王志新 刘 璘 田成元

（甘肃交通职业技术学院，730070，兰州∥第一作者，副教授）

城市轨道交通车辆直流电缆局部放电检测系统的设计

王志新 刘 璘 田成元

（甘肃交通职业技术学院，730070，兰州∥第一作者，副教授）

直流电缆是城市轨道车辆供电系统重要的电力输送线路。分析了轨道交通车辆直流电缆局部放电的产生机理及危害，指出了现行局部放电检测技术的局限性。基于信号特性设计出相应的高频电流传感器以及信号放大器，并选择了与之相适应的数据采集卡，还编写了计算机软件程序，能够实现对局部放电信号的数据采集处理和波形显示。通过频谱分析能够对直流电缆绝缘状态做出评价和对干扰信号进行分类分离。

城市轨道交通；车辆；直流电缆；局部放电；频谱分析

First-author'saddressGansu Vocational And Technical College of Communications，730070，Lanzhou，China

城市轨道交通（以下简称，城轨）直流电缆主要适用于额定电压1 500 V及以下的直流电力传输，目前我国规定为750 V和1 500 V两种。直流电缆是城轨车辆供电系统重要的电力输送线路，其绝缘状态的好坏直接关系着车辆的安全可靠运营［1］。

电缆局部放电是造成绝缘老化的主要原因，也是绝缘劣化的重要征兆和表现形式。当前国内外对交流电缆的局部放电检测方法都做了很多研究，主要的检测方法有脉冲电流法、差分法、方向耦合法、电磁耦合法、电容耦合法、超声波检测法等，并且已成功应用到现场交流电缆局部放电检测中，但在直流电缆局部放电检测方面的研究还相对较少。直流电缆的绝缘部分一般采用电性能优良的XLPE或EPR材料，绝缘材料和交流电缆采用的材料基本相同，因此目前一般将交流电缆的检测方法应用在直流电缆的检测上，理论上虽然是可行的，但是由于交流检测过程中需要给电缆施加交流电压，而并不能模拟真实直流电缆的正常工作状态，因此这些检测方法并不能起到理想的检测效果。近些年高频测量方法受到更多局部放电检测人员的关注，成为直流电缆局部放电在线检测新的技术方向。

本文首先分析了城轨车辆直流馈电电缆局部放电产生的机理以及局部放电信号的幅频特性，然后根据局部放电信号的特性设计出适用于城轨车辆直流电缆在线监测的宽频带电流感器以及与其相匹配的信号放大器，并选择适当的高速数据采集卡以及便携式工业计算机，最终通过计算机软件编程，实现局部放电信号的采集处理、数据显示、频谱分析，并完成数据的存储、报表打印等功能［2］。

1 城轨车辆直流电缆局部放电的产生机理及危害

由于制造工艺等原因，直流电缆的绝缘材料内部可能会有一些气泡或杂质残留，致使出现电缆绝缘材料的绝缘体表面或内部区域所承受的电场不均匀的现象。在电缆运行过程中，在电场作用下绝缘体内部或表面就会出现一些区域的电场强度比平均电场强度要高，一些区域的击穿场强比平均击穿场强要低，因此在这些区域便会首先出现放电现象，而其它区域仍然保持着正常的绝

缘特性，这便形成了局部放电，电缆局部放电产生机理如图1所示。

图1 电缆局部放电产生机理

电缆绝缘体内部的气隙在发生放电的时候，气隙中的气体便会产生游离的现象，导致中性分子分离成带电的正、负离子等质点，并且在外部施加的电场作用下，电子或负离子会沿电场相反的方向移动，正离子会沿电场的方向移动，因此这些空间电荷便建立了新的电场，方向与外界施加的电场相反，此时气隙内的实际电场强度

车辆在运行过程中，通过受电弓或接触轨传输电能的过程是比较复杂的，车辆的运行速度、受电弓对接触导线的压力、升降弓压力等因素都可能引起离线等现象，并且气象条件以及周围环境等都会对受流质量有着直接的影响。对于外界施加直流电压的电缆，当电压瞬时值上升致使绝缘体中气隙上的电压达到气隙的击穿电压时，气隙便发生放电。

长时间的局部放电对电缆绝缘材料的绝缘性会产生严重的危害，主要表现在由于放电所产生的局部发热、化学活性生成物、带电粒子的撞击以及辐射等因素对绝缘材料的损伤。这种对绝缘材料的破坏作用是一个缓慢的发展过程，而且从局部开始，并受多种其他因素影响，对运行中的高压电缆是一种安全隐患，局部放电是造成高压电缆最终发生绝缘击穿的主要原因之一［3］。

城轨车辆的直流电缆局部放电是比较复杂的物理过程，需要通过多种表征参数才能全面地描绘其状态，主要参数包括视在放电电荷、放电重复率、放电能量、放电平均电流、放电功率等。

2 硬件系统设计与选择

2.1 高频电流传感器的设计

理论和试验研究表明XLPE或EPR材料的直流电缆局部放电信号的频谱中主要分量集中在≤6 MHz，而噪声干扰的频谱中主要分量多集中在≤1 MHz。因此针对XLPE或EPR材料电缆的局部放电在线检测的现场环境，选用1～6 MHz范围内的高频段检测可有效提高传感器的抗干扰能力和信噪比［4］。

基于电磁耦合法检测的基本原理，本文研制出一个专门用于城市轨道车辆直流电缆局部放电在线检测的罗戈夫斯基线圈型宽频带电流传感器，该传感器的输出为一个与脉冲电流成比例的脉冲电压。主要由磁心、线圈、金属屏蔽盒等组成，磁心采用高频高导磁率、稳定性好的磁性材料，磁心上缠绕线圈并串接一个积分电阻R，构成自积分电路。磁心由两个半环经金属屏蔽盒的闭合结构而形成一个圆环，电流传感器及等效电路如图2所示。

图2 电流传感器及等效电路

等效电路中i（t）为线圈中脉冲电流信号，M为电流传感器的互感，Ls为线圈的自感，Rs为线圈的等效电阻，Cs为等效杂散电容。金属屏蔽盒可屏蔽现场空间的干扰信号，以抑制局部放电测量过程中外界干扰。

2.1.1 磁心材料的选择

磁心材料的工作频带在一定程度上决定了传感器的频带，目前国内用于高频的磁心材料有铁氧体、微晶态和非晶态材料等，图3为不同磁心制作的传感器的频率特性曲线。根据图3中的曲线，对于高频脉冲信号，Ni-Zn铁氧体频带较宽，为本传感器所采用。

图3 不同磁心制作的传感器的频率特性曲线

2.1.2 线圈匝数n的确定

当线圈匝数n增大时线圈的自感Ls增大，但

所采集的下限频率降低，频宽增加会导致灵敏度降低。图4为不同匝数下传感器的频率响应特性。

图4 不同匝数下传感器的频率响应特性

根据理论分析，当n=5或10时，高频灵敏度相差不大。为更好地满足自积分条件，同时拓宽频带，选取n=10。

2.2 放大器设计以及数据采集模块选择

从传感器上得到的局部放电脉冲电压信号一般都非常小，为数十毫伏到数百毫伏，并且混合一定量的干扰信号，因此，为了只获得局部放电脉冲信号，需要采用放大器进行信号筛选。放大器对信号采集、波形显示、响应特性、检测灵敏度以及噪声性能等有着直接的影响。放大电路通常由高通滤波器和适当频带宽度的放大器组成，其放大器电路图如图5所示。

图5 放大器电路图

放大器的入口处有一个LC组成的高通滤波器，主要用来抑制工频高次谐波的侵入，电阻衰减器以及放大器后面的电子衰减器构成了衰减倍率装置，每档20 dB，共100 dB，即作为增益粗调装置，电子衰减器的输出由电位器进行调节，作为增益细调装置。电阻衰减器后面的抽头L1构成了升压器，用来提高信噪比。放大部分主要由V1-V3组成，V1是低噪声场效应管3DJ4，起到脉冲电压信号放大的作用。

目前高频信号的检测系统设计中的采集模块，大多数设计者都选择美国NI公司研发的各系列的采集卡，如PCI总线采集卡、USB总线采集卡等，其优点是测量精度较高、性能优越。但是目前NI系列采集卡价格相对较高。本系统被测对象的信号频率主要集中在1～4 MHz范围之间，并且信号从放大器输出后提升至-5～+5 V范围之间。根据信号的这些特性以及对测量精度的要求，本系统选用MPX424波形采集模块，该模块既满足数据采集速率和采样精度的测试要求，同时价格也较合理。

MPX424是一款USB2.0总线，A/D转换器采用4片12位AD并行工作，主要面向同步高速信号测量。MPX424支持全速、连续大容量采样，可以直接将采样信号缓冲在计算机内存中，采样长度可以由软件设置，最大采样速率可达10 MHz，采样启动可以由软件或外部硬件触发启动。采样结束后，可以分段将数据读出。并且具有8路5 V电平开关量输出，可以通过软件程序控制继电器的通断，从而实现检测系统的自动控制［5］。

3 软件系统设计实现

局部放电检测系统的软件部分为操作者提供了必要的人机对话窗口，主要对直流电缆局部放电信

号进行处理显示并对测试数据进行操作管理。

综合考虑检测系统集通讯技术、数据存储技术、动态图形处理技术以及报表生成技术于一体，本检测系统以内置Windows XP操作系统的工业笔记本计算机作为上位机，编程语言采用Visual Studio 2005平台下的Visual Basic.NET语言，编写的程序具有安全性和语言互操作性方面的特点。

系统软件可归结为系统登录模块、用户管理模块、通讯模块、数据采集与处理模块、参数显示模块、试验数据存储与管理模块、频谱分析模块七大模块。软件系统的基本流程如图6所示。

图6 软件系统操作流程图

局部放电检测系统图形显示部分是将表征局部放电的各种参数如放电电压U、放电量Q、放电次数n、放电功率W等以一定的对应关系绘制成图形，从而能够直观反映放电现象。测试主界面如图7所示。

图7 测试系统主界面

城轨车辆直流电缆的电气接线特殊性决定了其局部放电检测中干扰信号的多样性和复杂性，分析认为可能存在的干扰主要有：①直流侧非被测设备的局放脉冲；②交流侧设备产生的局放脉冲；③白噪声；④整流装置产生的整流脉冲；⑤机车启动制动产生的电流脉冲；⑥其它电子设备产生的周期性信号干扰。由于篇幅限制，本文重点研究整流脉冲、机车启动和制动产生的电流脉冲和周期性信号干扰的特征，从而分析干扰抑制的研究方法。

整流脉冲干扰是车辆整流装置开断时产生的电流脉冲。研究发现整流干扰脉冲信号幅值与负载电流有关。脉冲间隔基本固定，重复频率与整流运行方式有关，单个脉冲持续时间较长（＞4μs）。图8为现场测到的整流干扰脉冲信号。

图8 整流脉冲干扰

由图8可知，整流脉冲干扰每工频周期（20 ms）出现12次，频率分布较宽，能量主要集中在＜3 MHz。

城轨车辆采用斩波调速，机车启动和制动时会引起脉冲电流。现场实测机车制动时的电缆电流波形见图9。

图9 机车制动时脉冲电流波形

由脉冲波形图可见城轨车辆制动脉冲电流信号持续时间约100μs；频谱较窄，能量集中在＜2 MHz。

城轨车辆牵引系统有众多电子设备，这些电子设备工作时会产生周期性窄带干扰信号，如图10所示。

图10 周期性干扰信号波形

可见，现场周期性干扰信号较强且分布在0.5 MHz～1 MHz之间。

根据研究结果，整流脉冲干扰具有很好的周期性和规律性，且同时出现在被测电缆上，故可采取同步采集差动平衡法和时域开窗法结合予以剔除；机车启动和制动时引起的脉冲干扰信号和电子设备随机干扰信号幅值较大但其频谱较低，而直流电缆放电信号频谱很宽，故通过选择传感器的响应频段、硬件滤波技术及频谱分析法抑制和消除这些干扰信号［6］。

4 结语

本文重点研究了城轨车辆直流馈电电缆局部放电的产生机理以及危害，通过对电缆局部放电信号特性分析，研制出高频电流传感器以及信号放大器，并选择了与之相适应的数据采集卡，编写了计算机系统软件程序，能够实现对局部放电信号的采集处理、测量。通过频谱分析，能够对干扰信号进行分类分离。

［1］ 沈小军，江秀臣，达世鹏.轨道交通直流电缆绝缘诊断技术现状及展望［J］.电工技术学报，2007（9）：22.

［2］ 方鸣.城市轨道交通的供电制式及馈电方式［J］.中国铁路，2003（4）：49.

［3］ 丘昌容，王乃庆.电工设备局部放电及其测试技术［M］.北京：机械工业出版社，1994.

［4］ 韦斌，王伟，李成榕，等.VHF钳型传感器在线检测110k V XLPE电缆局放［J］.高电压技术，2004，30（7）：37.

［5］ 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.

［6］ 沈小军，江秀臣，白建社，等.地铁直流电缆放电在线检测中干扰信号的研究［J］.高电压技术，2006，32（10）：29.

Design of Partial Discharge Detecting System for DC Cables of Rail Transit Vehicle

Wang Zhixin，Liu Lin，Tian Chengyuan

DC cable is the main power supply line for urban rail transit vehicles.Firstly，the partial discharge generation principle and harms of rail transit vehicle DC cables are analyzed，the limitations of partial discharge detectiontechnology is pointed out.Then，the high frequency current sensor and signal amplifier are designed through analyzing the signal characteristics，proper data collection cards are selected，a computer software program is wroten to realize the data collection and waveform display of the partial discharge signals.Finally，through spectral analysis，the evaluation and classification of DC cables insulation state are obtained.

urban rail transit；vehicle；DC cables；partial discharge；spectral analysis

TM 855；U 270.38+1

2012-10-16）