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干貨 | 廣州地鐵供電系統在線監測應用淺析

作者:RT軌道交通 發布時間:2019-03-21 瀏覽次數:361

  近年來,我國軌道交通建設如火如荼,地鐵作為城市交通的大動脈,在城市公共交通中的骨干作用日益凸顯。根據軌道交通協會發布的統計數據,截至2018年底,中國內地累計有35個城市建成投運城軌交通線路,里程已達5766.6公里。隨著地鐵運營規模的擴大,設備總量、運維人員數量和維修成本與日劇增,同時乘客對地鐵的服務需求不斷提高。如何進一步提高設備可靠性,降低故障率以及故障影響,減少運維成本,已成為業界關注重點。

   目前,地鐵供電系統設備普遍采用計劃修(定期試驗和維修)的維修模式,無法實時掌握設備運行狀態以及關鍵參數指標變化,對故障的預見性不足,維修針對性不強,一定程度上可能存在人力物力的浪費。狀態修以設備當前的實際性能為依據對檢修時機進行決策, 相比計劃修,提高了對檢修時機把握的精確性[1],縮短停電檢修時間,可實現維修資源的精準投放。本文以廣州地鐵某變電所開展的智能運維案例為切入點進行分析。

一、在線監測系統的目標與定位
  狀態修是個系統工程,不能一蹴而就,而收集和判斷設備的實際性能是第一步驟。在線監測系統應定位為服務于供電設備的全壽命周期管理工作,助力實現狀態修的最終目標,綜合考慮既有供電設備維護管理方式,電力監控(SCADA)系統的覆蓋情況找到設備狀態指標的關鍵點、缺失點進行監測。監測數據一方面是SCADA系統實時報警功能的補充,更重要的是通過大量監測數據的分析得出設備的指標數據,進而進行狀態診斷,做出預警關注、提示維修、警示搶修、標志報廢等工作指導。

二、整體技術思路
2.1地鐵供電系統的基本組成
  地鐵供電系統一般由外部電源、主變電所、牽引供電系統、動力照明供電系統組成。較為常見的集中供電方式如圖1所示,主變電所接受城市電網110kV電壓等級的電源,降壓后以中壓33kV供給牽引/降壓變電所;牽引變電所從主變電所獲得電能,經過降壓和整流變成電動列車牽引所需要的DC1500V直流電;降壓變電所從主變電所獲得電能并降壓變成0.4kV低壓交流電,供給環控、照明、辦公等低壓負荷。典型的供電回路示意圖如圖1所示。



圖1 典型供電回路示意圖

  按照電壓等級可分為高壓(AC110kV, AC33kV,DC1500V)、低壓(AC0.4kV)兩類;按照主要設備類型可分開關柜、變壓器、整流器、線纜四種。

2.2技術框架
  供電系統的全壽命周期管理系統包含數據采集板塊,大數據運算板塊和遠程服務板塊,詳見圖2。在數據采集板塊,實現在線數據和離線數據的采集;在大數據運算板塊,實現大數據處理和分析功能,以及根據大數據運算結果進行的維修管理策略輸出功能。在遠程服務板塊,通過有線和無線的傳輸方式,將信息送達檢修維護人員或設備管理人員。各類在線監測設備主要與實時數據采集單元存在接口。


圖2 結構思路圖

  綜合考慮設備的工作原理、運行模式、環境狀態以及故障率、故障影響程度等因素,結合在線監測設備的成熟情況,優先從電氣量、機械量、化學量等幾個維度開展在線監測工作,詳見圖3。

 

圖3 在線監測量示意圖

三、關鍵設備監測方案

3.1變壓器

  主變電所通常采用110kV油浸式變壓器(以下簡稱“油變”),變電所內的牽引或動力變壓器通常采用環氧樹脂澆注的干式變壓器(以下簡稱“干變”)。

  油變的結構比較復雜,但應用的歷史比較久,在電力行業中也開展了較多的在線監測工作,因此其在線監測方案比較成熟。本次主要開展了油色譜分析、油中微水含量測試、鐵芯(含夾件)接地電流在線監測以及局放監測。干變結構相對簡單,本次重點針對其絕緣、噪音以及負荷壓力等問題開展了局放、溫度、噪聲和電流在線監測。

  采用變壓器色譜在線監測系統,基于色譜分析原理,實現對變壓器油中甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、氫氣、一氧化碳、二氧化碳七種氣體組分及總烴含量全檢測,實現對變壓器內部運行狀態的在線監控和潛伏性故障預判;采用在線微水監測技術,利用變壓器油中油和水的介電常數不同,不同含水率對應著不同的介電常數值,通過檢測電容的變化量,可以推算出水的含量,進而監控變壓器絕緣狀況。通過對鐵心接地電流連續、實時的監測,可及時發現內部絕緣受潮或受損。

   通過在鐵芯接地線和中性線上設置高頻電流傳感器,對變壓器內可能產生的局部放電進行監測。

  對于干變采用紅外成像儀對其運行中的溫度進行帶電檢測,采用聲音傳感器對變壓器運行中的噪音進行帶電檢測。對空載電流和負荷電流進行實時監測,反映變壓器空載損耗和三相負荷平衡性。

3.2交流開關柜
  交流開關柜主要包括110 kVGIS、33kVGIS和0.4kV開關柜。針對斷路器特性以及絕緣開展,此外針對GIS設備結構特點開展SF6氣體、避雷器狀態監測,0.4 kV開關柜溫度監測。

3.2.1 斷路器特性監測

  采用高精度電流傳感器監測分合閘線圈電流波形、計算分合閘時間,監測儲能電機電流,采用霍爾電壓傳感器監測儲能電機電壓,采用位移傳感器監測觸頭動作行程,形成斷路器機構動作參數記錄,同時對斷路器動作時的主回路電流、電壓進行錄波,進而形成對斷路器機構、滅弧介質的綜合功效的評價。

3.2.2 局部放電

  當設備產生局部放電時,氣體擊穿過程和擊穿時間很快,放電電流波形中存在超高頻信號,同時,設備內部出現的局部放電將會伴隨產生超聲波信號。可采用超高頻和超聲波技術對110 kVGIS局放進行監測。

    33kVGIS由于工作電壓低,局放信號更難以捕捉,可采用暫態地電波(TEV)技術監測其內部放電情況。

3.2.3 SF6氣體監測

  采用微水密度在線監測裝置對SF6氣體狀態進行在線監測。裝置內置溫度、壓力、露點三種傳感器,用于對GIS等充氣設備的氣體狀態進行現場數據采集。

3.2.4 避雷器監測

  在線監測金屬氧化物避雷器的全電流,通過對全電流和阻性電流的分析確定避雷器的絕緣狀態。

3.2.5 溫度監測

  低壓開關柜,由于大電流的工作特點,質量事故中發熱、燒損等故障比較常見。故采用溫度監測技術,對設備內的關鍵節點(如線纜接駁點、母排連接處等)的溫升進行實時監測,可及時發現異常溫升,從而提前發現和消除故障隱患。

3.3電纜
   對于110kV、33kV及1500V電纜主要采用電纜本體溫度監測。110kV、33kV電纜試點對電纜接頭處進行局放監測,但故障幾率極低,監測效果難以評價。

3.4直流開關設備
   直流開關設備配置斷路器特性以及開關柜溫度在線監測(原理與交流開關柜類似,不再贅述),另結合直流開關柜的安裝特點,開展了框架絕緣監測研究。

  直流牽引系統的正、負極開關柜均需對地絕緣安裝,所有設備框架外殼通過一條接地線進行單點接地,直流設備框架泄漏電流通過該點接地。框架絕緣監測裝置即在該處裝設電流傳感器(見圖4),實時監測泄漏電流量,彌補既有框架保護僅通過泄漏電流閥值觸發繼電器的不足,實現歷史數據采集和提前預警。

 

圖4 直流設備絕緣監測方案示意圖

四、結語
  隨著運營規模的不斷擴大,高效高質的設備維保已成為城市軌道交通發展的必然需求。從計劃修逐漸過渡到狀態修,從人工檢測到自動監測也成為了城軌供電系統運維發展的必經之路。經過一年多的試點,實踐證明,在線監測技術能夠幫助我們向高效運維邁進,但也存在以下需要關注的問題:

(1)在線監測方案和技術的可靠性、穩定性需要經過時間的考驗和不斷的校對。短期內還要與人工檢測相結合以發現不足并逐漸建立對在線監測系統的信心。

(2)個別監測方案(如電纜局放)較難通過試驗驗證,還需要進一步研究。

(3)在線監測產品的質量直接影響系統監測效果,同時應注意在線監測設備本身的運維和檢測要求。

(4)既有線改造通常只能采取額外加裝設備的方式實現監測功能,工程實施困難,在新線建設中應與設備作一體化考慮。

(5)在線監測服務于設備運維,在線監測系統的核心和難點在于后臺的數據分析系統。目前各類監測技術發展較為迅猛,但后臺的分析功能往往比較薄弱,零散的數據難以使運維工作實現質的飛躍。這就需要廠家和地鐵運營單位通力合作,充分將大數據、云平臺等技術與設備運營經驗相結合。

參考文獻
[1]李明,韓雪山,楊明等.電網狀態檢修概念與理論基礎研究[J].中國電機工程學報,2011,31(34):43-52.
[2] 張曉群. 變電設備在線檢測技術及狀態檢修的研究[J]. 工程技術研究, 2017(6):144-145.
[3]王勝輝,劉暢,牛成玉,楊芳,梁東森. 基于大數據的電力變壓器智能在線監測方法[J]. 中國科技信息, 2018(22):45-47


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