城市轨道交通直流馈线电缆在线监测方案设计与应用

常宝波，程咏斌，梁钊福，杨宜广

（1.广州市扬新技术研究有限责任公司，广州 510540；2.广州市世科高新技术企业有限公司，广州 510540）

0 引言

城市轨道交通工程采用直流牵引供电轨，通过架空接触网或接触轨受电，利用列车走行钢轨作为负回流线，列车运行过程中不断振动周围环境，造成接触网脏污，使得接触网设备容易发生绝缘击穿等现象，造成接地端路跳闸，牵引电流沿钢轨流回牵引变电所时在钢轨上形成电压降，从而导致钢轨与大地之间产生电位差，引起泄漏电流。随着城市轨道交通规模的不断扩大，地铁线路逐渐增多，直流馈线电缆的应用越来越多[1-2]。然而，直流馈线电缆电流的监测难度较大[3-4]。传统方案是通过分流器监测馈线电缆的电流，而分流器只能监测10 A以上的电流，同时直流牵引保护的动作电流往往在几千安培的数量级，对于更小量级的电流与高阻接地等轻微故障的情况无能为力[5-6]。对于馈线电缆可能存在破损的情形，目前没有有效的方法或技术手段对其进行定性甚至定量的监测与分析。现有的排障手段，只是在切除电力后，通过人工对疑似故障的电缆进行逐根、逐段“手摸”式损伤排查，效率十分低下[7-8]。因此，本文提出一种基于霍尔元件的直流馈线电缆泄漏电流在线监测方案，检测各区间段接触网泄漏电流的变化情况，通过预警泄漏电流过大的区间段以减少事故的发生率，实现地铁直流馈线电缆泄漏电流的实时监测，降低地铁维护工作量及成本。

1 直流馈线电缆泄漏电流监测原理

1.1 在线监测方案原理

地铁直流牵引系统主要包括了整流变压器、整流器和直流开关柜等主要部件。整流变压器将交流33 kV的电压降压到1 220 V，通过整流器将交流电压整流为1 500 V左右的直流电压[9-10]。所得到的直流电源通过电缆送到牵引变电站内的直流母排上,通过直流馈线柜控制馈线电缆的供电。直流馈线通过上网电缆给接触网供电，地铁列车借助接触网取流，完成整个地铁牵引供电系统的供电和用电[11-12]。同正常运行时负荷电流相比，泄漏电流的量级要小很多。为了更好地监测到泄漏电流，本方案利用霍尔元件精确测量微小电流的特性，通过霍尔元件采集微小泄漏电流，对采集到的泄漏电流进行数据分析，实时监测直流馈线柜电缆电流。通过对比分析列车运行、列车停运、上网隔离刀闸断开等各种情况下的监测电流值，实现泄漏电流的判断与故障区域的定位。

本方案选择1 500 V直流馈线柜出线为监测点。当直流馈线柜出线与接触网之间的隔离开关处于分位置时，霍尔元件采集电缆泄漏电流，此时若发现泄漏电流，则泄漏电流来自于馈线柜出线电缆；当隔离开关处于合位置时，采集接触网上的泄漏电流，此时若发现泄漏电流，则泄漏电流存在于接触网中；当地铁正常运行时，监测接触网及电缆的负荷电流，通过负荷电流判断机车运行是否存在故障；当地铁收车时，对接触网及电缆上的泄漏电流进行监测，对泄漏电流大小、位置进行初步判断，为地铁检修人员的工作提供依据。

考虑到地铁上采用双端供电原理为机车供电，如图1所示，以图中A-B站为例，说明站间及站内泄漏电流监测原理。

在A、B站分别使用霍尔元件采集接触网上的电流ia、ib，对全天的监测情况进行分析：（1）当机车正常运行时，ia、ib为负荷电流，此时将负荷电流采集，并进行每日对比，查看负荷电流峰值、谷值等是否有明显变化，若有明显变化，则机车存在问题；（2）当机车刚收车时，此时线路上若存在电流，则为泄漏电流。

图1 站间电流流向

如图2所示，图中每一站内有5路电缆，每路电缆上串联4个不同量程的霍尔元件，每路电缆选取最适当的量程采集值作为该路泄漏电流采集值，将5路电缆得到的泄漏电流值相加，即得到该站内泄漏电流ik，如式（1）所示。

式中：ia、ib分别由5个支路的泄漏电流构成，ia=iah1+iah2+iah3+iah4+iah5，ib=ibh1+ibh2+ibh3+ibh4+ibh5。

由于接触网上的泄漏电流由于范围较大，采用分级采集的方式每一支路有4个霍尔元件，量程分别为0～10 mA、0～1 A、0～10 A和0～100 A。电缆上的泄漏电流较小，监测时选用量程为0～10 mA的霍尔元件进行数据采集。若泄漏电流较大则选用其他量程霍尔元件。

图2 站内接触网

1.2 在线监测方案流程

本方案主要可以分为3个模块：数据采集及信号调理模块、采样装置模块及后台系统模块。数据采集模块通过电流接口接收接触网连接线缆区间段的电流模拟量信号；信号调理模块将电流模拟量信号转换为电压模拟量信号并传输至采样装置；采样装置将接收的电压模拟量信号转换为电流数字量信号，并将电流数字量信号通过以太网接口传输至后台系统。

数据采集及信号调理模块通过4种不同量程（0～10 mA、0～1 A、0～10 A和0～100 A）的霍尔元件电流接口接收来自接触网连接电缆区间段的电流模拟量信号，电流模拟量信号经过信号调理后转换为电压模拟量信号并传输至采样装置。

采样装置模块将接收到的电压模拟量信号通过ADC转换器转换为电流数字量信号，并通过以太网接口传输至后台系统。

后台系统模块又包括网络传输模块、负载均衡服务器、数据采集服务器、数据存储服务器、数据处理服务器、前端服务器和监控中心服务器7个子模块。其中，网络传输模块用于传输电流数字信号；负载均衡服务器用于调配数据采集服务器；数据采集服务器用于对接收的电流数字信号进行解码、归类和整合储存至数据存储服务器；数据处理服务器用于分析数据存储服务器中的数据，对站间数据进行比对，将异常数据传输至前端服务器。

负载均衡服务器根据服务器权重调配数据采集服务器，负载均衡服务器在接收到采样装置的连接请求后，若负载均衡服务器与数据采集服务器连接成功后，负载均衡服务器根据服务器权重重新调配数据采集服务器。

若负载均衡服务器与数据采集服务器连接未成功，判断数据采集服务器是否发生宕机故障；若数据采集服务器发生宕机故障，数据采集服务器恢复初始状态，负载均衡服务器会分配备份负载均衡服务器进行数据备份；若数据采集服务器不发生宕机故障，则负载均衡服务器重新接收到采样装置的连接请求，直至负载均衡服务器根据服务器权重重新调配数据采集服务器。

监控中心服务器与后台系统中各模块与服务器设有心跳包，用于监控后台系统的运行状态。后台系统通过网络传输模块将带时标的电流数字量信号传输至采样装置进行网络对时，用于校准采样装置时间。

底层采样元件采集地铁供电轨输入的电流模拟信号，然后将电流模拟信号经采样装置转换为数字量信号，并通过以太网接口发送至数据发送模块，数据发送模块接收采样装置发送的数字量信号，然后以无线传输的方式发送至数据采集模块。其中，负载均衡模块为采样装置调配相应的数据采集模块，使得采样装置与数据采集模块进行连接、通讯；云端服务器对接收的数字量信号进行校验判断和数据处理，数据采集模块用于对处理的数据进行设备信息预处理及数据分析预处理，并将预处理后的数据存放至数据存储模块中；通过数据处理模块将数据存储模块中的数据进行分析，并将数据分析结果推送至前端模块，前端模块根据用户请求将采集数据以实时数据、历史数据、装置信息、异常告警等推送至终端，实现数据可视化。

2 直流馈线电缆泄漏电流实施方案

根据现场运营监测数据显示，广州地铁坑口站馈线至接触网连接电缆区间段可能存在部分电流泄漏现象，因此我司依据直流馈线电缆在线监测的原理对现场监测进行方案设计，提供了一套城市轨道交通直流馈线电缆电流在线监测系统（该系统包括1套“基于轨道交通接触网泄漏电流在线监测系统”程序、3台直流录波装置、12台霍尔元件数据采集装置、1台4G无线路由器及1台工业级交换机，以下简称“在线监测系统”）。

在线监测系统于2019年10月在广州地铁一号线坑口车辆段试运行，对坑口车辆段现场馈线柜214的电缆进行采集数据，馈线柜214中有3根电缆，编号分别为C-2141、C-2142、C-2143，对每一根电缆均使用4个不同量程的霍尔元件进行数据采集，采集量程分别为0～10 mA、0～1 A、0～10 A、0～100 A。霍尔元件采集的数据经录波装置的4路AI输入传输至交换机、4G无线路由器并发送至云端服务器中的后台系统。后台系统对采集的数据进行存储、分析及托送到前端网页展示。

3 现场实测数据分析

通过云端平台实时监控直流牵引网馈线段各个支路直流电流数据。实时监控数据包括3根电缆实时的负荷电路及泄漏电流，并计算出该馈线总负荷及总泄漏电流。以电缆2141为例，其实时电流数据如图3所示。此外，还可通过数据对比功能可查询、对比相关时间段内各馈线段负荷电流；通过数据分析功能可分析相关时间段内各馈线段负荷电流、泄漏电流每日数据最大、最小负荷及每日数据对比。可以分析每日负荷、泄漏电流最大值、最小值及均值、负荷、泄漏电流变化趋势；通过实时录波功能可对直流牵引网馈线段各个支路进行实时波形录制，生成录波文件。底层采样装置采样频率为10 kHz，即采样时间间隔为0.1 ms。以10 kHz采样频率连续录波，可生成录波文件，在前端可看到波形并可保存。

根据直流馈线段现有系统的测量和保护功能原理，微小电流可能出现几十安培至几百安培零飘，进而导致测量和保护功能不准。现场证实引入馈线电缆电流在线监测系统可以准确监测微小电流，减少现有系统保护功能的误判。

经2个多月的现场测试，在线监测系统运行稳定，各类数据的采集量达200万条，实现的主要功能如下。

（1）实时监测：通过云端平台实时监控直流牵引网馈线段各个支路直流电流数据。

（2）数据对比查询及分析：通过数据分析功能可查询、对比相关时间段内各馈线段负荷电流、泄漏电流每日数据统计分析及数据对比。

（3）实时录波：通过实时录波功能可对直流牵引网馈线段各个支路进行实时波形录取，生成录波文件。

4 结束语

本文设计了一种基于霍尔元件的直流馈线电缆泄漏电流在线监测方案，方案中霍尔元件采集数据后传输给录波装置，录波装置连接到交换机后经由无线路由器，把数据实时上传到云端服务器，云端服务器对数据进行分析以及存储，最后通过网页端进行数据访问及查看处理结果。该方案实现了地铁接触网各个区间段泄漏电流的实时监测，实时检测各区间段接触网泄漏电流变化情况，对泄漏电流过大的区间段可进行预警，安全可靠，提高了工作效率，可实现监控数据远程查看，减少现场维护人员工作量，降低地铁运营的维护成本。该方案已经成功应用于广州地铁一号线坑口车辆段，经过运行及测试，该系统运行稳定，能够对馈线电流的电流进行实时监测，同时能够对负荷电流进行最大值、最小值、均值对比分析。该方案可以监测到稳定的泄漏电流，但还无法监测到间歇性的泄漏电流，需要进行进一步研究。

图3 馈线段电缆2141实时电流数据

在实际的应用过程中，后续可更为细致地研究单根电缆的不同位置在不同时刻的电流值，探讨泄漏电流存在的区间位置，从而进一步减少检修工作量。当馈线电缆比较长时，该方向的研究将更具意义。