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高铁高压电缆泄漏电流在线监测系统研究

时间:2017-03-03 16:08来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是电力工程论文,本文在阅读国内外大量参考文献的基础上,以目前已有的相关研究成果为基础,通过理论推导、仿真验证和现场测试试验相结合的方法。
第一章  绪  论 
 
1.1  引言 
高铁高压电缆在牵引供电系统中起着电能传输的重要作用。由于铁道供电的可靠性关乎旅客的生命财产安全,因此对供电系统的可靠性有着极高的要求。由于电缆采用埋地敷设的运行方式,受外界自然环境影响较小,安全系数比架空裸导线要高;因此对于提高供电的可靠性有着重要意义。而且为了进一步提高供电的可靠性,铁道供电采用同相多根电缆并联运行的方式,相比单根电缆供电,这样的供电方式安全系数更高[1,2]。 但是电缆投入运行之后,由于受到多种复杂环境因素的影响,其绝缘材料会逐渐发生老化降解现象;过往机车、雷击或开关投切引起的大冲击电流会对绝缘层造成损伤;运行过程中也难免受到外界力量的破坏;电缆在制造过程当中可能会存在一些制造工艺缺陷,随着运行时间的增长,这些缺陷会逐渐暴露出来。 由于电缆埋于地下,其故障具有隐蔽性,因此给电缆故障排查工作带来极大的困难,特别是在遇到恶劣天气的环境下,会给人工巡检工作打来不便;而且由于采用同相多根并联运行方式,使得敷设在同一地点的电缆根数成倍增多,这也会给故障电缆排查工作带来困难。电缆一旦发生故障,如果不快速切除,将严重威胁列车的安全运行[3-6]。 
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1.2  电缆故障在线检测的目的和意义 
从牵引所到接触网之间的供电线路,普速铁路一般采用敷设架空线路的方式,而高速铁路一般采用敷设埋地电缆的传输方式,其中京沪高速铁路就采用全线电缆传输方式[7]。相对于架空裸导线来说,由于电缆采用电缆沟或直埋的敷设方式,同时有绝缘护层、金属护层和外护套等多重保护,所以绝缘性能良好,机械强度较大,受外界环境影响较小,极大地提高了牵引供电的可靠性。电缆的规格型号多种多样,有单芯或多芯电缆,有铠装或无铠装电缆等,普通电力系统供电一般采用 3 芯电缆进行 3 相传输,其发生相间短路的情况较多;而高铁供电系统由于是单相供电,同时也为了进一步提高供电的可靠性,通常采用单芯电缆供电,而且其铠装材料一般采用非铁磁材料制成,防止铠装层产生涡流导致发热,这极大地避免各电缆之间出现击穿短路的情况。同时铁路牵引负荷属于移动型负荷,其幅值变化范围较大,变动也较为频繁,同时与普速铁路相比,高铁牵引负荷更大,短时集中负荷特征明显,对牵引网的供电能力要求高[8]。所以为了能够保证牵引负荷所需要的大容量传输要求,铁路供电采用同相多根电缆并联运行的方式,这样不仅保证了较高的传输容量,而且也提高了供电可靠性。 但是随着越来越多的埋地电缆投入运行,不可避免的会出现电缆发生故障的事故。对于故障产生的原因和故障的表现形式是多种多样的,有逐渐形成的也有突然发生的,有单一型故障也有复合型故障。
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第二章  电缆泄漏电流在线监测相关理论与仿真研究 
 
2.1  引言 
通过第一章对目前电缆故障检测方法的整体介绍,可以将现有的检测方法分为两大类:绝缘整体老化故障检测法与局部故障检测法。局部故障检测方法依照电缆局部破损或电缆中间接线盒故障产生的放电信号或声音信号来达成检测,如局部放电法;整体检测法是依据电缆绝缘层发生水数枝老化后所表现出来的整体故障特性来实现检测,如在线 tanδ 法、接地线电流法和直流成分法等。电缆绝缘层可以等效为电阻与电容的并联电路,在电缆通电运行的过程当中,会有电流流进电缆的主绝缘层,伴随着水数枝老化,主绝缘会表现出等效电阻减小,等效电容增大的趋势。这使得介质损耗角 tanδ 也会逐渐增大,在线 tanδ检测法就是依据 tanδ 的变化趋势来进行检测的。在绝缘劣化的过程当中流过主绝缘的泄漏电流dI 也有增大的趋势,其中dI 的大部分电流以电缆的金属护层为通道流向大地,在排除电缆护层环流干扰的情况下,也可以通过接地线电流的整体变化趋势来作为电缆绝缘发生老化的依据。 然而这些方法对于电气化铁道供电电缆故障检测来说,实现起来不仅困难而且存在缺陷。究其原因,铁路牵引供电系统存在大量的机车谐波干扰,而且机车属于“流动型负荷”,在供电臂上有无机车运行系统工况存在很大的差异。当机车进入牵引所的供电范围后会有大量的机车谐波干扰注入牵引供电系统当中,使得系统当中含有很多干扰信号[29,30]。这样对于局部故障检测法来说,采集到的局部故障脉冲信号会含有大量的干扰信号,而且可能会出现有用信号被干扰信号湮没的情况,区分起来比较困难。而对于接地线电流法来说,机车谐波干扰会使得接地线电流中出现大量的谐波干扰,而且在护层形成环流的情况下,接地线电流中除了存在流经主绝缘的泄漏电流以外还存在感应环流,区分起来比较困难,单纯的依据接地线电流的增大趋势难以判断出故障电缆。而对于在线 tanδ 法来说,电缆绝缘 tanδ 的工频值很小,容易受到外界的干扰,对于检测设备有着严苛的要求也不易实现。 
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2.2  现场供电方式介绍 
近年来由于电力牵引负荷密度不断加大,对牵引所的供电能力提出了更高的要求,由此同相多根并联电缆开始大规模投入运行,成为牵引变压器与接触网之间的能量传输媒介。并联电缆的使用不但提高了牵引回路的输电能力,使得载流量大大提高,而且减少牵引所的扩建规模,节约成本。本节以某高铁车间牵引供电系统为背景,对现场并联运行电缆供电方式进行介绍。现场供电示意图如图 2-2 所示。目前我国机车供电方式主要有直接供电方式、带回流线的直接供电方式、BT 供电方式、CC 供电方式和 AT 供电方式,现场就采用 AT 供电方式(Auto-Transformer),又称为自耦变压器供电方式,如图2-3(a)所示,牵引变压器将 220 k V 电网电压转换为 55 k V 或 2× 27.5 k V 电压,用来给接触网供电。AT 线圈的两端分别接接触线(C 线)与正馈线(F 线),中间抽头与钢轨连接,在接触网中每隔 10~15 km 就要设置一台 AT[32]。 
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第三章   基于 EMD 的小波阈值滤波算法研究 ......... 56 
3.1   现场干扰信号类型特点 ........ 56 
3.2   EMD 相关理论介绍 ..... 57 
3.2.1   相关概念 ....... 57 
3.2.2   EMD 算法实现过程 ....... 59 
3.2.3   端点问题解决 ........ 61 
3.3   滤波方法比较 ...... 63 
3.4   本章小结 ..... 73 
第四章   在线监测系统软硬件研制 .......... 74 
4.1   系统总体设计方案 ....... 74 
4.2   硬件电路的设计 ........... 75 
4.2.1   各模块的选型 ........ 76 
4.2.2   初级调理电路设计 ......... 76 
4.2.3   网口通信接口 ........ 78 
4.3   软件系统设计 ...... 79
4.4   现场测试试验结论 ....... 85 
4.5   本章小结 ..... 86 
第五章   结论与展望 ....... 78 
5.1   结论 .... 87 
5.2   展望 .... 88  
 
第四章  在线监测系统软硬件研制 
 
要想实现电缆绝缘故障在线检测,必须采用一定的技术手段获取电缆的绝缘信息。基于此,本章节根据目前已有的研究成果以及以上章节关于电缆泄漏电流在线检测法的研究,研制一套电缆绝缘故障在线检测的设备。包括硬件与软件功能实现,硬件主要包括前端采集传输系统的设计和各个功能模块的选型,软件功能主要包括上位机监测界面的设计、采集通信软件的编写和数据库的制作。 
 
4.1  系统总体设计方案 
系统的设计采用分布式并行采集与处理技术,通过在不同的监测点安装相应的传感器装置和数据采集传输模块;再把不同通道的数据汇总到监测终端;最后由监测终端内集成的算法单元对这些数据进行处理,得出电缆绝缘信息,对电缆当前绝缘状况给出综合评价,并将结果存入数据库。系统总体运行框图如图 4-1 所示,主要包括 3 个单元:采用开口式电流传感器对每根电缆首端和尾端的电流进行采集。传感器采用钳型柔性电流传感器,和一次侧无直接的电气连接,使得测量回路不会对原始系统造成影响。采集到的电流统一转化为峰值在 2 V 以内的电压信号,并交由前端采集系统处理。前端采集系统由两部分组成:初级调理电路和 MCU 采集传输单元。前端采集电路主要对信号做进一步的调理,主要包括“幅值抬高和压缩”运算,将信号调理为 MCU 可以采集的电压信号。MCU 采集传输单元首先对信号进行采样,将模拟信号转化为数字信号,并对该数字信号进行压缩编组打包,最终用 MCU驱动的以太网模块将数据包发送至监测终端。 
......
 
结论 
 
本文以高铁牵引所并联运行电缆为研究对象,以 Visual  Studio  2010 软件为开发平台,对电缆绝缘老化故障进行在线监测研究,研究主要得出以下结论:     
(1)针对单根电缆老化过程中泄漏电流进行理论分析;由电磁波在电缆中的传播理论可知,50 Hz 泄漏电流成分的波长约为 6000 km,远大于电缆本身长度,因此采用集中参数电路来等效建模是合理的。绝缘材料可以等效为电阻与电容的并联电路,老化过程当中,其等效电阻逐渐减小,等效电容逐渐增大,使得泄漏电流呈增大的趋势。其中在绝缘劣化的早期,泄漏电流中主要为容性成分,阻性分量很小,而在绝缘劣化击穿的后期,两种分量都占有一定的比重。因此可以根据电缆运行过程当中泄漏电流的增大趋势来判断电缆绝缘状况。本文通过实时检测电缆首尾端电流,以二者的差值计算出电缆泄漏电流,这样无论是整体老化故障还是局部破损故障,都可以通过泄漏电流反映出来,适用范围广。劣化过程当中,首尾端电流相位差也会逐渐增大,因此实际检测时,还必须对首尾端电流进行相位校正,以计算出合理的泄漏电流值。由于泄漏电流当中含有很多高频干扰,所以必须进行滤波处理。      
(2)针对三根并联运行电缆电流分配不均、护套环流和感应电压等进行理论分析;由于电缆本身具有自阻抗,运行过程当中由于邻近效应的影响还会形成互阻抗。研究表明,互阻抗的大小与电缆之间空间相对位置密切相关,而实际上不能保证同一电缆沟内所有电缆空间相对位置达到完美匹配,因此导致各电缆之间的总等效阻抗互不相同,由此产生同相多根并联运行电缆的载流不按照电缆根数对该相电流进行均分,形成电流分配不均现象。在这种情况下,载流最大的电缆可能会由于发热严重而率先出现故障。同时由于电缆线芯与护层可以看成是变压器的初级绕组与次级绕组,因此在运行过程当中会在护层上形成感应电压。当感应电压达到使护层保护器动作的值时,就会在护层上形成感应环流。由于邻近效应的影响,护层环流与感应电压的大小也与电缆的空间相对位置密切相关。环流与感应电压的存在会使电缆发热,限制电缆载流。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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