鐵路變電所外27.5kV在線電流監測開關裝置的研究

俞慶國 中國鐵路上海局集團有限公司杭州供電段

目前，國內外電氣化鐵道牽引供電系統中的隔離開關只起到普通的電氣分段功能，通過設置隔離開關進行接觸網分束供電時，未設置電流互感器采集監測設備，無法采集隔離開關的遙測量，接觸網上也沒有其它監測手段，當接觸網發生故障時，無法通過接觸網自身或分束隔離開關和牽引變電所故障點標定裝置配合確定故障點位置，嚴重影響了事故搶修時間。研究一套帶電流互感器的接觸網隔離開關，能滿足快速判斷故障的要求，并通過檢測到的故障方向與牽引變電所故障點標定裝置相配合，實現快速判斷故障點位置，提高應急處置的效率。

1 既有故障測距裝置現狀分析

目前，接觸網發生故障時，為了確定故障點位置，在牽引變電所內設置故障測距裝置，故障測距裝置是一種根據故障特征迅速準確地測定故障點的自動裝置。該裝置通過計算故障點距牽引變電所的距離確定故障點位置，對永久性故障，幫助及時搶修故障；對瞬時性故障，幫助找到故障點并分析故障發生的原因，避免發展成永久性故障。

對于接觸網多分支線路，大型樞紐及多股道的車站，故障測距裝置給出的故障點位置是一個故障點至牽引所亭的距離長度，并不能確定故障點在哪一個分支或者股道，必需通過人工現場排查才能最終確定故障點位置，嚴重影響了事故搶修效率，不能滿足快速搶修要求，給鐵路運輸造成一定的損失。

2 戶外27.5 kV在線電流監測開關裝置

2.1 研究思路

接觸網線路上無其他監測手段，考慮到現有的接觸網上網（或分束）開關僅具備遠動功能，實現遙控及遙信功能，無法采集一次回路遙測量，隔離開關無電流互感器或電壓互感器等監測設備，研究一種接觸網隔離開關，可以采集一次電流值，且滿足故障方向判斷要求的開關裝置是必要的。安裝集電流互感器、隔離開關于一體的監測開關，取代普通網上隔離開關，通過電流互感器取流情況實現故障區域、方向的判別，給故障測距系統提供輔助判別功能，同時實現遠程快速分合操作，化小區間單元，滿足應急處置要求。

2.2 在線電流監測開關裝置研究難點

戶外27.5 kV在線電流監測裝置主要技術難點：

（1）采用環氧樹脂自動壓力凝膠工藝（APG）一次澆注成固封極柱式電流互感器。

（2）并將隔離開關動觸頭作為模塊化電器的一個部件，實現模塊化電器高度集成。

（3）在線電流監測裝置集成干式電流互感器、隔離開關、避雷器、操作控制箱，形成一個整體設備。

（4）電流互感器實時監測電流，RTU實時接收，儲存數據，報警功能，實現同步實時、高效率等特點。

（5）電源系統和測控系統滿足戶外防護要求，并具備溫濕度自適應調節功能，提高設備運行安全可靠性。同時，根據接觸網專業設備布置要求，安裝在接觸網支柱位于同一縱軸線、滿足側面限界要求，布置安裝該設備滿足牽引供電系統工藝標準。即可實時監測，還不降低牽引供電系統的可靠性、靈活性，其技術性、經濟性、社會性較高。

3 戶外27.5 kV在線電流監測開關裝置總體技術方案

3.1 技術方案

戶外27.5 kV在線電流監測開關裝置包括主體模塊和外設模塊；主體模塊包括隔離開關、電動操作機構箱、電流互感器、避雷器，外設模塊包括支撐架等。

3.1.1接觸網27.5 kV遠動隔離開關本體（圖1）

圖1 接觸網27.5 kV遠動隔離開關本體圖

27.5 kV電動隔離開關適用于智能模塊化電器上網模塊，全線單相50 Hz、25 kV交流電氣化鐵路接觸網上網模塊(上網/分束)處。隔離開關動靜觸頭與電流互感器連為一體，具有高可靠性、免維護性、小型化特點。

3.1.2 電動操作機構箱

隔離開關的操動機構，采用智能電動控制器操控。能實現當地電動和手動操作，通過光纖接入牽引遠動系統，實現遠方分合閘操作。設備充分考慮操作電壓的波動、可滿足交流85 V～265 V，直流110 V～370 V供電電壓輸入，電機控制采用自整定設計，在全電壓范圍內自動調整輸出保證電機工作在額定范圍內，保證隔離開關可靠合閘與分閘，其動作時間均不得大于8 s。

電動操作機構具有結構簡單、功能可靠、體積小、重量輕、噪音低、故障率低、安裝維護簡單等優點。

電動操作機構箱配有搖把，可以實現手動、電動以及遠動操作隔離開關的作用。電操機構原理圖如圖2。

圖2 電操機構原理圖

3.1.3 RTU遠動終端（圖3）

圖3 RTU遠動終端圖

RTU遠動終端是一種多功能測控裝置，針對27.5 kV饋線的電壓、電流等進行實時監控功能而設計。裝置選用高性能MCU為通信主CPU，具有交流采樣測量、開關量輸入、控制輸出及網絡通信等功能，可廣泛應用于電氣化鐵路牽引變電站及各種電壓等級電力變電站、配電所、戶外箱變、柱上開關等。

每個監控單元負責一臺接觸網電動隔離開關的監控。各個監控單元通過光電纜與通信管理單元構成本地網絡。監控單元具備隔離開關控制和電機驅動電路，通過電纜直接與隔離開關操動機構連接，實現隔離開關的合分閘操作和位置監視功能。監控單元自帶時鐘模塊，接收通信管理單元定時下發的對時指令并校準時鐘；時鐘模塊設有故障告警功能，即該模塊損壞或者監控單元收不到對時指令時，提示校時異常。

3.1.4 電流互感器（圖4）

圖4 電流互感器圖

LZZW4-27.5Q型電流互感器采用環氧樹脂與硅橡膠復合絕緣的全封閉支柱式結構，適用于額定電壓為27.5 kV及以下，額定頻率為50 Hz或60 Hz的戶外電力系統中作電流測量、電能計量和繼電保護使用。

該裝置外部采用高溫硫化硅橡膠材料，采用防雨傘型設計，形成自立式結構使表面不會出現積水情況。硅橡膠具有良好的憎水性，大大地提高了污閃電壓，能有效地防止污閃故障的發生，且具有抗老化和耐漏電起痕性能，電蝕損性能達到國標最高級的1 A 6.0級,可以連續承受污閃電壓。產品具有耐機械沖擊能力強、不易損壞、維護周期長等特點。

3.2 工作原理

3.2.1 戶外27.5 kV在線電流監測開關裝置系統結構

戶外27.5 kV在線電流監測開關裝置系統結構如圖5。

圖5 戶外27.5 kV在線電流監測開關裝置系統結構

戶外27.5 kV在線電流監測裝置系列產品包括構架支撐安裝平臺、電流互感器、隔離開關和開關操作箱，其中隔離開關起到分合閘的作用，滿足電氣化鐵道供電功能；電流互感器實時監測電流數值，反饋給遠動終端；在線電流監測開關裝置可取代普通上網、分束或越區隔離開關，并具有判斷故障功能。

3.2.2 戶外27.5 kV在線電流監測開關裝置系統原理（圖6）

圖6 戶外27.5 kV在線電流監測開關裝置流程圖

4 戶外27.5kV在線電流監測開關裝置應用

通過在既有的分支線路絕緣關節處安裝戶外27.5 kV在線電流監測開關裝置。同步更新SCADA系統后臺界面，界面4005隔開新增電流遙測數據值，如圖7，新增的電流互感器將通過的電流變比轉化，通過RTU采集并將數據傳至所內后臺，可以設置曲線圖（直觀顯示波動）與數據圖8（方便導出分析）2種類型，并將數據實時上傳供電調度主站，在復示系統上可以顯示。當接觸網發生故障跳閘時，搶修人員可以通過復示系統查詢故障時的電流值，用來判斷故障發生的方向，再配合牽引所內故障測距裝置來準確的查出故障點，大大的節省了故障查找的時間，提高了搶修的效率，平時也可以通過電流情況，對可能發生的故障有一個提前研判，做好預防性處理，減少故障的發生，該裝置在實際運行過程中取得了較好的應用價值。

圖7 SCADA后臺界面

圖8 電流數據表

5 結語

改變互感器和隔離開關的傳統使用概念，形成將固封極柱形式的干式電流互感器與隔離開關動靜觸頭集成于一體，作為一個整體使用的新型理念。在此基礎上完成戶外27.5 kV在線電流監測開關裝置的研發工作。戶外27.5 kV在線電流監測開關裝置能夠實現故障方向判斷、故障點精確定位，可節省大量故障搶修時間，提高了供電可靠性，最大可能的降低對運輸的影響，將為鐵路系統帶來一定的經濟效益及社會效益。