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1系統(tǒng)構(gòu)成
圖1為城軌直流牽引供電系統(tǒng)示意圖。整流機組將AC35kV、AC33kV或AC10kV交流電源轉(zhuǎn)換成DC750V、DC1500V，通過直流開關(guān)柜分配、饋出至對應(yīng)的接觸網(wǎng)為車輛供電，因此直流電纜是整個系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，而且處于近電源端的位置，一旦系統(tǒng)發(fā)生金屬性短路，故障電流將高達10kA，事故將直接影響行車安全和人身安全，由此可見，直流電纜絕緣性能對整個牽引供電系統(tǒng)至關(guān)重要。
2直流電纜絕緣監(jiān)測方案
2.1直流電纜結(jié)構(gòu)
城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)用直流電纜選用低壓、無鹵、阻燃、防水、防鼠蟻銅芯鎧裝電纜，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由導(dǎo)體、絕緣層、金屬鎧裝層、外護套組成。為降低工程難度，對電纜的絕緣監(jiān)測應(yīng)盡量不改變原有直流供電系統(tǒng)架構(gòu)和直流電纜的結(jié)構(gòu)。
2.2直流電纜絕緣監(jiān)測接線方案
直流電纜絕緣監(jiān)測接線方案如圖3所示，每回直流電纜由多根電纜并聯(lián)組成。將同一回路的多根直流電纜的金屬鎧裝層通過導(dǎo)線連接在一起，在導(dǎo)體和鎧裝層之間并聯(lián)電阻R1，在鎧裝層和負極之間并聯(lián)電阻R2。
設(shè)置電壓變送器分別采集導(dǎo)體對負極的電壓U和金屬鎧裝層對負極的電壓US，并將U和US發(fā)送給智能監(jiān)測單元進行運算。選取R1=200Ω，R2=200Ω，電壓變送器輸入電壓為±2000V，輸出電流為±20mA。
3直流電纜絕緣監(jiān)測原理
3.1直流電纜絕緣監(jiān)測原理與計算方法
圖4為直流電纜絕緣監(jiān)測等效電氣原理圖。
圖中：U為導(dǎo)體(正極)對負極的電壓(1#電壓變送器測量的電壓)；UC為導(dǎo)體對金屬鎧裝層的電壓；US為金屬鎧裝層對負極的電壓(2#電壓變送器測量的電壓)；RC為導(dǎo)體與金屬鎧裝層之間的絕緣電阻；RS為金屬鎧裝層與負極之間的絕緣電阻；R1為與RC并聯(lián)的附加電阻；R2為與RS并聯(lián)的附加電阻。
R1與RC并聯(lián)的電阻R1'：
正常運行時，RC、RS、R1、R2為固定值，因此金屬鎧裝層對負極的電壓US只隨導(dǎo)體對負極電壓U的變化而變化。因此，正常運行時，US/U為固定值，不隨電壓的變化而變化，其值小于1。
3.2電纜導(dǎo)體對金屬鎧裝層絕緣故障分析
根據(jù)圖4，當(dāng)導(dǎo)體對金屬鎧裝層絕緣故障時，其絕緣電阻RC減小，而金屬鎧裝層對負極的絕緣電阻RS不變，US隨RC的減小而增大，US/U也隨之增大；最嚴重情況下RC=0，此時US=U，US/U=1。
3.3電纜金屬鎧裝層對地絕緣故障分析
根據(jù)圖4，當(dāng)金屬鎧裝層對負極絕緣故障時，其絕緣電阻RS減小，而導(dǎo)體對金屬鎧裝層的絕緣電阻RC不變，US隨RS的減小而減小，US/U也隨之減小；最嚴重情況下RS=0，此時US=0，US/U=0。
4告警值的設(shè)定
4.1電纜導(dǎo)體對金屬鎧裝絕緣故障時的報警設(shè)置
正常運行時US/U為固定值，設(shè)為A，導(dǎo)體對鎧裝層絕緣故障最嚴重情況下US/U=1，設(shè)基準(zhǔn)為 (1−A)。實時監(jiān)測U及US，并計算US/U的值，隨著絕緣電阻的下降，US/U的值增大。計算電壓偏差百分比(US/U−A)/(1−A)的值，并根據(jù)該值進行報警。
表1所示為直流電纜導(dǎo)體對鎧裝層絕緣故障時的報警值計算，報警值(電壓偏差百分比)可設(shè)為39.29%，對應(yīng)導(dǎo)體對金屬鎧裝層的絕緣電阻降低到正常時的0.01倍。
4.2電纜鎧裝層對負極絕緣故障時的報警設(shè)置
正常運行時US/U為固定值A(chǔ)，鎧裝層對負極絕緣故障最嚴重情況下US=0，設(shè)基準(zhǔn)為A。隨時監(jiān)測U及US，并計算US/U的值，隨著絕緣電阻的下降，US/U的值減小，計算電壓偏差百分比(US/U−A)/A的值，根據(jù)該值進行報警。如表2所示計算，報警值可設(shè)為−56.41%，對應(yīng)鎧裝層對負極的絕緣電阻降低到正常時的0.01倍。
5絕緣監(jiān)測及絕緣故障定位產(chǎn)品
5.1絕緣監(jiān)測及絕緣故障定位產(chǎn)品
AIM-T系列工業(yè)用絕緣監(jiān)測儀
AIM-T系列絕緣監(jiān)測儀主要應(yīng)用在工業(yè)場所IT配電系統(tǒng)中，主要包括AIM-T300、AIM-T500和AIMT500L三款產(chǎn)品，均適用于純交流、純直流以及交直流混合的系統(tǒng)。
其中AIM-T300適用于450V以下的交流、直流以及交直流混合系統(tǒng)，AIM-T500適用于800V以下的交流、直流以及交直流混合系。AIM-T500L相比AIM-T500增加了絕緣故障定位功能。
5.2絕緣故障定位產(chǎn)品
工業(yè)用絕緣故障定位產(chǎn)品配合AIM-T500L絕緣監(jiān)測儀使用，主要包括ASG200測試信號發(fā)生器，AIL200-12絕緣故障定位儀，AKH-0.66L系列電流互感器，適用于出線回路較多的IT配電系統(tǒng)。
5.3絕緣監(jiān)測耦合儀
絕緣監(jiān)測耦合儀配合AIM-T500絕緣監(jiān)測儀使用，主要包括ACPD100，ACPD200，適用于交流電壓高于690V，直流電壓高于800V的IT配電系統(tǒng)。
6技術(shù)參數(shù)
6.1絕緣監(jiān)測儀技術(shù)參數(shù)
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型號
技術(shù)指標(biāo)
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AIM-T300
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AIM-T500
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AIM-T500L
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輔助電源
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電壓
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AC 85~265V;DC100~300
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AC 85~265V;DC100~300
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功耗
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＜8W
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＜8W
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被監(jiān)測IT系統(tǒng)
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電壓
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480V以下的交流、直流以及交直流混合系統(tǒng)
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690V以下的交流及交直流混合系統(tǒng)、800V以下直流系統(tǒng)
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頻率
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40~60Hz
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40~60Hz
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絕緣監(jiān)測
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測量范圍
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1kΩ~5MΩ
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1kΩ~10MΩ
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報警值范圍
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10kΩ~5MΩ
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10kΩ~10MΩ
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相對誤差
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1~10k: 10k；10k~5M: ±10%
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1~10k: 10k；10k~10M: ±10%
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允許系統(tǒng)泄露電容
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<150μF
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<500μF
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響應(yīng)時間
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<6s
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<5s
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通訊
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RS485，Modbus-RTU
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RS485，Modbus-RTU
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RS485，Modbus-RTU；
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內(nèi)部參數(shù)
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測量電流
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<170μA
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<270μA
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絕緣故障定位
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無
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無
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有
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電磁兼容/電磁輻射
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IEC61326-2-4
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IEC61326-2-4
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額定沖擊電壓/污染等級
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8kV/Ⅲ
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8kV/Ⅲ
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內(nèi)部直流電阻
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≥120kΩ
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≥180kΩ
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輸出
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繼電器輸出
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預(yù)警、報警
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出錯、預(yù)警、報警
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環(huán)境
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工作溫度
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-20~+60℃
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-15~+55℃
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存儲溫度
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-20~+70℃
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-20~+70℃
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相對濕度
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5%~95%，不結(jié)露
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5%~90%，不結(jié)露
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海拔高度
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≤2500m
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≤2500m
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6.2測試信號發(fā)生器技術(shù)參數(shù)
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輔助電源
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電壓
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AC 85~265V DC100~300V
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功耗
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<7W
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IT系統(tǒng)
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額定電壓
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單相交流AC 220V
三相交流 AC 0~690V
直流DC 0~800V
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絕緣故障定位
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響應(yīng)時間
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<5s
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定位電壓
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20V/5Hz
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定位電流
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0~10mA
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環(huán)境
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電磁兼容/電磁輻射
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IEC61326-2-4
|
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工作溫度
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-15-+55℃
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6.3絕緣故障定位儀技術(shù)參數(shù)
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輔助電源
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電壓
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AC 85-265V DC100~300V
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功耗
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<5W
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絕緣故障定位
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響應(yīng)時間
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<12s
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定位電壓
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無
|
|
定位電流
|
無
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響應(yīng)靈敏度
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>0.5mA
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|
輸出
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繼電器輸出
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報警Alarm
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|
環(huán)境
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電磁兼容/電磁輻射
|
IEC61326-2-4
|
|
工作溫度
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-15-+55℃
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6.4 AKH-0.66L系列電流互感器技術(shù)參數(shù)
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型號
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額定電流
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變比
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等級
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過載倍數(shù)
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L-45
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16-100A
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5A：5mA
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1
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10
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L-80
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100-250A
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L-100
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250-400A
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L-150
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400-800A
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L-200
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800-1500A
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6.5絕緣監(jiān)測耦合儀技術(shù)參數(shù)
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產(chǎn)品型號
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ACPD100
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ACPD200
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適用系統(tǒng)
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單相交、直流不接地系統(tǒng)
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三相交流、直流不接地系統(tǒng)
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電壓等級
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交流0~1150V，直流0~1760V
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交流0~1650V，帶直流元件0~1300V
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直流阻抗
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≥160kΩ
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AK1≥225kΩ
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工作溫度
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-10~+55℃
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存儲溫度
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-20~+70℃
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防護等級
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IP30
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7結(jié)語
根據(jù)本文分析和研究，基本可以看出，通過測量直流電纜導(dǎo)體與負極之間的電壓U及金屬鎧裝層與負極之間的電壓US，便可判斷出直流電纜絕緣和外護套的絕緣情況，并可通過運算作出判別。判別方法簡單可靠，投資可控。該方案可以針對單根電纜，也可以考慮將單個饋線回路的幾根電纜的金屬鎧裝層并聯(lián)統(tǒng)一采集、判別和保護。
下一階段將盡快推進實現(xiàn)產(chǎn)品研制與工程實踐應(yīng)用。在理論研究方面，可以在本文所述方案基礎(chǔ)上作進一步功能擴展，例如嘗試如何通過監(jiān)測和運算識別出故障位置，如何識別負極電纜的絕緣性能降低等。
參考文獻：
［1］交通運輸部.2021年12月城市軌道交通運營數(shù)據(jù)速報.
［2］范巧蓮.直流電纜絕緣監(jiān)察保護原理及在地鐵中的應(yīng)用[J].電氣化鐵道，2004(4)：30-32
［3］安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.6版；
［4］安科瑞IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測故障定位裝置及監(jiān)控系統(tǒng)（中英文）2020.01版
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