[2019太原轨道交通]干货 | 广州地铁供电系统在线监测应用浅析

 近年来，我国轨道交通建设如火如荼，地铁作为城市交通的大动脉，在城市公共交通中的骨干作用日益凸显。根据轨道交通协会发布的统计数据，截至2018年底，中国内地累计有35个城市建成投运城轨交通线路，里程已达5766.6公里。随着地铁运营规模的扩大，设备总量、运维人员数量和维修成本与日剧增，同时乘客对地铁的服务需求不断提高。如何进一步提高设备可靠性，降低故障率以及故障影响，减少运维成本，已成为业界关注重点。

     目前，地铁供电系统设备普遍采用计划修（定期试验和维修）的维修模式,无法实时掌握设备运行状态以及关键参数指标变化，对故障的预见性不足，维修针对性不强，一定程度上可能存在人力物力的浪费。状态修以设备当前的实际性能为依据对检修时机进行决策， 相比计划修，提高了对检修时机把握的精确性[1]，缩短停电检修时间，可实现维修资源的精准投放。本文以广州地铁某变电所开展的智能运维案例为切入点进行分析。   一、在线监测系统的目标与定位   状态修是个系统工程，不能一蹴而就，而收集和判断设备的实际性能是第一步骤。在线监测系统应定位为服务于供电设备的全寿命周期管理工作，助力实现状态修的最终目标，综合考虑既有供电设备维护管理方式，电力监控（SCADA）系统的覆盖情况找到设备状态指标的关键点、缺失点进行监测。监测数据一方面是SCADA系统实时报警功能的补充，更重要的是通过大量监测数据的分析得出设备的指标数据，进而进行状态诊断，做出预警关注、提示维修、警示抢修、标志报废等工作指导。 二、整体技术思路 2.1地铁供电系统的基本组成   地铁供电系统一般由外部电源、主变电所、牵引供电系统、动力照明供电系统组成。较为常见的集中供电方式如图1所示，主变电所接受城市电网110kV电压等级的电源，降压后以中压33kV供给牵引/降压变电所；牵引变电所从主变电所获得电能，经过降压和整流变成电动列车牵引所需要的DC1500V直流电；降压变电所从主变电所获得电能并降压变成0.4kV低压交流电，供给环控、照明、办公等低压负荷。典型的供电回路示意图如图1所示 三、关键设备监测方案   3.1变压器     主变电所通常采用110kV油浸式变压器（以下简称“油变”），变电所内的牵引或动力变压器通常采用环氧树脂浇注的干式变压器（以下简称“干变”）。     油变的结构比较复杂，但应用的历史比较久，在电力行业中也开展了较多的在线监测工作，因此其在线监测方案比较成熟。本次主要开展了油色谱分析、油中微水含量测试、铁芯（含夹件）接地电流在线监测以及局放监测。干变结构相对简单，本次重点针对其绝缘、噪音以及负荷压力等问题开展了局放、温度、噪声和电流在线监测。     采用变压器色谱在线监测系统，基于色谱分析原理，实现对变压器油中甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、氢气、一氧化碳、二氧化碳七种气体组分及总烃含量全检测，实现对变压器内部运行状态的在线监控和潜伏性故障预判；采用在线微水监测技术，利用变压器油中油和水的介电常数不同，不同含水率对应着不同的介电常数值，通过检测电容的变化量，可以推算出水的含量，进而监控变压器绝缘状况。通过对铁心接地电流连续、实时的监测，可及时发现内部绝缘受潮或受损。      通过在铁芯接地线和中性线上设置高频电流传感器，对变压器内可能产生的局部放电进行监测。     对于干变采用红外成像仪对其运行中的温度进行带电检测，采用声音传感器对变压器运行中的噪音进行带电检测。对空载电流和负荷电流进行实时监测，反映变压器空载损耗和三相负荷平衡性。   3.2交流开关柜   交流开关柜主要包括110 kVGIS、33kVGIS和0.4kV开关柜。针对断路器特性以及绝缘开展，此外针对GIS设备结构特点开展SF6气体、避雷器状态监测，0.4 kV开关柜温度监测。   3.2.1 断路器特性监测     采用高精度电流传感器监测分合闸线圈电流波形、计算分合闸时间，监测储能电机电流，采用霍尔电压传感器监测储能电机电压，采用位移传感器监测触头动作行程，形成断路器机构动作参数记录，同时对断路器动作时的主回路电流、电压进行录波，进而形成对断路器机构、灭弧介质的综合功效的评价。   3.2.2 局部放电     当设备产生局部放电时，气体击穿过程和击穿时间很快，放电电流波形中存在超高频信号，同时，设备内部出现的局部放电将会伴随产生超声波信号。可采用超高频和超声波技术对110 kVGIS局放进行监测。       33kVGIS由于工作电压低，局放信号更难以捕捉，可采用暂态地电波（TEV）技术监测其内部放电情况。   3.2.3 SF6气体监测     采用微水密度在线监测装置对SF6气体状态进行在线监测。装置内置温度、压力、露点三种传感器，用于对GIS等充气设备的气体状态进行现场数据采集。   3.2.4 避雷器监测     在线监测金属氧化物避雷器的全电流，通过对全电流和阻性电流的分析确定避雷器的绝缘状态。   3.2.5 温度监测     低压开关柜，由于大电流的工作特点，质量事故中发热、烧损等故障比较常见。故采用温度监测技术，对设备内的关键节点（如线缆接驳点、母排连接处等）的温升进行实时监测，可及时发现异常温升，从而提前发现和消除故障隐患。   3.3电缆    对于110kV、33kV及1500V电缆主要采用电缆本体温度监测。110kV、33kV电缆试点对电缆接头处进行局放监测，但故障几率极低，监测效果难以评价。   3.4直流开关设备    直流开关设备配置断路器特性以及开关柜温度在线监测（原理与交流开关柜类似，不再赘述），另结合直流开关柜的安装特点，开展了框架绝缘监测研究。     直流牵引系统的正、负极开关柜均需对地绝缘安装，所有设备框架外壳通过一条接地线进行单点接地，直流设备框架泄漏电流通过该点接地。框架绝缘监测装置即在该处装设电流传感器（见图4），实时监测泄漏电流量，弥补既有框架保护仅通过泄漏电流阀值触发继电器的不足，实现历史数据采集和提前预警。