直流设备框架绝缘监测装置在地铁变电所的应用

刘 兰，肖伟强，余 龙，何远毫



直流设备框架绝缘监测装置在地铁变电所的应用

刘 兰，肖伟强，余 龙，何远毫

为实现直流牵引供电系统直流设备框架绝缘的监测，提出了一套直流设备框架绝缘监测装置设计方案，采用3个量程的磁调制电流传感器，解决了地铁变电所直流牵引设备框架泄漏电流的宽量程问题。通过测控单元采集电流传感器的模拟输出信号，经过模数转换，将泄漏电流实时值进行显示分析，判断直流设备框架绝缘的故障状态，从而实现预警和报警功能。

直流设备框架绝缘监测装置；磁调制电流传感器；泄漏电流；状态评估

0 引言

城市轨道交通直流牵引供电系统中，框架保护是特有且重要的保护类型。接触轨为正极，走行轨为负极，电流可以从走行轨返回，还可从大地返回，但会产生较大的杂散电流，所以直流供电系统设计为不接地系统。直流设备框架外壳进行接地设置，如果发生正极与外壳触碰，正极通过设备外壳与负极间的短路电流突然增大，钢轨与车身外壳相连为负极，旅客上下车时将存在极大的触电危险。为了防止短路造成的安全隐患，在直流设备安装时，牵引系统的正、负极配电柜均需对地绝缘安装，且绝缘阻值不得小于2 MΩ。所有直流设备框架外壳最后只通过一根接地线进行单点接地，直流设备框架的泄漏电流只流入该接地点，通过该接地点，可对框架绝缘进行监测和保护。因此，框架绝缘监测和保护是防止发生短路或接地故障、保护人身和设备安全的重要措施。

1 框架绝缘保护原理

目前的框架绝缘保护（图1）原理是通过设置泄漏电流阀值触发继电器动作并反馈开关量触发继电保护，该过程不能实时监测框架的泄漏电流，也不能反映直流设备框架绝缘的优劣程度。直流设备框架泄漏电流通常很微弱，一般为几毫安甚至小于1毫安，而在事故发生时，泄漏电流可以达到几十安，因此直流设备框架泄漏电流的监测不仅要满足微小电流的测量精度要求，而且需实现宽量程测量。目前，单个传感器很难达到该要求。

为了在事故发生时及时做出判断，提前采取措施，将事故危害程度减到最小，必须实时监测直流设备框架的泄漏电流。监测装置通过对数据进行读取和处理，做出判断并进行保护，同时将测量值实时传送至后台进行处理及显示，对泄漏电流数据进行存储、记录和分析，通过设置报警阀值，触发在线监测系统动作，提示维护人员采取措施。

图1 地铁直流设备主回路接地原理

2 微小电流测量方法

正常情况下，直流供电系统通过框架泄漏的电流极其微弱，通常是几毫安，甚至更小。目前，直流系统的微小电流测量有2种方式：一是依据霍尔原理，采用霍尔电流传感器进行探测；二是依据磁调制原理，采用磁调制电流传感器进行探测。

2.1 霍尔元件测量原理

霍尔传感器可以测量任意波形的电流和电压，如直流、交流、脉冲波形等，甚至可以实现对瞬态峰值的测量，测量原理如图2所示。霍尔传感器副边电流可真实反映原边电流的波形，而普通互感器一般只适用于测量50 Hz正弦波，无法与其相比。霍尔传感器还具有精度高、线性度好、带宽宽以及抗电磁干扰等优点。

2.2 磁调制技术测量原理

磁调制技术测量原理如图3所示。图中，W1为激励线圈，W2为被测线圈（通常只有1匝），W3为检测线圈。

图2 霍尔元件测量原理

图3 磁调制测量原理

在激励线圈W1中通以交变对称电压源或电流源的三角波激励信号，若被测线圈W2中电流为零，则检测线圈W3中的信号波形如图4中的实线所示，为正方波；若被测线圈W2中电流不为零，受W2中电流产生的磁场调制作用影响，检测线圈W3中的信号波形如图4中的虚线所示，为脉冲宽度调制波。

图4 三角波激励信号

由图4可见，当存在调制信号时，检测绕组输出电压的正负半波发生相对位移，正负半波相位变化量（D）的大小和变化方向可以反映被测直流电流的大小和方向，利用这一特性测量直流电流，就是相位差磁调制式直流电流测量的基本原理。

3 精度校验实验

采用标准直流源按照电流等级大小输出电流，输出导线穿过电流传感器，使用模拟量采集装置连接传感器的模拟量输出端，通过显示软件读取并记录测量值，通过对比测量值与标准源输出值，判断传感器的精度及稳定性。此次校验的霍尔电流传感器和磁调制电流传感器的标称量程均为0～ 100 mA，精度均为0.1 mA。

3.1 霍尔电流传感器精度校验

在空输入或调零时，通过显示软件发现传感器存在零漂现象，数值变化范围为-0.8～1 mA，标准直流源输出值为1 mA时，测得数值变化范围为0.2～2 mA，相对误差较大。为了确定误差的真实性，将传感器的输出端接入示波器，在空输入或调零时，发现其纹波峰值为1 mA。

通过以上实验得知，霍尔电流传感器存在零漂现象，其稳定性和抗干扰性较差。因零漂较难解决，霍尔传感器不适合测试小电流，无法在直流供电系统中进行泄漏电流的测量。

3.2 磁调制电流传感器精度校验

对磁调制电流传感器进行精度校验，并记录校验数据如表1所示。

表1 磁调制电流传感器精度校验数据

通过实验和表1数据表明，磁调制电流传感器的零漂在精度范围内，在校验过程中，传感器的测量输出较为稳定，测量精度符合要求。

本次测试的传感器均为基于互感原理的磁感应传感器，若要实现小电流的稳定测量，还应进一步研究开发高精度的测量元件，通过大量的测试实验验证测量精度、量程等参数以及可靠性符合要求，通过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。

4 直流设备框架绝缘监测装置设计

为了监测直流设备框架的泄漏电流，在直流设备框架单点接地线上穿心式安装磁调制电流传感器，同时放置3个不同量程的磁调制电流传感器，可实现从毫安级到几十安级的宽量程测量。磁调制电流传感器将实时测量的泄漏电流转化为4～ 20 mA模拟量信号，输入到测控单元，经测控单元内部的A/D电路转化为数字量信号，经CPU处理后进行显示。相关逻辑出口的控制通过测控单元的RS485端口传送至后台显示并分析，判断绝缘故障状态，实现预警和报警功能（图5）。

4.1 装置的组成及设计实施

结合广州地铁嘉禾望岗主变电所的现场情况，设计的直流设备框架绝缘监测装置主要由以下几部分组成：磁调制电流传感器、直流设备框架绝缘监测箱JX5、交换机SC1、上位机PC及软件等。其中JX5主要包括测控单元及传感器电源变送模块PM1，JX5的供电电源为AC 220 V，由电缆层现有的AC 220 V电源箱提供。

图5 直流设备框架绝缘监测装置设计原理

装置主要部件设计及实施方案如下：

（1）制作一段长为0.5 m的400 mm2接地电缆，先穿传感器，然后压线耳，安装地点为33 kV电房。电缆一端连接建筑地排，另一端连接原有接地电缆线耳，使用Ф12的螺栓紧固。

（2）设计一套直流设备框架绝缘监测箱JX5，供电电源为AC 220 V，壁挂安装，安装位置在电缆层接地电缆附近。箱内主要包括：a.传感器电源及变送模块PM1，由传感器供电电源、信号调理模块组成，将传感器的电流转换为标准的0～ 20 mA模拟量信号，通过磁调制措施解决零漂，保证信号采集的可靠性和准确性；b.测控单元，其CPU时钟周期为15 ns，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0～20 mA模拟量信号，经过A/D转换和CPU处理后，以标准的Modbus RTU 协议通过RS485串口进行通信。添加测控单元的Modbus通信点表的泄漏电流参量。测控单元作为从站，响应主站的扫描，将数据传给上位机的OPC软件。

（3）实时数据库上位机软件作为主站扫描Modbus从站测控单元，扫描周期为60 s，收到从站响应发回的报文数据后，将报文中的泄漏电流的实时值存储在实时数据库。下一次读取的泄漏电流的实时值与实时数据库中的数值进行比较，若相同则不更新，若改变则更新数据库。在线监控软件显示泄漏电流实时值，依据不同的阀值显示不同的状态报警。

（4）状态评估数据库上位机软件将实时数据库泄漏电流的值进行时间点上的连续存储，生成数据卷，存储周期为1 h。在监控软件画面中显示泄漏电流历史曲线，进行状态评估分析，生成报表，提供预警功能。

（5）交换机SC1实现各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之间的数据交换。

4.2 现场安装调试

在安装现场，直流1 500 V电房的所有直流设备最终通过一根400 mm2单芯电缆接地，接地点位于33 kV电房内的建筑地排。接地电缆从直流柜底部进入电缆层，最后引入到33 kV电房内的建筑地排，用Ф12的螺栓紧固。穿好传感器的接地电缆安装于33 kV电房内的建筑地排上，直流设备框架绝缘监测箱JX5安装于电缆层接地电缆附近，如图6所示。从电缆层电源箱敷设AC 220 V电源线到JX5，从JX5敷设485电缆至监控室，PC服务器及串口服务器安装于监控室机柜内。

所有设备及线路安装完成后，进行通电调试和系统联调，通过运行测试实现直流设备框架泄漏电流的监测。现场监控软件测得泄漏电流实时值如图7所示。

图6 电流传感器及监控箱安装位置

图7 现场监控软件显示泄漏电流实时值

5 结语

直流设备框架绝缘监测装置可以实现对直流供电系统设备框架泄漏电流的监测，本文通过霍尔传感器和磁调制电流传感器精度校验的对比实验发现，与霍尔传感器相比，磁调制电流传感器可以实现微小电流的精确监测，同时，为了解决直流设备框架泄漏电流宽量程要求的问题，提出使用3个不同量程范围的磁调制电流传感器进行监测。测控单元通过采集磁调制电流传感器输出的模拟量信号，进行模数转换，再通过RS485总线传送至后台的监控软件进行显示并分析，进而判断直流设备框架的绝缘故障状态，实现提前预警和报警功能。

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In order to effectively monitor DC equipment frame insulation of DC traction power supply system, the paper puts forward a scheme on designing a set of devices for monitoring of DC equipment frame, the measurements by application of magnetic modulation current sensor with 3 measuring ranges has met the requirements for wide-range measuring of leaking current of DC traction equipment frame in subway substation. After analog-digital conversion is made for analog output signals collected by current sensor of monitoring unit, the real time values of leaking current are displayed and analyzed to verdict fault status of DC equipment insulation and realize the pre-alarm and alarm functions.

Monitoring device for insulation of DC equipment frame; magnetic modulation current sensor; leaking current; status assessment

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.05.004

U231.8

B

1007-936X(2017)05-0013-06

刘 兰.广州地铁集团有限公司，高级工程师；肖伟强.广州地铁集团有限公司，高级工程师；余 龙.广州白云电器设备股份有限公司，高级工程师；何远毫.广州白云电器设备股份有限公司，工程师。

2017-04-19