标题城市轨道交通直流电缆绝缘在线监测方案研究

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，在铠装层和负之间并联电阻R2。

设置电压变送器分别采集导体对负的电压U和金属铠装层对负的电压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)对负的电压(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的电压US只随导体对负电压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，而金属铠装层对负的绝缘电阻RS不变，US随RC的减小而增大，US/U也随之增大；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；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，铠装层对负绝缘故障严重情况下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。

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