動車組輔助電源系統(tǒng)接地檢測研究

鮑家凱

摘要：隨著人民生活水平的不斷提高，對各類交通工具的速度、安全需求也越來越大。本文主要對動車組輔助電源系統(tǒng)接地檢測進行研究，推導出零序電壓隨三相負載變化的公式，得到零序電壓與三相負載不平衡狀況有關，本研究為動車組三相三線制輔助電源系統(tǒng)的接地檢測工作提供了理論支持和解決方法，對動車組的平穩(wěn)安全運行具有重要意義。

關鍵詞：動車組；輔助電源系統(tǒng)；接地檢測

1動車組輔助系統(tǒng)工作原理分析和研究

1.1輔助電源技術

1.1.1輔助供電系統(tǒng)

本文按照CRH系列動車組常見的兩個單元、八輛編組的形式，編組形式與CRH3相似，供電系統(tǒng)與CRH2動車組相似。引用的技術標準與規(guī)范主要包括：IEC77-68電力牽引設備規(guī)則；GB-3317-82電力機車通用技術；IEC146-2半導體自動轉(zhuǎn)向變流器；UIC550客車供電裝置；IEC571-2機車電子設備；

1.1.2電力結構設計

為保障動車組動力均勻分布、動車組配重均勻，實現(xiàn)電路結構的簡化，需要綜合考慮各項因素。應用某動車組編組形式，擬定設計的動車組為八輛車、兩個單元組成，每個單元均設置有兩個動車與兩個拖車，某一單元設置為M-T-M-T，另一個單元則設置為T-M-T-M。

動車組上每個單元均設置1臺主變壓器輔助繞組，將其作為本單元的輔助供電系統(tǒng)。為保障動車組機械設備的穩(wěn)定運行，在每個單元內(nèi)設置有2套逆變器、110V供電電源、2套輔助整流器。輔助整流器、逆變器選擇一動一拖的供電形式，在其中一套整流器與逆變器故障時，另一套依舊可承擔電力供應。

2構建接地故障分析模型

IT系統(tǒng)接地故障分析模型如圖1所示。圖1中，R1～R4為零序電壓測量電阻；RA、RB、RC為各相線對地等效電阻；CA、CB、CC為各相線對地等效電容；ZA、ZB、ZC為各相線對地等效阻抗；UN為電阻R4的對地電壓。

為了更簡單地描述動車組上的分布參數(shù)，同時簡化問題，本文假設圖1中的三相電源電壓幅值相等，且供電線路與車體之間的絕緣程度用等效阻抗Z表示，而相線間存在的阻抗因與所討論的問題沒有影響則予以略去。

2.1零序電壓測量電路分析

三相電壓用相量表示，設A相、B相和C相電壓分別為 ，則對于零序電壓測量電路，根據(jù)基爾霍夫電流定律（kirchhoff′scurrentlaw，KCL），有

又R1=R2=R3=680kΩ，代入式（1），得

由式（2）可知，A相、B相和C相的三相電壓矢量和為46）UN，又已知零序電壓為三相電壓矢量和的1/3，則零序電壓為（4/3）6）UN，即零序電壓為測量電路所測電壓6）UN的4/3倍。為分析方便，以下均將6）UN稱為零序電壓。

若負載平衡，則零序電壓主要由三相線路中單相或兩相接地產(chǎn)生，大小取決于接地程度。

2.2零序電壓計算

若有一相電路（如A相）發(fā)生金屬性接地，則ZA=0，此時，A相接地等效電路如圖2所示。圖2中，R1、R4為并聯(lián)電阻，將兩者合并后得到A相接地的最簡等效電路，A相接地最簡等效電路如圖3所示。

下面探討三相對地阻抗更一般的情況，求出具有普適性的零序電壓公式。三相電壓用向量法表示，在三相線電壓保持不變的情況下，設A相電壓為6）UA，則B相電壓為 ，C相電壓 ，當ZA、ZB、ZC均不為零時，根據(jù)KCL建立的方程組為

由式（6）可知，當三相對地阻抗對稱（即三相對地阻抗相等）時， ，無零序電壓產(chǎn)生；當三相對地阻抗不對稱時， ，有零序電壓產(chǎn)生。當A相發(fā)生金屬性接地情況時，ZA=0，代入式（1）～式（5）中，可求得 ，這與前面計算的結果相符合。

3Matlab仿真

根據(jù)圖1，建立IT系統(tǒng)接地故障分析模型，利用Matlab軟件建立仿真模型。Matlab仿真模型如圖4所示。

為驗證式（5）的正確性，分別將同一組ZA、ZB、ZC數(shù)據(jù)輸入仿真模型和式（5）中，比對兩者輸出的零序電壓值是否相等。由于實測動車組相線對地電容約為2.4μF，相線對地電阻約為400kΩ，為接近動車組實際情況，將A、B、C三相的對地電容均設為定值2.4μF，將A相和B相的對地電阻均設為定值510kΩ，C相對地電阻均勻的取0Ω～510kΩ之間的5101個值，分別將這5101組ZA、ZB、ZC數(shù)據(jù)輸入仿真模型和式（5）中，仿真模型和式（5）的零序電壓輸出曲線如圖5所示（其中，圖5b為從圖5a中截取的部分數(shù)據(jù)）。

圖中，藍線為式（5）的零序電壓輸出曲線，紅線為仿真模型的零序電壓輸出曲線。由圖5可以看出，兩者零序電壓輸出曲線基本重合，驗證了式（5）的正確性。且在RC∈0[，510kΩ]區(qū)間，兩者輸出的零序電壓及輸出零序電壓的變化速率隨RC的增大而不斷減小，當RC=0Ω時，兩者輸出的零序電壓值最大為165V，當RC=510kΩ時，兩者輸出的零序電壓值最小為0V。

結論

本文主要對動車組輔助電源系統(tǒng)接地檢測進行研究，構建了IT系統(tǒng)接地故障分析模型，推導了零序電壓隨三相對地絕緣阻抗變化的公式，設計了檢測系統(tǒng)零序電壓的電路，并利用Matlab仿真軟件對實驗模型進行仿真實驗。

參考文獻

[1]高吉磊.高速動車組牽引系統(tǒng)無動力回送發(fā)電功能的研究[J].機車電傳動，2017，16（1）：46-50.

[2]梁建英.CRH_2型動車組主回路系統(tǒng)性能優(yōu)化研究[D].北京：北京交通大學，2016，26（10）：60-62.

（作者單位：北京鐵路集團天津動車客車段天津動車所）