浅谈城市轨道交通直流电缆绝缘在线监测方案研究及产品选型

安科瑞 彭海生
壹捌叁-贰壹玖零-零玖贰七

摘要：从城市轨道交通直流牵引供电系统架构和直流电缆结构入手，分析了直流电缆在系统中的重要作用，阐述了对直流电缆绝缘进行监测的必要性。在不改变原有系统架构和直流电缆结构基础上，提出直流电缆绝缘监测方案，并通过理论分析、计算，给出电缆绝缘层和电缆外护套绝缘性能降低的报警值。

关键词：城市轨道交通；DC1500V；电缆；绝缘；在线监测

0引言

按照交通运输部数据，截至2021年底，我国共有51座城市开通运营城市轨道交通线路共269条，运营里程达8708km[1]，其中95%以上的线路采用DC750V、DC1500V电压制式供电，电能从牵引变电所到接触网主要采用直流电缆传送。直流电缆敷设条件比较复杂，如变电所电缆夹层、户外直埋、电缆沟、电缆槽等，经常处于潮湿环境，存在鼠蚁害风险，而且运营维护检修不便。

由于直流牵引供电系统正负极不接地悬浮系统的特性，至今没有成熟的监测经验和案例。本文通过研究和工程实践提出一种用于监测电缆绝缘性能降低的方法，在事故发生之前监测系统可预判并通知运营部门提前处理，避免事故扩大。

1系统构成

图1为城轨直流牵引供电系统示意图。整流机组将AC35kV、AC33kV或AC10kV交流电源转换成DC750V、DC1500V，通过直流开关柜分配、馈出至对应的接触网为车辆供电，因此直流电缆是整个系统中的重要环节，而且处于近电源端的位置，一旦系统发生金属性短路，故障电流将高达10kA，事故将直接影响行车安全和人身安全，由此可见，直流电缆绝缘性能对整个牵引供电系统至关重要。

2直流电缆绝缘监测方案

2.1直流电缆结构

城市轨道交通牵引供电系统用直流电缆选用低压、无卤、阻燃、防水、防鼠蚁铜芯铠装电缆，其结构如图2所示，主要由导体、绝缘层、金属铠装层、外护套组成。为降低工程难度，对电缆的绝缘监测应尽量不改变原有直流供电系统架构和直流电缆的结构。

2.2直流电缆绝缘监测接线方案

直流电缆绝缘监测接线方案如图3所示，每回直流电缆由多根电缆并联组成。将同一回路的多根直流电缆的金属铠装层通过导线连接在一起，在导体和铠装层之间并联电阻R1，在铠装层和负极之间并联电阻R2。

设置电压变送器分别采集导体对负极的电压U和金属铠装层对负极的电压US，并将U和US发送给智能监测单元进行运算。选取R1=200Ω，R2=200Ω，电压变送器输入电压为±2000V，输出电流为±20mA。

3直流电缆绝缘监测原理

3.1直流电缆绝缘监测原理与计算方法

图4为直流电缆绝缘监测等效电气原理图。

图中：U为导体(正极)对负极的电压(1#电压变送器测量的电压)；UC为导体对金属铠装层的电压；US为金属铠装层对负极的电压(2#电压变送器测量的电压)；RC为导体与金属铠装层之间的绝缘电阻；RS为金属铠装层与负极之间的绝缘电阻；R1为与RC并联的附加电阻；R2为与RS并联的附加电阻。

R1与RC并联的电阻R1'：

正常运行时，RC、RS、R1、R2为固定值，因此金属铠装层对负极的电压US只随导体对负极电压U的变化而变化。因此，正常运行时，US/U为固定值，不随电压的变化而变化，其值小于1。

3.2电缆导体对金属铠装层绝缘故障分析

根据图4，当导体对金属铠装层绝缘故障时，其绝缘电阻RC减小，而金属铠装层对负极的绝缘电阻RS不变，US随RC的减小而增大，US/U也随之增大；最严重情况下RC=0，此时US=U，US/U=1。

3.3电缆金属铠装层对地绝缘故障分析

根据图4，当金属铠装层对负极绝缘故障时，其绝缘电阻RS减小，而导体对金属铠装层的绝缘电阻RC不变，US随RS的减小而减小，US/U也随之减小；最严重情况下RS=0，此时US=0，US/U=0。

4告警值的设定

4.1电缆导体对金属铠装绝缘故障时的报警设置

正常运行时US/U为固定值，设为A，导体对铠装层绝缘故障最严重情况下US/U=1，设基准为 (1−A)。实时监测U及US，并计算US/U的值，随着绝缘电阻的下降，US/U的值增大。计算电压偏差百分比(US/U−A)/(1−A)的值，并根据该值进行报警。

表1所示为直流电缆导体对铠装层绝缘故障时的报警值计算，报警值(电压偏差百分比)可设为39.29%，对应导体对金属铠装层的绝缘电阻降低到正常时的0.01倍。

4.2电缆铠装层对负极绝缘故障时的报警设置

正常运行时US/U为固定值A，铠装层对负极绝缘故障最严重情况下US=0，设基准为A。随时监测U及US，并计算US/U的值，随着绝缘电阻的下降，US/U的值减小，计算电压偏差百分比(US/U−A)/A的值，根据该值进行报警。如表2所示计算，报警值可设为−56.41%，对应铠装层对负极的绝缘电阻降低到正常时的0.01倍。

5绝缘监测及绝缘故障定位产品

5.1绝缘监测及绝缘故障定位产品

AIM-T系列工业用绝缘监测仪

AIM-T系列绝缘监测仪主要应用在工业场所IT配电系统中，主要包括AIM-T300、AIM-T500和AIMT500L三款产品，均适用于纯交流、纯直流以及交直流混合的系统。

其中AIM-T300适用于450V以下的交流、直流以及交直流混合系统，AIM-T500适用于800V以下的交流、直流以及交直流混合系。AIM-T500L相比AIM-T500增加了绝缘故障定位功能。

5.2绝缘故障定位产品

工业用绝缘故障定位产品配合AIM-T500L绝缘监测仪使用，主要包括ASG200测试信号发生器，AIL200-12绝缘故障定位仪，AKH-0.66L系列电流互感器，适用于出线回路较多的IT配电系统。

5.3绝缘监测耦合仪

绝缘监测耦合仪配合AIM-T500绝缘监测仪使用，主要包括ACPD100，ACPD200，适用于交流电压高于690V，直流电压高于800V的IT配电系统。

6技术参数

6.1绝缘监测仪技术参数

型号

技术指标

AIM-T300

AIM-T500

AIM-T500L

辅助电源

电压

AC 85~265V;DC100~300

AC 85~265V;DC100~300

功耗

＜8W

＜8W

被监测IT系统

电压

480V以下的交流、直流以及交直流混合系统

690V以下的交流及交直流混合系统、800V以下直流系统

频率

40~60Hz

40~60Hz

绝缘监测

测量范围

1kΩ~5MΩ

1kΩ~10MΩ

报警值范围

10kΩ~5MΩ

10kΩ~10MΩ

相对误差

1~10k: 10k；10k~5M: ±10%

1~10k: 10k；10k~10M: ±10%

允许系统泄露电容

<150μF

<500μF

响应时间

<6s

<5s

通讯

RS485，Modbus-RTU

RS485，Modbus-RTU

RS485，Modbus-RTU；

内部参数

测量电流

<170μA

<270μA

绝缘故障定位

电磁兼容/电磁辐射

IEC61326-2-4

IEC61326-2-4

额定冲击电压/污染等级

8kV/Ⅲ

8kV/Ⅲ

内部直流电阻

≥120kΩ

≥180kΩ

输出

继电器输出

预警、报警

出错、预警、报警

环境

工作温度

-20~+60℃

-15~+55℃

存储温度

-20~+70℃

-20~+70℃

相对湿度

5%~95%，不结露

5%~90%，不结露

海拔高度

≤2500m

≤2500m

6.2测试信号发生器技术参数

辅助电源

电压

AC 85~265V DC100~300V

功耗

<7W

IT系统

额定电压

单相交流AC 220V

三相交流 AC 0~690V

直流DC 0~800V

绝缘故障定位

响应时间

<5s

定位电压

20V/5Hz

定位电流

0~10mA

环境

电磁兼容/电磁辐射

IEC61326-2-4

工作温度

-15-+55℃

6.3绝缘故障定位仪技术参数

辅助电源

电压

AC 85-265V DC100~300V

功耗

<5W

绝缘故障定位

响应时间

<12s

定位电压

定位电流

响应灵敏度

>0.5mA

输出

继电器输出

报警Alarm

环境

电磁兼容/电磁辐射

IEC61326-2-4

工作温度

-15-+55℃

6.4 AKH-0.66L系列电流互感器技术参数

型号

额定电流

变比

等级

过载倍数

L-45

16-100A

5A：5mA

1

10

L-80

100-250A

L-100

250-400A

L-150

400-800A

L-200

800-1500A

6.5绝缘监测耦合仪技术参数

产品型号

ACPD100

ACPD200

适用系统

单相交、直流不接地系统

三相交流、直流不接地系统

电压等级

交流0~1150V，直流0~1760V

交流0~1650V，带直流元件0~1300V

直流阻抗

≥160kΩ

AK1≥225kΩ

工作温度

-10~+55℃

存储温度

-20~+70℃

防护等级

IP30

7结语

根据本文分析和研究，基本可以看出，通过测量直流电缆导体与负极之间的电压U及金属铠装层与负极之间的电压US，便可判断出直流电缆绝缘和外护套的绝缘情况，并可通过运算作出判别。判别方法简单可靠，投资可控。该方案可以针对单根电缆，也可以考虑将单个馈线回路的几根电缆的金属铠装层并联统一采集、判别和保护。

下一阶段将尽快推进实现产品研制与工程实践应用。在理论研究方面，可以在本文所述方案基础上作进一步功能扩展，例如尝试如何通过监测和运算识别出故障位置，如何识别负极电缆的绝缘性能降低等。

参考文献：

［1］交通运输部.2021年12月城市轨道交通运营数据速报.

［2］范巧莲.直流电缆绝缘监察保护原理及在地铁中的应用[J].电气化铁道，2004(4)：30-32

［3］安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.6版；

［4］安科瑞IT系统绝缘监测故障定位装置及监控系统（中英文）2020.01版