牵引供电设备运行状态检测监测与风险评估系统

(供电设备运行状态检测监测系统技术方案)

1 概述

       随着国家高速铁路网的建设与运营，尤其是“高速铁路供电安全检测监测系统(6C系统)”的成功投运，铁路牵引供电设备的安全管理措施、技术和设备也提高前所未有的水平。

       由于系统建设投资巨大，6C系统建设目前仅在高速铁路的6C综合数据处理中心和C1 (高速弓网综合检测)、C2 (接触网安全巡检)、C3 (车载接触网运行状态检测)、C4 (接触网悬挂状态检测监测)、C5 (受电弓滑板监测)等得到了实施，C6 (接触网及供电设备地面监测)由于设备类型、检测监测技术、手段、方法的不同和标准尚未统一，相关设备的监测技术、设备虽有所使用，但在检测监测数据的管理、应用方面尚未起步和提高。

       本方案以牵引供电变压器管理运行维护为核心，主要针对牵引供电设备运行状态检测和方面，提供了一套6C系统的建设、实施和数据管理和利用方面的建议，内容主要涉及：

1)    变压器及其附件运行状态在线监测；

2)    电缆及电缆头局部放电检测监测；

3)     电缆头光纤测温；

4)     GIS气室SF6和局部放电检测监测；

5)     开关柜局部放电检测监测。

1.1目的

       从状态检修的角度，充分利用状态监测的设备和技术，构建一套可用于电气化铁路牵引供电主设备运行状态安全检测监测和风险管控系统。即以牵引变压器及其附件的在线监测为主，构建一套可用于牵引供电设备安全管理和风险管控系统；给出供电设备运行状态评价；为牵引供电安全管理与维护提供有价值的参考，避免和减少因牵引变压器等主设备导致的供电系统故障的发生；以较低的投入，在保证行车安全的前提下，尽可能地延长牵引供电设备的使用寿命，充分保障和发挥电气化铁路资产投入的收益。 

1.2意义

依托“高速铁路供电设备安全检测监测系统”，以铁路局为单位，开展管内牵引供电主设备的状态监测，对确保电气化铁路供电系统安全，尤其是牵引变电所内主设备的安全，对牵引供电设备的检修和维护有十分重要的意义。

1) 及时获取牵引变电系统核心设备的运行状态及演变趋势,通过趋势分析，及时找到牵引供电网络可能存在的潜在风险，及时预防和防止供电系统可能发生的突发性事件；

2) 有利于发现变电所内主要电气设备，包括牵引变压器、电缆及其附件可能存在和正在发、发展的潜在故障与缺陷；

3) 通过对日常检测的记录和分析，有助于找出影响牵引变压器及其附件绝缘性能劣化的因素；

4) 通过动态负荷计算模型，即时计算出变压器的变压器动态负荷和剩余寿命；

5) 收集、整理和录入主设备所有出厂试验报告、型式试验报告和历次巡检、点检，以及离线试验数据，便于建立牵引电气设备的标准化管理和维护，为状态检修提供依据，安排有针对性的检测维护，防止检修不足和避免过度维护，节约维护成本；

6) 结合日常巡检、点检，充分利用在线监测记录，运用大数据处理分析技术，提供牵引变电所内主要电气设备状态评价和牵引供电系统风险评估。

7) 与6C系统综合数据管理中心实现对接，建立电气化铁路牵引供电设备运行状态远程集中在线监测与故障诊断中心，落实铁路局、供电段和牵引配电所分级管理和维护，为行车调度指挥中心提供必要的数据配套和信息保障，确保行车安全和减少系统风险。

2项目简介

电气化铁路牵引供电系统，点多线长，供电设备种类繁多，工况复杂，尤其是供电的间歇性、周期性，致使影响牵引供电安全的因素非常多。出于安全运营的考虑，目前我国电气化铁路所使用的主设备(包括牵引变压器)为一主一备，双回路设计，资产基数十分庞大，是铁路资产的重要组成。

目前牵引变电所、牵引变压器、接触网等主设备，均按修程进行。需要值班人员每隔一段时间对设备日常的巡视、检查、测量和试验。尽管日常点检能及时发现设备潜在的问题和正在发生的故障，故障和事故的发生往往存在一定的偶发性，不能完全避免设备事故的发生而影响到牵引供电。

   随着电子技术和信息技术的发展，出现大量的在线监测设备和装置，设备管理维护模式正由传统的设备计划检修转为状态检修。状态检修根据设备运行的状态安装检修和维护计划，可以防止检修不足和过度维护，减少故障和事故的发生。

2.1 变压器运行状态在线监测技术现状

1) 电力设备在线监测技术方兴未艾

随着电子信息与自动控制技术的发展，传统的计划检修正在逐步被以设备运行状态监测为基础的状态检修模式所替代，以变压器运行状态监测为主的电网输变电电力设备的状态监测技术和监测设备大量涌现出来。有变压器绝缘油中气体组分及微水含量在线监测设备、绕组光纤热点温度在线监测装置、套管健康状况等容性设备在线监测装置、断路器运行在线监测、电缆光纤测温、各种局部放电在线监测设备和带电监测技术等。

提供这些装置和技术，不仅有专门设计制造仪器仪表的第三方厂商，也有输变电设备制造厂家和负责设备运行维护的业主单位，存在广泛的市场基础。 

2) 现有的各类在线监测技术和设备均存在明显的局限性

    虽然可供变压器运行状态的在线监测设备和技术层出不穷，但由于设备所处的电磁场环境和受负荷的影响，均存在不同程度的局限性。

3) 变压器运行状态评价与评估需要进行综合监测

目前，输变电可供变压器及其附件的状态监测所用的传感器和仪器仪表、技术和检测手段方法有很多，但都仅仅局限于提供监测数据的展示，真正提供监测数据用于状态分析、评估和评价的却很少。

其主要原因在于，输变电设备的绝缘状况不仅与设备本身的内部结构及老化程度有关，还与电压等级、电磁场和电网的实际负载有直接的关系，仅凭单一的监测指标不能充分地反映真实的状况。

只有将状态监测数据与被监测设备的绝缘状况、所处的电磁场特性和实际负载结合起来，通过多参量的状态分析与评价模型和大量占有监测数据的情况下，才能给出相应的综合分析报告，所采用的在线监测技术和设备才能充分有效地发挥作用。

2.2 牵引电压器运行状态在线监测现状

牵引供电与国民生产、生活供电有着截然不同的特点：供电线路长，电压等级相对低、容量相对偏小、负载受运行图的影响，正常供电时欠负荷，高密度运营时过负荷，供电和受电带有明显的周期性，工况条件复杂、谐波谐振现象严重，容易影响供电方电能质量和引发牵引供电系统震荡而导致电气设备绝缘性能受损和老化加速，对保护设备有更高的要求。

    由于牵引供电变压器电压等级低、工况复杂、投入少，牵引供电设备的耐压设计小，运行过程中因耐压等级和保护覆盖等不足而经常发生设备故障和故事。

    尤其是近年来随着机车交路的不断延长，运行速度的不断提高及牵引重量的不断加大，机车在运用现场的安全事故也时有发生，直接和间接损失巨大，严重影响了机车运用安全和运营秩序。

    为了防止供电设备故障和及时发现牵引供电的问题，在供电系统中部署了一些在线监测装置，但由于所采用的监测设备本身存在缺陷，未能得到充分的利用，也无法发挥出在线监测的优势。

    1、油中溶解气体多组分在线监测。此监测项目在高铁线路上设计有，但因采用的在线色谱，需要消耗和更换载气，不稳定，经常误报警，均被供电段停用；

2、电缆头光纤测温系统。该系统能够实时监测到电缆的温度变化。但因牵引供电的间歇性，无法分别出导致温度上升是负载变化，还是电气设备状态异常；

3、电缆接地电阻在线监测。该装置可以实时监测到电缆因老化或人为等因素导致的对地绝缘劣化的现象。但无法捕捉到早期引发电缆劣化的局部放电现象；

4、避雷器泄露电流和变压器铁芯接地等；

5、6C监测系统虽然规划了供电设备的检测监测，但未明确检测监测的标准、项目、方式，目前尚在探索阶段。

2.3 关键技术和难点

1) 设计一套以牵引变压器运行状态为主的牵引主设备状态在线监测、故障诊断和缺陷分析的系统，为牵引变电所内牵引主设备及其系统提供状态评价、风险评估服务，状态报告；

2) 配备专用采集器，提供多通道、通道复用，配置式接入来自于被监测设备的状态信号，第三方专用在线监测设备及其应用软件与算法；

3)建立以反映牵引变压器运行状态的关键气体组分含量变化趋势为主、结合变压器本体及其附件的专项监测，提供一套适合牵引变压器使用的牵引供电系统运行状态评价和风险评估的综合监测装置，确保电气化铁路行车安全；

4) 根据状态评价模型，收集并输入以牵引变压器为主的主设备出厂试验报告数据、形势试验报告数据和日常巡检记录数据；

5) 借助于TMIS、GSM网络和移动通信网络提供的点到点通讯技术，为牵引供电设备管理和维护服务提供方提供一套不受时间、地点限制的牵引供电系统及其附件状态监测的现代化管理运行与维护模式；

6) 采用定期带电监测和在线监测相结合的方法，对所有牵引供电主设备的运行状态的安全检测和监测。优势是性能稳定的干式变压器，数量庞大的电缆头、开光柜开展局部放电检测，避免设备安全管理出现死角。