城市轨道交通直流牵引线路漏电流监测理论与实践研究

城市轨道交通直流牵引线路漏电流监测理论与实践研究

徐钦炜

广州地铁集团有限公司

摘要：城市轨道交通直流牵引线路承担着为机车直接供电的功能，对车辆的正常运行起着直接、关键的作用，直接影响着车辆以及乘客的安全。目前，对直流牵引线路的监测还较少，主要靠继保实现，但连续、微小电流的监测还未实践。本文以城市轨道交通直流牵引线路为对象，研究了通过持续监测直流牵引线路的泄漏电流，来实时监测直流牵引线路的状态，并阐述了在广州地铁的实践。

关键词：城市轨道交通；直流牵引；泄漏电流

一、引言

地铁直流牵引供电系统中，直流牵引线路是地铁车辆牵引动力能源的唯一的重要通路。地铁变电所及车站配置有专用的直流1500V电房，1500V电房的直流设备柜体内设有直流断路器，地铁车辆的负荷电流通常有几百安培，因此，直流牵引线路通常使用3根400mm2电缆进行敷设，直流牵引线路以直流断路器为起点，经过电缆层及专用电缆通道敷设后到达接触网的隔离开关，再从隔离开关的出线端连接到接触网架空线或者刚性导线。通常柔性接触网为架空线，安装于地面上；刚性接触网为刚性导线，安装于隧道管壁。接触网通过陶瓷绝缘子与安装支柱绝缘。

图1直流牵引供电系统示意图

由上述可知，直流牵引线路是一种大容量的专用、复杂、多环节设施，对于直流1500V电能的输送极其重要。在实际运行中，可能存在电缆、通道设施及接触网绝缘子的缺陷，以及施工、安装、维护检修过程中的伤害，造成直流牵引线路的绝缘性能下降，从而在线路上或者绝缘子处出现泄漏电流。当情况较严重时可能发生短路、线路及绝缘子烧损的事故。若采用监测手段对直流牵引线路的漏电流进行监测，提前发出报警和采取措施，就可以避免事故的发生。

目前，直流牵引系统的保护完全依靠直流继保实现，但直流继保的主要功能是联跳功能，没有漏电流监测的专用功能，因此，需要更高精度和合适量程的专用装置用于直流牵引线路漏电流的监测，以实现提前报警和保护。

二、城市轨道交通直流牵引线路漏电流监测实践

广州地铁联合广州白云电器设备股份有限公司在广州地铁望岗车辆段牵引变电所开展了直流牵引线路泄漏电流监测的实践。自主开发了全新的直流牵引线路泄漏电流在线监测装置，该装置具备实时微小电流监测和数据上传功能，通过实时监测直流牵引线路漏电流，实现以下目的：一是判断直流牵引线路绝缘状态；二是通过大量的直流牵引线路绝缘状态数据形成历史曲线、显示绝缘状态的变化规律。

1、项目实施方案

依据直流牵引系统泄漏电流测量原理，研究开发高精度的测量元件，通过大量的测试实验验证其测量精度、量程、可靠性等，以可靠的通信方式实现数据的实时采集，应用数据库技术及软件开发实现状态评估及预警。因此，本项目在嘉禾望岗车辆段牵引变电所内的试车线牵引电缆线路安装监测装置，在试车线馈线柜内的三根直流牵引电缆上穿心安装3个电流传感器，当试车线无车辆运行时，就可以监测泄漏电流，虽然地铁站有行车信号，但对于整个车辆段并无行车信号，可以通过接入PSACADA的对应开关柜的负荷电流进行分析得出线上是否有车。

磁调制电流传感器将实时测量的泄漏电流转化为4-20mA模拟量信号输出；通过测控单元的模拟量输入端口，接收由传感器输入的4-20mA信号，经测控单元内部的A/D电路转化为数字量信号，再经过CPU进行处理后进行显示，以及相关逻辑出口的控制，同时通过测控单元的RS485端口传送至后台显示分析，判断绝缘故障状态，实现提前预警和报警功能。

2、系统组成及功能

直流牵引线路漏电流监测装置主要由以下几个部分组成：磁调制电流传感器、直流牵引线路漏电流监测箱、串口服务器、交换机、上位机及软件等。其中监测箱主要包括测控单元及传感器电源变送模块，供电电源为AC220V，由电缆层现有的AC220V电源箱提供电源。

主要部件设计如下：

1）磁调制电流传感器为3个独立的电流传感器，量程为0~1A及精度为1mA。用于测量3根直流牵引电缆的泄漏电流。传感器闭环形式，孔径60mm，预先穿好在直流牵引电缆上。

2）设计一套直流牵引线路漏电流监测箱，供电电源AC220V，壁挂安装，安装位置在电缆层的接地电缆附近。箱内主要包括：1）传感器电源及变送模块，由传感器供电电源、信号调理模块组成，将传感器的电流值转换为标准的0~20mA模拟量信号，通过磁调制措施解决了零漂，以完善的抗干扰电路保证了信号采集的可靠性和准确性。2）测控单元，其CPU时钟周期15nS，具有3个模拟量输入通道，其A/D转换芯片分辨率为14位，接收传感器0~20mA模拟量输入信号，经过A/D转换和CPU处理后，以标准的ModbusRtu协议通过RS485串口进行通信。3）串口服务器实现串口数据的透传。

3）实时数据库上位机上运行OPC软件Kepserver，OPC软件作为主站扫描虚拟串口上的Modbus从站测控单元，扫描周期为60秒，收到从站响应发回的报文数据，将报文中的泄漏电流的实时值存储在实时数据库的寄存器。下一次读取的泄漏电流的实时值与实时库寄存器中的数值进行比较，若相同则不更新，若改变则更新寄存器。监控画面显示牵引线路泄漏电流实时值，依据不同的阀值显示不同的状态报警。

4）交换机实现各个网络设备的数据交换，包括串口服务器与PC，服务器PC之间及服务器PC与客户端PC之间。

三、总结

通过在实际运行的地铁线路上安装直流牵引线路泄漏电流监测装置，实现了对线路的实时在线监测，提供了实施报警、趋势分析等功能。在数据积累的基础上，将开展多元数据分析，开发泄漏电流预测模型、电流泄露故障预测模型等，为地铁安全运行提供更多的保障。

参考文献

[1]浅析地铁直流牵引变电所的保护原理[J].徐劲松、高劲、江平、周捷.电气化铁道，2003年第六期.

[2]地铁直流牵引供电系统馈线的保护方法[J].丁丽娜.供用电，2004年12月第21卷第6期.

作者简介

徐钦炜（1988.11—)，男，汉族，江西赣州人，工程师，本科，西南交通大学。研究方向：轨道交通供电系统研究。