关键词：地铁；供配电系统；设备状态；在线监测
1 地铁供配电系统的结构和工作原理
1.1 地铁供配电系统的结构
地铁供配电系统一般由110KV高压主变电站、为地铁列车运行提供电源的中压牵引变电所、提供地铁隧道以及站内照明用电的降压变电所以及中压电网等部分构成。其中主变电站高压侧与市政供电系统相连，低压侧则为降压变电所以及牵引变电所提供中压交流电。在有些地铁线路或线路的部分区间，可以不配置主变电站，直接由市政供电系统向牵引变电所和降压变电所供应所需的中压交流电。
1.2 地铁供配电系统的工作原理和运维方法
目前普遍应用的地铁供配电方式有三种，由于地铁线路每一个站点都需要配置牵引变电所和降压变电所，并且根据既有市政供电设施分布状况和环境条件建设主变电站。所以，地铁线路供配电系统设备的运行维护工作量很大，需要配备大量的人力资源进行日常巡检和按照计划停电检修。因而，在地铁运营网络规模迅速拓展的情况下，一方面由于不得不增加人力和而造成运营成本上涨，另一方面这种运维方式不仅效率低，而且对电力系统设备的运行状态无法实现实时和连续的监控，因此无法保障系统运行的可靠性和地铁线路的运营安全，一旦出现故障也不便于排查和锁定故障点。所以，运用电子技术、通信技术以及计算机技术实现地铁供配电系统设备的在线监测，实时和全天候的采集和分析设备运行状态相关的参数，从而基于监测系统对相关数据的分析实现故障的预警和诊断，才能满足地铁线路运营安全的需要。
2 地铁供电系统主要设备特征
地铁供电设备种类繁多，原理多样，制造方式和运行环境也多有不同，影响其运行状态和工作能力的参数较多，要获取关键的参数，还要考虑设备的工作原理、运行模式、环境参数、监测手段、可实施性和实现成本等。现对地铁供电系统主要设备的作用、原理和常见故障等设备特征做简要分析。
2.1 110kV GIS
地铁主变电所通过110kV全封闭六氟化硫组合电器（GIS）接入地方电网的电源。其常见故障有：断路器操作机构故障、气体泄漏、内部放电等。
2.2 变压器
主变电所通常采用110kV三相油浸式变压器将外电源的110kV电源转换为中压交流电（35kV或10kV）。牵引、降压通常采用35kV（33kV）或10kV环氧树脂浇注干式变压器。其常见故障有：绝缘下降、局部温升、异常噪声、渗漏油、油气体及水分过高、局部放电等。
2.3 中压气体绝缘开关柜
地铁中通常采用35kV、10kV电压等级的中压气体绝缘开关柜，其核心部件为真空断路器，断路器及母线置于充有绝缘气体（通常为SF6）的气室内，以保证绝缘性能。其常见故障有：气体泄漏、操作机构故障、断路器烧损等。
2.4 直流开关设备
地铁直流开关设备的核心部件是直流断路器，其作用是控制直流牵引电源的正常供给，故障时迅速切断故障电路，保证系统的安全。其常见故障有：框架绝缘故障、局部温升、断路器触头烧损、断路器机械故障等。
2.5 整流器
整流器是一种与牵引变压器组合成整流机组的电流变换装置。牵引变压器供给的交流电能通过整流器整流变为直流电。其常见故障有：绝缘下降、局部温升、二极管击穿、附属部件故障（压敏电阻、压仓电阻等）等。
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2.6 电缆
电缆主要有交流110kV交联聚乙烯、交流35kV/10kV交联聚乙烯、直流1500V/750V交联聚乙烯或乙丙橡胶，交流400V交联聚乙烯电缆。常见故障是绝缘损坏和击穿，将造成停电事故。
2.7 低压400V开关柜
低压400V开关柜主要负责变电所或地铁站低压交流负载的供电和保护功能。其常见故障有：局部温升、断路器故障、绝缘降低、绝缘闪络、绝缘击穿等。
3 地铁变电所设备在线监测的主要思路
开展地铁供配电设备在线监测技术的研究，主要选取110kVGIS、110kV油式变压器、33kV气体绝缘开关柜、1500V直流开关柜、33kV干式整流变压器和配电变压器、整流器、400V低压开关柜以及110kV交流、35kV交流和1500V直流电缆等设备进行在线监测。由于变电站的设备均带电运行，所以在线监测尽量采用不影响设备运行，无需停电安装的方式。通过对设备原理、特点的分析以及对监测手段的可实施性论证，对各类设备均确定了监测参数，主要包括以下几大类：（1）成分分析类，包括SF6微水密度、压力、温度，变压器油色谱、振动声波；（2）运动监测类，包括断路器机械特性、断路器动作特性录波；（3）电量检测类，包括避雷器漏电流及放电次数、局部放电、铁芯（含夹件）电流、直流设备框架泄漏电流；（4）热量监测类，包括环境温湿度、设备母排温度、电缆温度、母线槽温度。
4 某地铁变电所设备关键参数监测方法
4.1 SF6气体监测
通过监测GIS设备中SF6气体的温度、压力、微水密度等参数，完成对运行设备中SF6气体的实时、远程监测。采用微水密度传感器、带温度测量的智能压力变送器，实现了对SF6气体温度、压力、微水等参数的在线监测。
4.2 环网电缆终端头局部放电监测
环网电缆终端头受施工工艺影响会存在一定缺陷，缺陷电缆终端头长期处在强电场中运行，局部放电随时间累加导致绝缘受损，引发电缆终端头故障，电缆故障影响大，处理周期长。加装局部放电在线监测装置，对环网电缆终端头局部放电时时监测上传。可及时发现电缆终端头的绝缘缺陷，尽早预处理，有效降低电缆终端头故障造成的影响。
4.3 变压器温度在线监测
变压器作为供电系统中电压变换的重要设备，其本身发热量大。现有变压器温控仪只能监测绕组和铁芯部分点位温度，而对易发生故障的电气连接部分无法进行监测。加装温度传感器对变压器电气连接等重点部位的温度时时采集，能及时反映变压器运行情况，对变压器接触发热，局部过热等情况进行预处理。
4.4 电能能耗管理在线监测
通过加装电度表对照明、环控季节性变化负荷进行电度在线监测，收集能耗数据，生成实时报表和分析报告。实现低压负荷能耗的信息化、可视化管理，为科学、合理地制定节能指标提供重要依据，可实现精准节能。
4.5 断路器机械特性
GIS中断路器机械特性试验可以有效地反应GIS操动机构的动作情况。通过对GIS中断路器分合闸电流大小的监测，可以发现断路器机械特性与设备运行年份存在一定的关系。通过在分合闸线圈上安装监测传感器，实现了对分合闸线圈电流、分闸电流、电机电压、电机电流的在线监测，以此可验证断路器的机械特性。
4.6 组网在线监测
4.6.1 子站：通过通讯网关对现场设备进行数据采集，每变电站配置一套通讯采集箱，汇总本站数据。
4.6.2 通道：经确认通信专业现有闲置光纤通道，申请利用现有两根闲置光纤，作为在线监测系统专用通信通道。
4.6.3 监控中心：在地铁某车辆段设置监控中心，对全线采集上来的数据进行综合分析，并预留接入信息化系统的接口。
结语
地铁供配电系统设备在线监控措施的完善有助于提高地铁系统的安全平稳运营，保障乘客的安全出行以及提高城市轨道交通的服务水平。现阶段我国地铁供配电系统的在线监控制度还存在许多急需解决的实际问题，需要决策部门和执行人员的共同努力方能实现，期望通过本文的论证促进我国地铁供配电系统的发展。
参考文献
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论文作者:戴仁杰
论文发表刊物:《城镇建设》2019年 24期
论文发表时间:2020/3/4
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