城市軌道交通供電智能運維系統研究

郭昇彥

（福州地鐵集團有限公司，福州 350000）

智能運維技術在軌道交通領域具有廣闊的市場發展前景，相關制造行業逐漸形成了市場和服務價值高于制造的理念，隨著智能傳感器、大數據和人工智能等技術的發展，城市軌道交通供電系統智能運維系統應用范圍將不斷擴大。本文以運維需求為導向，研究包括110 kV GIS、油浸式變壓器、35 kV GIS、DC1500 V 開關柜、干式變壓器和整流器等關鍵設備的監測方案，提出了一種搭建城市軌道交通牽引供電系統智能運維系統硬件和軟件系統的方法，有助于提高城軌供電設備的運營安全性，降低故障風險，實現智能運維。

1 監測方案研究

1.1 110 kV GIS

SF6密度微水在線監測系統能夠在線監測SF6氣體壓力、微水、密度、溫度和露點等數據，同時能夠監測SF6泄漏故障和微水含量超限故障；UHF 特高頻局放在線監測系統能在線監測GIS 各氣室內部局部放電信號的幅值、相位、放電次數等數據，及時發現內部局部放電故障；避雷器在線監測系統能夠在線監測避雷器泄漏電流、阻性電流、雷擊次數等數據，及時發現避雷器受潮和老化故障；斷路器分合閘監測系統監測分合閘次數、時間、電流等，用于預測分合閘機構的健康狀態。推薦110 kV GIS 監測系統由以上4 個部分組成，同時在線監測系統可融合綜合監控部分監測數據，共同實現110 kV GIS 設備的在線監測功能。

1.2 油浸式變壓器

油浸式變壓器在線監測系統由高頻電流傳感器系統、溫度傳感器系統、油色譜分析儀系統3 個部分構成，油浸式變壓器在線監測系統組成如圖1 所示。油浸式變壓器的故障診斷主要根據油色譜分析結果確定，高頻電流傳感器的監測結果起輔助支持作用。油色譜分析方法主要用于分析變壓器內部的長期故障，對變壓器整體的健康狀況有良好的反映，故障類型覆蓋全面；高頻電流傳感器系統主要用于分析變壓器內部的放電故障，能夠對變壓器內部的絕緣受損情況作出更詳細的判斷，反應速度快，正好補足了油色譜分析方法反應較慢的缺點。兩者的故障分析結果相互支持，高頻電流傳感的分析結果正好能解釋放電導致的特征氣體的產生。油色譜的分析結果作為變壓器故障判斷的主要依據，對變壓器的運行狀況作出詳細判斷，為運營維修提供指導性的建議。

圖1 油浸式變壓器在線監測系統

1.3 35 kV GIS

UHF 特高頻局放在線監測系統能在線監測GIS各氣室內部局部放電信號的幅值、相位、放電次數等數據，及時發現內部局部放電故障；斷路器分合閘監測系統監測分合閘次數、時間、電流等，用于預測分合閘機構的健康狀態。35 kV GIS 在線監測系統可同時融合綜合監控部分狀態數據和故障數據，共同實現35 kV GIS設備的在線監測功能，35 kV GIS 在線監測系統構成如圖2 所示。

圖2 35 kV GIS 在線監測系統

1.4 DC1500 V 開關柜

在直流開關設備中，由于電力電纜接頭絕緣材料不好、接觸電阻過大或制作工藝不達標等原因，會引起電纜接頭溫度升高甚至擊穿。通過在一次電纜接頭和直流斷路器手車靜觸頭處安裝智能傳感器，對其溫度進行測量并傳送至運維管理系統，對這些關鍵節點的運行狀態進行分析評估，有效預防電氣故障，保障設備運行安全。直流斷路器機械特性在線測量的難點在于沒有特定的位移或角度傳感器時，無法在線獲取斷路器的合閘響應時間，也無法獲取斷路器在分合閘操作過程中的觸頭從合（分）位運動到分（合）位的時間。因此基于上述判據，對斷路器機械特性的部分參數做些離線測量并作為固定參數來修正，則在線測量可較為準確地反映斷路器的機械特性。針對直流斷路器而言，基于電壽命試驗獲得的數據更能真實反映實際壽命曲線，同時加入極限短路試驗的數據做修正，可獲得較為準確的預期電壽命次數或壽命百分比。DC1500 V 開關柜在線監測系統由溫度在線監測系統與斷路器分合閘監測系統（監測分合閘次數、時間、電流等，用于預測分合閘機構的健康狀態）2 個部分構成。DC1500 V 開關柜溫度在線監測系統組成如圖3 所示。

1.5 干式變壓器

干式變壓器系統由局放傳感器系統、溫度傳感器系統、振動傳感器系統組成。故障診斷主要根據超高頻電流傳感器（UHF）的監測結果確定，振動傳感器的監測結果起輔助支持作用。干式變壓器在線監測系統組成如圖4 所示。UHF 分析方法主要用于分析變壓器內部的放電故障，對變壓器內部的絕緣受損情況作出更詳細的判斷，多個UHF 傳感器還可以為對局放位置提供指導。振動傳感器主要用于判斷變壓器的長期性故障，尤其是機械性故障。兩者的故障分析結果相互支持，對變壓器的運行狀況做出詳細判斷，為運營維修提供指導性的建議。

圖4 干式變壓器在線監測系統

1.6 整流器

整流器測溫系統是由溫度傳感器、主機、后臺軟件組成，可以采集并輸出溫度信號。整流器測溫系統組成如圖5 所示。

圖5 整流器測溫系統

2 架構設計

針對城市軌道交通供電系統的關鍵供電設備進行了常見故障及檢測方案研究，統計了城市軌道交通供電系統智能運維系統監測系統功能見表1。

智能運維系統的數據采集來源共分為2 大類，一是來自添加傳感器的數據采集，二是從PSCADA 獲取的設備信息。每個站需要接入的系統數據包括PSCADA 以及新增傳感器的信息。對以上部分進行故障診斷與壽命預測所需數據分2 類，快速數據和慢速數據。系統硬件網絡架構圖如圖6 所示。

3 結束語

本文以研究適用于城市軌道交通供電系統的智能運維系統為目的，以運維需求為導向，對關鍵設備包括油浸式和干式變壓器、中低壓開關柜、直流開關柜和整流器等的檢測方案進行了研究分析，并根據分析情況搭建了城市軌道交通供電智能運維系統架構，實現設備在線監測、故障預警及隱患排查、故障快速診斷、故障分析指導和全生命周期健康評估及壽命預測等系統功能。