動(dòng)車組輔助電源系統(tǒng)接地檢測(cè)研究

劉含筱 楊玉新 李立偉 王凱

摘要：為判斷動(dòng)車組的輔助電源系統(tǒng)是否發(fā)生單相接地短路故障，本文主要對(duì)動(dòng)車組輔助電源系統(tǒng)接地檢測(cè)進(jìn)行研究，構(gòu)建了IT系統(tǒng)接地故障分析模型，推導(dǎo)了零序電壓隨三相對(duì)地絕緣阻抗變化的公式，設(shè)計(jì)了檢測(cè)系統(tǒng)零序電壓的電路，并利用Matlab和Simulink軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行仿真，將仿真結(jié)果與公式求得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證公式的正確性。同時(shí)，搭建實(shí)際的測(cè)試平臺(tái)，對(duì)各種接地方式下的三相不接地系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)得的零序電壓與仿真模型測(cè)得的零序電壓基本一致，所測(cè)零序電壓及零序電壓變化速率均隨C相對(duì)地電阻RC的增加而下降，并且零序電壓及零序電壓的變化速率均受三相對(duì)地電容的影響。當(dāng)RC相同時(shí)，三相對(duì)地電容值越大，測(cè)得的零序電壓值越小;當(dāng)RC=0時(shí)，測(cè)得的零序電壓均接近165 V;當(dāng)RC=510 kΩ時(shí)，測(cè)得的零序電壓均接近0 V，說(shuō)明零序電壓值基本不受三相對(duì)地電容值的影響。該研究為動(dòng)車組三相三線制輔助電源系統(tǒng)的接地檢測(cè)工作提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)蜗嘟拥囟搪? 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng); 零序電壓; Simulink

中圖分類號(hào)： TM934.3+1; U266文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

文章編號(hào)： 10069798（2019）01008106; DOI： 10.13306/j.10069798.2019.01.014

高速鐵路因其速度快、能耗低、安全可靠等各種優(yōu)勢(shì)在中國(guó)得到了很好的發(fā)展。近年來(lái)，中國(guó)建設(shè)的高鐵網(wǎng)將國(guó)內(nèi)各經(jīng)濟(jì)板塊連接在一起，大大降低了經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的時(shí)間成本，為中國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。高速鐵路的核心是動(dòng)車組的設(shè)計(jì)和制造，而動(dòng)車組由電力驅(qū)動(dòng)，因此車內(nèi)供電系統(tǒng)的安全性和可靠性至關(guān)重要[13]。動(dòng)車組中存在各種類型的負(fù)載，數(shù)量龐大且十分復(fù)雜，容易對(duì)電源造成污染，導(dǎo)致供電質(zhì)量下降，給電源系統(tǒng)的絕緣帶來(lái)潛在危害[46]。動(dòng)車組的輔助電源系統(tǒng)（auxiliary power unit，APU）負(fù)責(zé)向車中各類常規(guī)用電設(shè)備進(jìn)行供電，并負(fù)責(zé)在整流后供給車上各電壓等級(jí)的直流設(shè)備，同時(shí)，車上留給乘客的插座也由APU負(fù)責(zé)。不同于應(yīng)用在電網(wǎng)中的絕緣監(jiān)測(cè)設(shè)備，APU功能強(qiáng)大且體積龐大，應(yīng)用于動(dòng)車組APU的絕緣監(jiān)測(cè)設(shè)備功能精簡(jiǎn)，絕緣等級(jí)不高，且不需要超遠(yuǎn)距離的通信方式，同時(shí)車體空間狹小，這也要求設(shè)備具有更小的體積。隨著人民生活水平的不斷提高，對(duì)各類交通工具的速度、安全需求也越來(lái)越大。高鐵已成為大多數(shù)人的遠(yuǎn)途旅行的首選方式，動(dòng)車組的安全性能和舒適程度備受關(guān)注，這就對(duì)動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)的安全性和可靠性提出了更高的要求。動(dòng)車組APU系統(tǒng)是中性點(diǎn)不接地的三相三線制系統(tǒng)（IT系統(tǒng)）。當(dāng)IT系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路時(shí)，系統(tǒng)仍然可以帶故障運(yùn)行一段時(shí)間，但其余兩相的對(duì)地電壓會(huì)增大為原來(lái)的3倍，增大了導(dǎo)線絕緣部分的壓力[710];若又有一相線路發(fā)生接地短路故障，系統(tǒng)將產(chǎn)生兩相接地短路，造成動(dòng)車組斷電，中途停車[1116]。這不但會(huì)阻礙同一線路后續(xù)列車的行駛，降低鐵路運(yùn)輸效率，而且會(huì)危及乘客的人身安全，甚至?xí)o我國(guó)的經(jīng)濟(jì)造成不良影響[1720]?；诖?，本文主要對(duì)動(dòng)車組輔助電源系統(tǒng)接地檢測(cè)進(jìn)行研究，推導(dǎo)出零序電壓隨三相負(fù)載變化的公式，得到零序電壓與三相負(fù)載不平衡狀況有關(guān)，即如果IT系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，系統(tǒng)中的零序電壓將發(fā)生改變，并根據(jù)零序電壓的相位判斷出接地故障相。本研究為動(dòng)車組三相三線制輔助電源系統(tǒng)的接地檢測(cè)工作提供了理論支持和解決方法，對(duì)動(dòng)車組的平穩(wěn)安全運(yùn)行具有重要意義。

4結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)動(dòng)車組輔助電源系統(tǒng)接地檢測(cè)進(jìn)行研究，構(gòu)建了IT系統(tǒng)接地故障分析模型，推導(dǎo)了零序電壓隨三相對(duì)地絕緣阻抗變化的公式，設(shè)計(jì)了檢測(cè)系統(tǒng)零序電壓的電路，并利用Matlab仿真軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明，通過(guò)UN可以實(shí)現(xiàn)對(duì)零序電壓的檢測(cè)，且實(shí)際零序電壓為UN值的4/3倍。UN變化范圍為0～165 V，當(dāng)發(fā)生單相金屬性短路時(shí)，UN值最大為165 V，當(dāng)三相對(duì)地阻抗相等時(shí)，UN值最小為0 V;通過(guò)測(cè)量零序電壓，可以判斷三相線路中是否出現(xiàn)接地故障，并通過(guò)其大小來(lái)評(píng)估系統(tǒng)絕緣程度;不同相發(fā)生接地短路，產(chǎn)生的零序電壓相位不同，可通過(guò)零序電壓相位的所在區(qū)間來(lái)定位接地短路故障相。該研究對(duì)動(dòng)車組安全平穩(wěn)的運(yùn)行具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭華熙， 高吉磊， 鄭瓊林. 我國(guó)高速動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)的比較與分析[J]. 電氣傳動(dòng)， 2010， 40（3）： 5359.

[2]張文斌， 宮衛(wèi)南. 淺析動(dòng)車組的輔助供電系統(tǒng)[J]. 鐵道機(jī)車車輛， 2011， 31（2）： 2123.

[3]胡學(xué)永， 鄧學(xué)壽. CRH2型200km/h動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)[J]. 機(jī)車電傳動(dòng)， 2008， 49（5）： 17.

[4]苑豐彪， 楊君. 高速動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)[J]. 機(jī)車電傳動(dòng)， 2009， 50（1）： 13.

[5]劉建強(qiáng)， 郭懷龍， 杜會(huì)謙， 等. CRH3型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)可靠性研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào)， 2015， 37（11）： 4451.

[6]盧碧紅， 張秉海， 曲寶章. 動(dòng)車組牽引供電系統(tǒng)故障模式影響與危害分析[J]. 振動(dòng)， 測(cè)試與診斷， 2016， 36（1）： 97101.

[7]劉東來(lái)， 肖石， 吳廣寧， 等. 高速動(dòng)車組車體接地方式研究[J]. 中國(guó)鐵路， 2012（9）： 6365.

[8]李向超， 馮繼營(yíng). CRH380A型動(dòng)車組輔助電源供電分析[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)， 2013（10）： 5456.

[9]蘇天諾， 鄒明軒， 彭光強(qiáng)， 等. 基于統(tǒng)計(jì)綜合法和三電平特性的高速動(dòng)車組暫態(tài)負(fù)荷建模[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2014， 29（6）： 257262.

[10]李軍， 袁德強(qiáng). CRH380BL型動(dòng)車組保護(hù)接地試驗(yàn)研究[J]. 鐵道車輛， 2012， 50（11）： 3133.

[11]付堯. 雙動(dòng)力動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)并聯(lián)技術(shù)研究[D]. 北京： 北京交通大學(xué)， 2015.

[12]張桂南， 劉志剛， 向川， 等. 高鐵車網(wǎng)耦合系統(tǒng)電壓低頻振蕩現(xiàn)象機(jī)理研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù)， 2015， 39（7）： 19561962.

[13]王斌， 張民， 高仕斌， 等. 高速鐵路牽引供電系統(tǒng)負(fù)序概率模型[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)， 2015， 27（6）： 5661.

[14]蘇天諾， 鄒明軒， 彭光強(qiáng)， 等. 基于統(tǒng)計(jì)綜合法和三電平特性的高速動(dòng)車組暫態(tài)負(fù)荷建模[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2014， 29（6）： 257262.

[15]付莉， 張桂南， 高仕斌. 高速鐵路車網(wǎng)耦合系統(tǒng)網(wǎng)壓振蕩模態(tài)分析與對(duì)策[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制， 2016， 44（1）： 2432.

[16]向川. 基于模型預(yù)測(cè)控制的車網(wǎng)電氣量低頻振蕩抑制策略研究[D]. 四川： 西南交通大學(xué)， 2017.

[17]李宏強(qiáng)， 王曉茹， 徐家俊. 車網(wǎng)耦合的牽引供電系統(tǒng)諧波仿真分析[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制， 2014， 42（20）： 116122.

[18]王娟， 劉明光. 基于阻抗分壓原理的牽引網(wǎng)諧波諧振研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制， 2017， 45（16）： 7984.

[19]葛興來(lái)， 張呈象， 韓旭東， 等. 一種抑制牽引網(wǎng)壓低頻振蕩的網(wǎng)側(cè)變流器控制策略[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué)， 2017， 38（6）： 100107.

[20]裴春興， 李娜， 賈楠. 高速動(dòng)車組接地技術(shù)分析和研究[J]. 鐵道機(jī)車與動(dòng)車， 2014（8）： 1721.