiān)測(cè)方法

27.5 kV單芯電纜線芯與其金屬屏鎧護(hù)套的關(guān)系可視為一個(gè)空芯變壓器，當(dāng)單芯電纜線芯通過(guò)電流時(shí)會(huì)使金屬護(hù)套兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓。高鐵電纜屏鎧等金屬護(hù)套采用一端接地，另一端經(jīng)護(hù)層保護(hù)器接地的方式，電纜屏鎧對(duì)地不能形成閉合回路，正常時(shí)其直接接地端泄漏電流或電容電流很小。當(dāng)電纜外護(hù)套破損或絕緣性能下降到一定程度時(shí)，電纜屏鎧對(duì)地形成一個(gè)閉合回路而產(chǎn)生感應(yīng)電流，并隨著電纜線芯電流的變化而變化。因此，可以通過(guò)測(cè)量線芯及屏鎧電流變化來(lái)監(jiān)測(cè)電纜絕緣性能的好壞。但是，該方法由于需要在電纜終端頭處安裝采集所需的電流互感器，同時(shí)還需要成套的集成設(shè)備及傳輸設(shè)施、二次供電設(shè)備等，實(shí)施較為復(fù)雜。

1.4 局部放電監(jiān)測(cè)法

局部放電是造成電纜絕緣破壞的主要原因之一，考慮到電纜故障多發(fā)生于電纜附件，而且從電纜附件處進(jìn)行局部放電測(cè)量容易實(shí)現(xiàn)、靈敏度高，因此，一般電纜局部放電在線監(jiān)測(cè)主要是針對(duì)電纜附件[2]。目前，電纜局部放電在線監(jiān)測(cè)方法主要包括差分法、方向耦合法、電磁耦合法、電容分壓法、超高頻電容法、超高頻電感法等。雖然局部放電在線監(jiān)測(cè)方法很多，理論上也是可行的，但由于局放信號(hào)微弱、波形復(fù)雜、外界干擾噪聲大等原因，實(shí)際應(yīng)用難度很大。

2 鐵路27.5 kV高壓電纜接地系統(tǒng)全電流在線監(jiān)測(cè)方案探討

2.1 基本原理

我國(guó)鐵路27.5 kV高壓電纜一般采取一端直接接地，另一端不接地或通過(guò)護(hù)層保護(hù)器接地的方式。當(dāng)高電壓作用于供電電纜的絕緣介質(zhì)兩端時(shí)，電纜絕緣介質(zhì)中會(huì)產(chǎn)生全電流（泄漏電流），并經(jīng)接地系統(tǒng)流入大地，全電流中主要包含容性電流和阻性電流，等效電路如圖2所示。正常情況下容性電流占主要部分，該電流與電纜的材質(zhì)和運(yùn)行電壓有關(guān)；阻性電流約占10%～20%，該電流主要來(lái)自經(jīng)絕緣介質(zhì)的沿面泄漏，包括外護(hù)套、外表面的沿面泄漏以及經(jīng)電纜附件絕緣材質(zhì)的泄漏等。一旦發(fā)生電纜的絕緣介質(zhì)老化、受潮或破壞、外護(hù)層保護(hù)遭到破壞進(jìn)入水分、電纜絕緣附件絕緣性能下降等情況時(shí)，電纜的阻性電流會(huì)逐漸增大，占全電流的比重增大，全電流也隨之增大，因此只需對(duì)運(yùn)行中流經(jīng)電纜接地系統(tǒng)的全電流或阻性電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將所得數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)相比較，即可掌握電纜的運(yùn)行狀態(tài)。另外，單獨(dú)監(jiān)測(cè)阻性電流分量需要較復(fù)雜的技術(shù)設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)設(shè)備需具有較高的靈敏度，實(shí)現(xiàn)成本較高，因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)全電流的變化判斷電纜運(yùn)行狀態(tài)是一種既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的方法。

圖2 運(yùn)行電纜全電流等效電路

2.2 全電流在線監(jiān)測(cè)方法

正常運(yùn)行情況下，高壓供電電纜接地系統(tǒng)中一般存在幾十伏的電壓，若在接地系統(tǒng)線路中串接一電阻，如圖3所示，對(duì)兩端電壓進(jìn)行采樣，并經(jīng)過(guò)整流過(guò)濾，即可以有效、實(shí)時(shí)地反映出電纜接地系統(tǒng)回路中的全電流值。

圖3 全電流監(jiān)測(cè)儀原理

3 鐵路27.5 kV高壓電纜接地系統(tǒng)全電流在線監(jiān)測(cè)分析

3.1 影響監(jiān)測(cè)結(jié)果的因素分析

通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間對(duì)電纜接地系統(tǒng)全電流在線監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)結(jié)果會(huì)隨著不同的環(huán)境和運(yùn)行條件發(fā)生變化，因此若要通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、真實(shí)、準(zhǔn)確地反映電纜的運(yùn)行質(zhì)量，需對(duì)影響其監(jiān)測(cè)結(jié)果的相關(guān)因素進(jìn)行分析。

（1）天氣的影響。潮濕環(huán)境下電纜的泄漏電流會(huì)增大，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，一般濕度大于70%時(shí)，泄漏電流均會(huì)隨著濕度的增大而增大。

（2）溫度的影響。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，一天中的不同時(shí)間段，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)不同的變化，在天氣晴朗的情況下，上午和下午的監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，較為穩(wěn)定；中午天氣較熱和夜間溫濕度變化時(shí)，全電流數(shù)值均會(huì)發(fā)生變小或變大的現(xiàn)象。

（3）運(yùn)行負(fù)荷的影響。在車(chē)流量較大的節(jié)假日期間，同一區(qū)段有多輛機(jī)車(chē)運(yùn)行時(shí)，由于電纜主回路的電流較大，通過(guò)感應(yīng)而產(chǎn)生的感應(yīng)電壓也增大，該感應(yīng)電壓施加在絕緣屏蔽層上，導(dǎo)致流過(guò)屏蔽層的電容電流增大，從而使全電流增大。

（4）諧波電流的影響。樞紐地區(qū)距離車(chē)站較近的供電線電纜在動(dòng)車(chē)組列車(chē)啟動(dòng)瞬間會(huì)出現(xiàn)全電流突然增大的現(xiàn)象，主要原因?yàn)閯?dòng)車(chē)組列車(chē)啟動(dòng)瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的高次諧波，由于呈容性的電纜具有高頻低阻特性，使得屏鎧層有較高的容性電流流過(guò)，全電流會(huì)增大。

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況分析

3.2.1 電纜絕緣正常時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

由于天氣、環(huán)境溫濕度、機(jī)車(chē)負(fù)荷、機(jī)車(chē)運(yùn)行產(chǎn)生高次諧波等因素可能干擾全電流的監(jiān)測(cè)結(jié)果，因此，選擇天氣晴朗，8：00—11：00或16：00—20：00時(shí)段，線路上無(wú)負(fù)荷情況下的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，作為判斷電纜運(yùn)行質(zhì)量的依據(jù)。分析發(fā)現(xiàn)，電纜長(zhǎng)度在500 m以內(nèi)時(shí)，全電流基本保持在55 mA左右；電纜長(zhǎng)度在1 km左右時(shí)，全電流一般在70 mA左右。某所10日內(nèi)的電纜在線監(jiān)測(cè)全電流統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表1。

表1 電纜在線監(jiān)測(cè)全電流統(tǒng)計(jì) mA

3.2.2 電纜接地系統(tǒng)全電流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與絕緣質(zhì)量判斷

電纜絕緣擊穿故障基本不會(huì)瞬間形成，需要經(jīng)過(guò)絕緣性能下降、不斷對(duì)外放電和發(fā)熱、加快絕緣擊穿的過(guò)程。當(dāng)電纜的主絕緣性能下降時(shí)，泄漏電流會(huì)增大，且呈非線性的趨勢(shì)增大；當(dāng)外護(hù)層受外力破壞或自身質(zhì)量問(wèn)題而使電纜絕緣性能下降時(shí)，泄漏全電流的數(shù)值也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但占總泄漏全電流的比例稍小，一般為15%～20%，該數(shù)值在電纜缺陷發(fā)生的前期一般不產(chǎn)生變化，但隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，進(jìn)入水分對(duì)電纜的主絕緣形成一定的破壞后即形成非線性遞增趨勢(shì)。基于電纜主絕緣性能下降全電流會(huì)變大的現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向比較，發(fā)現(xiàn)其數(shù)值持續(xù)變化較大時(shí)立即停電做進(jìn)一步的絕緣試驗(yàn)檢查，進(jìn)行綜合判斷，以便準(zhǔn)確判斷電纜的運(yùn)行質(zhì)量，并做好相應(yīng)的防護(hù)措施，確保電纜的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2.3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)突變時(shí)的綜合分析

由于在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)受到機(jī)車(chē)負(fù)荷和機(jī)車(chē)啟動(dòng)、運(yùn)行產(chǎn)生的高次諧波以及天氣、環(huán)境溫濕度等因素的影響，因此，在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)電流出現(xiàn)瞬間較大變化時(shí)，應(yīng)同時(shí)進(jìn)行以下幾方面的分析對(duì)比，以此作為判斷電纜運(yùn)行狀態(tài)的依據(jù)：（1）同時(shí)查看牽引所內(nèi)綜自裝置采集的線路電流值，并與日常運(yùn)行監(jiān)測(cè)的情況進(jìn)行對(duì)比；（2）查看線路上是否有機(jī)車(chē)運(yùn)行，并記錄運(yùn)行機(jī)車(chē)的型號(hào)；（3）如果是樞紐地區(qū)，還需了解當(dāng)時(shí)車(chē)站內(nèi)是否有機(jī)車(chē)；（4）查看電纜是否存在持續(xù)增大或一直保持較大的全電流值；（5）外部環(huán)境溫度及天氣是否正常。通過(guò)綜合分析后正確判斷電纜的運(yùn)行質(zhì)量。

3.3 測(cè)量數(shù)據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)用案例

2020年10月24—26日，在線監(jiān)測(cè)某所02供電單元供電線電纜時(shí)，在連續(xù)幾日無(wú)負(fù)荷的情況下發(fā)現(xiàn)采集到的全電流數(shù)據(jù)較平時(shí)電流增大15%～20%（表1），于是對(duì)電纜進(jìn)行停電試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該供電線電纜絕緣護(hù)層的絕緣電阻明顯下降，進(jìn)一步開(kāi)挖檢查發(fā)現(xiàn)該電纜被硬器破壞。

3.4 測(cè)量方法改進(jìn)設(shè)想

（1）鐵路高壓供電電纜全電流在線監(jiān)測(cè)方法實(shí)施簡(jiǎn)單、實(shí)用，但是增加了供電工區(qū)對(duì)安裝儀表的巡視工作量，如雨天電纜發(fā)生故障時(shí)不能及時(shí)巡視發(fā)現(xiàn)，同樣會(huì)導(dǎo)致故障的發(fā)生，因此需要做進(jìn)一步的改進(jìn)。可將指針式的監(jiān)測(cè)器改造為數(shù)字式，并增設(shè)報(bào)警功能，通過(guò)設(shè)定定值，使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到一定值時(shí)自動(dòng)報(bào)警，提醒車(chē)站或工區(qū)人員注意查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

（2）增加對(duì)機(jī)車(chē)運(yùn)行情況及電纜主回路中電流的同步采集和分析，以便排除干擾，增強(qiáng)電纜故障預(yù)判的準(zhǔn)確性。通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)比分析全電流與主回路電流之間的關(guān)系，并統(tǒng)計(jì)不同車(chē)型和機(jī)車(chē)負(fù)荷對(duì)全電流的影響，分析數(shù)據(jù)變化的規(guī)律，排除干擾數(shù)據(jù)，減少可能出現(xiàn)的判斷錯(cuò)誤。

4 結(jié)語(yǔ)

目前所采用的通過(guò)監(jiān)測(cè)電纜接地系統(tǒng)的泄漏全電流反映電纜運(yùn)行狀態(tài)的方法簡(jiǎn)單、實(shí)用，具有一定的推廣價(jià)值。對(duì)監(jiān)測(cè)裝置定期進(jìn)行認(rèn)真巡視，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行仔細(xì)比對(duì)，即可掌握供電電纜的狀態(tài)，對(duì)可能存在問(wèn)題的電纜及時(shí)進(jìn)行處理，避免因高壓電纜故障造成供電故障，提高鐵路供電安全穩(wěn)定性。