摘要：本文针对高速铁路牵引变电所27.5kV高压电缆广泛使用，且故障频发，缺乏有效的监测手段的现状，分析高压电缆产生故障的原因，提出高压电缆在线监测的技术方案，为确保牵引变电所安全、可靠供电提供保障。
关键词：电缆；外护套；测温；监测
目前27.5kV高压电缆在国内高铁牵引变电所普遍采用，采用电缆输电方式具有供电可靠、不占空间等优点。但同时电缆铺设于电缆夹层及隧道内，有些电缆还采取直埋的方式，给检修人员带来了一定的维护困难。如何早期预防高压电缆故障，及早的发现运行中的高压电缆缺陷是本文研究的主要方向。
1.电缆在线测温及外护套绝缘监测的必要性
目前高铁供电普遍采用27.5kV单芯电缆，单芯电缆外护套发生破损，就相当于两端直接接地，这样就会同大地构成回路，在金属护层上产生感应电流，不仅会降低电缆载流量，还会使电缆发热加速主绝缘老化，甚至引起火灾。电缆外护套受损，水分和潮气很容易侵入绝缘层，引起“水树枝”的产生，“水树枝”发展为“电树枝”，烧穿外护套层。
目前对电缆的管理主要采取定期普查的方式进行。一般每年或每隔几年，对电缆进行一次检测。这种检测方式存在检测工作量大，人力成本高，无法实时得知电缆的运行状态数据，无法进行系统分析。因此对高压电缆运行状态实时进行监测显得尤为必要，在线监测分位对电缆头温度和护层状态在线实时监测评估，通过对电缆外护套环流监测以判断电缆的护层健康情况，可对数据进行系统分析，研究参数变化趋势，进行运行总结。达到提前发现电缆运行情况，排除潜在隐患，保证电缆健康运行的目的。
2.电缆头温度在线监测方案比选
2.1普通测温监测
高速铁路电缆头一端在馈线侧的电缆转换支架上，通过母排与接触网供电线相连，一端与开关柜触头相连。长期以来开关柜内电缆头温度很难监测，这是因为开关柜空间有限，柜内元件较多，且高压带电元件大多裸露，常规的温度测量方法无法使用。普通的温度监测方法主要采用热电偶、热电阻、半导体温度传感器等温度传感元件来实现的，这种方法要么传感器本身带有金属，要么需要金属导线传输信号，在紧凑的开关柜内，要实现系统可靠的绝缘困难重重。
2.2红外测温监测
红外测温虽为非接触式测温，但它易受环境及周围的电磁场干扰，目前常用的是利用手持式红外热成像仪或点测仪进行人工非在线式温度测量。当需要在线监测时，由于红外测温探头需要与被测点保持一定的距离，探头的安装以及温度信号的回传同样困难。
2.3光纤光栅测温
光纤光栅温度传感器采用光纤光栅作为敏感元件，由于光纤具有优异的绝缘性能，可直接将传感器安装到开关柜内裸露的电缆头上，并方便的将测量信号传输至开关柜外，实现电缆头温度在线实时监测。光纤光栅温度在线监测系统采用光纤温度传感器进行温度监测，光纤传输温度信号，使系统介质实现了全光纤化，由于光纤固有的高绝缘性和抗电磁干扰性能，采用探测光纤传感器波长移动量采集数据，属于数字量测量，避免了传统传感器易受电源波动、传输线路损耗等干扰因素影响的问题，保证了系统的安全性、可靠性，从根本上解决了上述难题。光纤光栅测温系统由现场保护测温层、通讯管理层、系统监控层组成。
2.3.1现场保护测温层
采用GIS柜内的电缆头终端传感器的安装，为了可以取得与易过热点最相近的温度值，且不影响主设备正常运行的前提下，可以采用在电缆终端头紧靠近保护罩的位置安装传感器，采用环氧树脂导热胶粘贴，捆扎固定。传感器采用分散式就地安装，用多路光缆将这些传感器连接起来构成电缆温度监测网络。
2.3.2通讯管理层
通讯管理层主要由光纤光栅解调仪组成，硬件上，采用通讯模块设计，能够支持多种类型的通信口，包括以太网，串行通信口、可扩充的其它现场总线接口。软件上，采用规约库，支持MODBUS，标准网络协议（TCP/IP）等。
2.3.3系统监控层
采用两台服务器（主备关系），多台运行工作站、其它高级应用工作站、以及卫星时钟接受与同步系统。
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2.3.4系统主要功能
可实现对高压电缆头表面运行温度24小时不间断在线监测，通过对高压电缆本体护层温度的统计分析，可使运行人员全面掌握其工作状态，及时了解电缆头及电缆护层老化情况，并在电缆头温度急剧升高达到极限温度时，发出报警信号提醒运行人员紧急处理。
3.电缆外护套绝缘在线监测装置
3.1电缆外护套绝缘受损的危害
27.5kV高压电缆为单芯电缆，单芯电缆在通电运行时，在屏蔽层会形成感应电压，如果两端的屏蔽同时接地，在屏蔽层与大地之间形成回路，会产生感应电流，这样电缆屏蔽层会发热，损耗大量的电能，同时破坏电缆绝缘，造成电缆击穿事故。
3.2缆外护套绝缘在线监测工作原理
27.5kV高压电缆采用一端接地，一端经互层保护器接地的方式。但当电缆铺设或运行中外皮被破坏，就会造成人为的两端接地现象，此时屏铠接地处的电流将明显增加，因此通过在线监测屏铠处的接地电流，就可以判断电缆是否发生两点接地的故障，从而及早处理，防止发生电缆击穿的事故。
3.3缆外护套绝缘在线监测系统组成
电缆外护套绝缘在线监测系统组成由电流采样模块、数据监控模块、无线通讯模块、监控报警平台组成。主要功能如下：能实时监测高压电缆屏铠接地电流，电流越限后能发出报警信息。智能分析系统中各设备是否正常，不正常时能发出报警信息。较长的使用寿命，符合接触网设备大修周期要求，在一个大修期内无需维护。
3.3.1电流采样模块
采用体积较小的高性能电流传感器，安装方便，测量精度高，具有较高的防晒防水耐火性能。要将测量互感器分别穿在电缆的屏蔽层和铠装层接地引线上，注意同一根电缆的屏蔽层和铠装层接地引线要穿到同一个测量电流互感器中。传感器的引线应采用硅橡胶护套屏蔽线作为传感器引线，具有较高的防晒耐水性能，保证在其寿命期内室内外安装无故障运行。采用开口式电流互感器，从高压电缆屏铠接地线采集接地电流，并于设置好的整定值进行对比判断，当电流大于整定值时发出报警信息。同时，由系统接收部定期对实时电流进行采集，并长期保存于牵引供电地理信息系统之中，通过历史记录，可方便的查看某一电缆接地电流的历史变化情况，从而判断电缆外层绝缘老化降低的发展变化情况。
3.3.2数据监控模块
装置应能够采用远方无线方式进行电流测量、定值修改、运行参数查看与修改、运行状态信息查看等功能，方便对系统运行情况进行检查及试验。以便定期分析系统运行是否正常。
3.3.3无线通讯模块
监测装置采用无线通信通道，采用频率和功率应符合中华人民共和国信息产业部《微功率（短距离）无线电设备的技术要求》，数据转发装置数据传输采用GPRS通信通道。屏铠接地检测装置数据转发到GPRS网络，远方遥控命令转发到屏铠接地在线智能监测装置。
3.3.4监控报警平台组成
屏铠接地电流定期测量上报，屏铠接地故障立即报警。能够历史报警信息查看和电池电压测量上报。在单元故障的情况下，应能够发出单元异常信号。在外边电源故障或失电时，单元所有信息不应丢失，并能在外部电源恢复时，恢复期正常功能。
4.结语
由于27.5kV电缆故障主要集中于电缆终端头和电缆中间头，因此在加强电缆终端头和中间头的的温度和绝缘情况在线运行监测，将监测的信息通过光缆或GPS传至有人值守的变电所、供电调度所。运行的电缆温度过高或绝缘异常时，监测装置发出报警信号，提醒值班人员及时查找和处理故障，可以有效预防和减少27.5kV电缆故障对牵引供电系统造成的影响。
参考文献：
[1]曹建猷.《电气化铁道供电系统》.北京.中国铁道出版社，1983.
[2]王闵.《电力电缆光纤光栅测温系统研究与应用》.武汉理工大学硕士论文，2010.
[3]《高速铁路设计规范》.北京.中国铁道出版社，2015.
论文作者:刘宇
论文发表刊物:《电力设备》2017年第36期
论文发表时间:2018/5/14
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