引 言：随着高速铁路的快速发展，在高速铁路牵引供电系统中，金属封闭气体绝缘的 GIS高压开关柜大量使用，与之配套的27.5kV高压电缆也越来越多, 单相27.5kV 铜芯交联聚乙烯绝缘电力电缆属于单芯高压电缆，该电缆在敷设施工和运行维护时有严格的要求。但由于各施工单位的安装缺陷和运行维护不当等原因，高压电缆在设计寿命内发生故障，导致出行供电安全事故的次数也随之增加。因此，对高压电缆运行工况进行智能在线监测，实现电缆故障早发现、早预警、早处理，这对高速电气化铁路供电系统的安全运行具有特别重要的意义。
1 电缆故障及监测手段分析
1.1电缆故障的原因分析
电气化铁路27.5kV单相交流交联聚乙烯绝缘电缆作为我国电气化铁路的专用电缆，单相电缆在通电运行时，在金属屏蔽层和钢铠装层（简称屏铠，以下同）会形成感应电压，如果屏铠两端同时接地，在屏蔽层与大地之间形成回路，会产生感应电流，导致电缆屏铠层发热，损耗大量的电能，同时破坏电缆绝缘，造成电缆击穿事故。为了避免该现象的发生，一般情况下单相交流高压电缆屏铠采用一端接地、另一端悬空或经护层保护器接地的方式，如图1所示。
图1 27.5kV单相交流高压电缆屏铠接地方式
但当电缆铺设或运行中外护套被破坏（如图2所示），就会造成屏铠两端接地现象，此时屏铠接地处的电流将明显增加，因此通过在线监测电缆屏铠接地电流，可以准确判断电缆外护套是否发生两点接地的故障，从而及早处理（比如修补、或适当更换），防止电缆击穿事故的发生。
图2 (a) 电缆外护套故障点 (b) 故障电缆损坏情况
1.2电缆故障的预防措施分析
国内外关于电缆的绝缘监测研究从上世纪八十年代就开始了，目前针对单相交流高压电缆绝缘在线监测的研究，已提出如下几种方法：直流分量法、直流叠加法、在线介质损耗角正切法、叠加低频法、在线局部放电法、电缆温度在线检测、接地线电流法。在如上几种方法的理论支撑下已有实际产品投入使用，其中包括了电气化铁路单相27.5kV 铜芯交联聚乙烯绝缘电力电缆馈线电缆部分的监测，目前我国多采用基于光纤光栅传感技术的在线测温技术进行监测。
电缆温度监测目前运用较多的主要有两种：一种是多点式的温度测量。这种测量方法它的测量点分布在电缆全线路上，通常有很多个测量点，着重测量电缆的接头、终端，因为这些位置是故障高发点，这种方法的优点是监测起来方便简单、能够进行远程传输，但是对于整个线路的整体绝缘状态缺乏良好的判断；第二种是分布式温度测量。该方式采用分布式光栅测温技术，沿每层电缆桥架呈S形敷设铠装测温光纤，一般在电缆终端、中间头等重点监测部位多敷设一些，光纤最终接入光纤测温主机采集光纤上温度，光纤测温主机安装在主控室内。这种测试方式能够抗拒电缆产生电子干扰，测量精度很高，由于采用了总线技术，对于数据的传输十分方便，能够连续测量光栅沿线所在处的温度，测量范围可达几十公里，特别适用于需要大范围多点测量的应用场合，但是该技术后期需要大量的维护，运用成本很高，并且设备使用时间较短，这些都是它的不足。
在物联网监测技术迅速发展的今天，实时在线监测能提前发现电缆故障，对电缆故障进行预防性维修，对高速铁路的运行影响做到最小化。所以基于物联网技术的实时在线监测是未来检测监测技术主要的发展方向。
2 新型监测措施
针对上述几种监测方法的不足，通过物联网监测技术的快速发展，出现了一批电气在线监测装置，其中高压电缆屏铠接地电流监测装置受环境影响小，可实现实时带电测量接地电流值。该装置针对目前现有监测产品的检测精度低、漏报情况明显等缺点。
我们开发了新一代单相27.5kV 铜芯交联聚乙烯绝缘电力电缆屏铠接地电流智能在线监测系统。该系统的优点如下：
监测误差小于50mA。由此不仅可及时监测漏电流变化趋势，还可有助于准确分析引起漏电流变化的各种因素，确定“病源”。
实现对瞬时（<20ms）短路电流的快速捕捉，避免漏报现象。
采用模块化设计。体现在：独立的漏电流监测模块、短路电路监测模块，便于扩展和维护；标准的光纤通讯模块，易于与现有通讯设施兼容；提供扩展的通讯接口，为后续无线组网通讯提供条件；独立的电源管理模块，便于维护和替换。
成本适中。采用大口径设计的监测传感器，能同时对多根线缆进行监测，减少传感器数目，降低系统复杂度和成本。
图3 监测装置系统框图
2.1 监测设备工作方式
监测设备采用220V供电（在无供电环境下，采用在高压电缆上直接取电的方式）。监测设备内部带有电源管理模块，实现对内部电路的不同直流电平的供给。
图4 高精度零磁通电流传感器
监测设备分别采用高精度的电流传感器（用于漏电流监测）和大量程快速响应的电流传感器（用于短路电路监测），如图4所示。将多根被测接地电缆穿过电流传感器的感应孔，电流传感器将输出与感应孔内电流大小相对应的感应信号。该感应信号进而将输入给本监测设备进行精确测量和分析。
监测设备的测量分析结果，将通过其光纤通讯接口，以标准的协议方式，送给环境已有的光纤基础设施。此外，监测设备亦可通过备用的扩展接口，以RS485协议方式，将测量分析数据传送给其他临时数据收集装置（如移动电脑），以提供临时检查维护服务。
此外，监测设备还可通过光纤通讯接口、或扩展的RS485接口，接收来自后台发出的配置指令。后台系统根据汇总的监测数据，进行漏电流分析、评估以及数据的存储管理。对异常数据、异常趋势等情况，给予及时报警和指导检修。后台根据监测需求，亦可对前端的各监测设备进行监测参数的远程配置。
3 现场运用
我处于2018年1月13日组织兰州供电段在宝兰高速铁路线定西北车站蛟龙分区所隔离开关27.5kV高压电缆上的装置现场安装4通电接地电流监测线圈，分别对应的接地电流值为：Ia、Ib、Ic、Ip。具体对应的27.5kV高压电缆安装位置图5如下：
图5现场安装图
*2018年1月21日8时27分至2018年1月22日9时07分数据图
结束语：综上思路，通过对27.5kV 铜芯交联聚乙烯绝缘电力电缆的屏铠接地电流进行采集处理，并用光纤通道到地面数据处理中心，地面维护人员可以在线实时掌握各根高压电缆的工作状态。供电部门通过地面数据处理中心可以对27.5kV高压电缆进行全天候24小时监视，实现对27.5kV高压电缆隐患的提前报警，及时提示班组果断处理，减少损失。通过27.5kV高压电缆监测装置的提前预警，针对特定故障位置的电缆进行维修作业，缩短检测维护的时间，提高天窗运用效率，对确保高速铁路的供电安全具有十分重要的意义。
参考文献：
[1].基于GPRS的XLPE电缆接地环流在线监测系统的设计与研究 吴明
[2].浅谈高速铁路接触网用27.5kV电缆的维护管理 张宝奇; -《郑铁科技》
[3].高速铁路馈线电缆接地方案与故障监测 杨柳
论文作者:张一平
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
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