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    干货 | 广州地铁供电系统在线监测应用浅析

    作者:RT轨道交通 发布时间:2019-03-21 浏览次数:515

    悉尼fcvs墨尔本胜利预测 www.kjsub.com   近年来,我国轨道交通建设如火如荼,地铁作为城市交通的大动脉,在城市公共交通中的骨干作用日益凸显。根据轨道交通协会发布的统计数据,截至2018年底,中国内地累计有35个城市建成投运城轨交通线路,里程已达5766.6公里。随着地铁运营规模的扩大,设备总量、运维人员数量和维修成本与日剧增,同时乘客对地铁的服务需求不断提高。如何进一步提高设备可靠性,降低故障率以及故障影响,减少运维成本,已成为业界关注重点。

       目前,地铁供电系统设备普遍采用计划修(定期试验和维修)的维修模式,无法实时掌握设备运行状态以及关键参数指标变化,对故障的预见性不足,维修针对性不强,一定程度上可能存在人力物力的浪费。状态修以设备当前的实际性能为依据对检修时机进行决策, 相比计划修,提高了对检修时机把握的精确性[1],缩短停电检修时间,可实现维修资源的精准投放。本文以广州地铁某变电所开展的智能运维案例为切入点进行分析。

    一、在线监测系统的目标与定位
      状态修是个系统工程,不能一蹴而就,而收集和判断设备的实际性能是第一步骤。在线监测系统应定位为服务于供电设备的全寿命周期管理工作,助力实现状态修的最终目标,综合考虑既有供电设备维护管理方式,电力监控(SCADA)系统的覆盖情况找到设备状态指标的关键点、缺失点进行监测。监测数据一方面是SCADA系统实时报警功能的补充,更重要的是通过大量监测数据的分析得出设备的指标数据,进而进行状态诊断,做出预警关注、提示维修、警示抢修、标志报废等工作指导。

    二、整体技术思路
    2.1地铁供电系统的基本组成
      地铁供电系统一般由外部电源、主变电所、牵引供电系统、动力照明供电系统组成。较为常见的集中供电方式如图1所示,主变电所接受城市电网110kV电压等级的电源,降压后以中压33kV供给牵引/降压变电所;牵引变电所从主变电所获得电能,经过降压和整流变成电动列车牵引所需要的DC1500V直流电;降压变电所从主变电所获得电能并降压变成0.4kV低压交流电,供给环控、照明、办公等低压负荷。典型的供电回路示意图如图1所示。



    图1 典型供电回路示意图

      按照电压等级可分为高压(AC110kV, AC33kV,DC1500V)、低压(AC0.4kV)两类;按照主要设备类型可分开关柜、变压器、整流器、线缆四种。

    2.2技术框架
      供电系统的全寿命周期管理系统包含数据采集板块,大数据运算板块和远程服务板块,详见图2。在数据采集板块,实现在线数据和离线数据的采集;在大数据运算板块,实现大数据处理和分析功能,以及根据大数据运算结果进行的维修管理策略输出功能。在远程服务板块,通过有线和无线的传输方式,将信息送达检修维护人员或设备管理人员。各类在线监测设备主要与实时数据采集单元存在接口。


    图2 结构思路图

      综合考虑设备的工作原理、运行模式、环境状态以及故障率、故障影响程度等因素,结合在线监测设备的成熟情况,优先从电气量、机械量、化学量等几个维度开展在线监测工作,详见图3。

     

    图3 在线监测量示意图

    三、关键设备监测方案

    3.1变压器

      主变电所通常采用110kV油浸式变压器(以下简称“油变”),变电所内的牵引或动力变压器通常采用环氧树脂浇注的干式变压器(以下简称“干变”)。

      油变的结构比较复杂,但应用的历史比较久,在电力行业中也开展了较多的在线监测工作,因此其在线监测方案比较成熟。本次主要开展了油色谱分析、油中微水含量测试、铁芯(含夹件)接地电流在线监测以及局放监测。干变结构相对简单,本次重点针对其绝缘、噪音以及负荷压力等问题开展了局放、温度、噪声和电流在线监测。

      采用变压器色谱在线监测系统,基于色谱分析原理,实现对变压器油中甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、氢气、一氧化碳、二氧化碳七种气体组分及总烃含量全检测,实现对变压器内部运行状态的在线监控和潜伏性故障预判;采用在线微水监测技术,利用变压器油中油和水的介电常数不同,不同含水率对应着不同的介电常数值,通过检测电容的变化量,可以推算出水的含量,进而监控变压器绝缘状况。通过对铁心接地电流连续、实时的监测,可及时发现内部绝缘受潮或受损。

       通过在铁芯接地线和中性线上设置高频电流传感器,对变压器内可能产生的局部放电进行监测。

      对于干变采用红外成像仪对其运行中的温度进行带电检测,采用声音传感器对变压器运行中的噪音进行带电检测。对空载电流和负荷电流进行实时监测,反映变压器空载损耗和三相负荷平衡性。

    3.2交流开关柜
      交流开关柜主要包括110 kVGIS、33kVGIS和0.4kV开关柜。针对断路器特性以及绝缘开展,此外针对GIS设备结构特点开展SF6气体、避雷器状态监测,0.4 kV开关柜温度监测。

    3.2.1 断路器特性监测

      采用高精度电流传感器监测分合闸线圈电流波形、计算分合闸时间,监测储能电机电流,采用霍尔电压传感器监测储能电机电压,采用位移传感器监测触头动作行程,形成断路器机构动作参数记录,同时对断路器动作时的主回路电流、电压进行录波,进而形成对断路器机构、灭弧介质的综合功效的评价。

    3.2.2 局部放电

      当设备产生局部放电时,气体击穿过程和击穿时间很快,放电电流波形中存在超高频信号,同时,设备内部出现的局部放电将会伴随产生超声波信号??刹捎贸咂岛统际醵?10 kVGIS局放进行监测。

        33kVGIS由于工作电压低,局放信号更难以捕捉,可采用暂态地电波(TEV)技术监测其内部放电情况。

    3.2.3 SF6气体监测

      采用微水密度在线监测装置对SF6气体状态进行在线监测。装置内置温度、压力、露点三种传感器,用于对GIS等充气设备的气体状态进行现场数据采集。

    3.2.4 避雷器监测

      在线监测金属氧化物避雷器的全电流,通过对全电流和阻性电流的分析确定避雷器的绝缘状态。

    3.2.5 温度监测

      低压开关柜,由于大电流的工作特点,质量事故中发热、烧损等故障比较常见。故采用温度监测技术,对设备内的关键节点(如线缆接驳点、母排连接处等)的温升进行实时监测,可及时发现异常温升,从而提前发现和消除故障隐患。

    3.3电缆
       对于110kV、33kV及1500V电缆主要采用电缆本体温度监测。110kV、33kV电缆试点对电缆接头处进行局放监测,但故障几率极低,监测效果难以评价。

    3.4直流开关设备
       直流开关设备配置断路器特性以及开关柜温度在线监测(原理与交流开关柜类似,不再赘述),另结合直流开关柜的安装特点,开展了框架绝缘监测研究。

      直流牵引系统的正、负极开关柜均需对地绝缘安装,所有设备框架外壳通过一条接地线进行单点接地,直流设备框架泄漏电流通过该点接地??蚣芫导嗖庾爸眉丛诟么ψ吧璧缌鞔衅鳎?),实时监测泄漏电流量,弥补既有框架?;そ鐾ü孤┑缌鞣е荡シ⒓痰缙鞯牟蛔?,实现历史数据采集和提前预警。

     

    图4 直流设备绝缘监测方案示意图

    四、结语
      随着运营规模的不断扩大,高效高质的设备维保已成为城市轨道交通发展的必然需求。从计划修逐渐过渡到状态修,从人工检测到自动监测也成为了城轨供电系统运维发展的必经之路。经过一年多的试点,实践证明,在线监测技术能够帮助我们向高效运维迈进,但也存在以下需要关注的问题:

    (1)在线监测方案和技术的可靠性、稳定性需要经过时间的考验和不断的校对。短期内还要与人工检测相结合以发现不足并逐渐建立对在线监测系统的信心。

    (2)个别监测方案(如电缆局放)较难通过试验验证,还需要进一步研究。

    (3)在线监测产品的质量直接影响系统监测效果,同时应注意在线监测设备本身的运维和检测要求。

    (4)既有线改造通常只能采取额外加装设备的方式实现监测功能,工程实施困难,在新线建设中应与设备作一体化考虑。

    (5)在线监测服务于设备运维,在线监测系统的核心和难点在于后台的数据分析系统。目前各类监测技术发展较为迅猛,但后台的分析功能往往比较薄弱,零散的数据难以使运维工作实现质的飞跃。这就需要厂家和地铁运营单位通力合作,充分将大数据、云平台等技术与设备运营经验相结合。

    参考文献
    [1]李明,韩雪山,杨明等.电网状态检修概念与理论基础研究[J].中国电机工程学报,2011,31(34):43-52.
    [2] 张晓群. 变电设备在线检测技术及状态检修的研究[J]. 工程技术研究, 2017(6):144-145.
    [3]王胜辉,刘畅,牛成玉,杨芳,梁东森. 基于大数据的电力变压器智能在线监测方法[J]. 中国科技信息, 2018(22):45-47


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