列車(chē)供電系統(tǒng)接地絕緣故障實(shí)時(shí)診斷與預(yù)測(cè)

秦方方，鄭財(cái)暉，李學(xué)明，李 鵬

（1. 株洲中車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001；2. 中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062）

0 引言

在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，任何微小或潛在的故障和隱患若不能被及時(shí)診斷，都有可能引發(fā)連鎖反應(yīng)而造成事故，甚至釀成災(zāi)難性后果[1-3]。列車(chē)供電系統(tǒng)作為客車(chē)上各種電器的電源設(shè)備，其可靠性對(duì)保障乘客乘車(chē)的安全性和舒適性尤為重要。目前我國(guó)主要客運(yùn)列車(chē)均采用DC 600 V 集中供電、分散變流供電方式，即機(jī)車(chē)提供DC 600 V 等級(jí)的列車(chē)供電母線(xiàn)電壓，各車(chē)廂上的變流器將DC 600 V 電壓逆變成三相380 V、單相220 V 交流電源后向車(chē)廂用電設(shè)備（如空調(diào)、供暖、照明等）供電[4-6]。因此，保障DC 600 V 列車(chē)供電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和可靠，對(duì)于列車(chē)安全運(yùn)行和旅客良好乘坐體驗(yàn)具有重要意義。

經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行考驗(yàn)以及優(yōu)化改進(jìn)[7-12]，DC 600 V 供電系統(tǒng)雖日趨成熟，但仍存在一些問(wèn)題，如由于DC 600 V短路，電流難以被迅速切斷。為了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)地絕緣是否存在缺陷，盡早發(fā)現(xiàn)短路隱患，同時(shí)對(duì)人體進(jìn)行漏電保護(hù)以避免觸電，接地絕緣檢測(cè)與保護(hù)優(yōu)化成為其中重要的議題之一[13]。目前機(jī)車(chē)、客車(chē)接地絕緣檢測(cè)仍采用超限報(bào)警方法，且主要針對(duì)DC 600 V 干線(xiàn)絕緣故障[14]。文獻(xiàn)[15-16]對(duì)列車(chē)供電系統(tǒng)各種接地絕緣故障進(jìn)行了深入分析，并通過(guò)仿真研究歸納出了接地檢測(cè)電壓變化規(guī)律。文獻(xiàn)[16]提出一種根據(jù)接地檢測(cè)電壓峰—峰值來(lái)進(jìn)行故障診斷的方法，但其僅能檢測(cè)出交流側(cè)接地，無(wú)法進(jìn)一步區(qū)分故障點(diǎn)是交流側(cè)正端接地、交流側(cè)負(fù)端接地還是電抗器前端接地，且無(wú)法對(duì)故障發(fā)展程度進(jìn)行度量。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)各種接地絕緣故障的準(zhǔn)確定位并預(yù)測(cè)故障的嚴(yán)重程度，本文提出了一種實(shí)時(shí)故障診斷與預(yù)測(cè)方法，并通過(guò)仿真測(cè)試驗(yàn)證其有效性。

1 供電系統(tǒng)接地絕緣檢測(cè)原理及診斷方案

1.1 接地絕緣故障檢測(cè)原理

電力機(jī)車(chē)列車(chē)供電系統(tǒng)主電路原理如圖1所示[17-19]，單相AC 25 kV 交流電經(jīng)受電弓、主斷路器（VCB）和牽引變壓器一次側(cè)繞組流入車(chē)體，由牽引變壓器降壓后通過(guò)二次側(cè)繞組向列車(chē)供電變流器提供單相交流電源。單相交流電在列車(chē)供電變流器的作用下，將單相交流電變換成DC 600 V 直流電，給客車(chē)負(fù)載供電。

圖1 列車(chē)供電系統(tǒng)主電路原理圖Fig. 1 Schematic diagram of train power supply system main circuit

列車(chē)供電系統(tǒng)主要由單相橋式半控整流電路、中間直流濾波電路及接地檢測(cè)電路組成（圖1）。單相橋式半控整流電路將交流電變換成脈動(dòng)直流電，經(jīng)平波電抗器L 和支撐電容器C 濾波后，輸出600 V 穩(wěn)定直流電；接地檢測(cè)電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)列車(chē)供電系統(tǒng)絕緣不良故障檢測(cè)。其中，TV 為同步變壓器，TA 為電流互感器，分別用來(lái)采集列供繞組輸出電壓和電流；VH1 和VH2 為電壓傳感器，依次采集中間直流回路電壓和接地檢測(cè)電壓；VD1 和VD2 為二極管，VT3 和VT4 為晶閘管，R1和R2為固定放電電阻且阻值相等，R3為接地檢測(cè)電阻。標(biāo)號(hào)①～⑤依次對(duì)應(yīng)直流側(cè)正端接地、直流側(cè)負(fù)端接地、電抗器前端接地、交流側(cè)正端接地和交流側(cè)負(fù)端接地。

為避免列車(chē)絕緣性能下降導(dǎo)致的漏電問(wèn)題及可能產(chǎn)生的火災(zāi)隱患，列車(chē)供電控制系統(tǒng)一般設(shè)置有在線(xiàn)絕緣檢測(cè)裝置。當(dāng)列車(chē)供電系統(tǒng)存在接地絕緣故障時(shí)，主電路中各位置的電勢(shì)將隨著接地絕緣下降程度而發(fā)生變化。工程實(shí)際中，列車(chē)供電控制系統(tǒng)一般采用圖1 中的接地檢測(cè)電路來(lái)進(jìn)行接地絕緣不良檢測(cè)，通過(guò)接地檢測(cè)VH2 的電壓值來(lái)判斷是否有絕緣不良故障。目前工程應(yīng)用中將接地絕緣不良故障分成3 類(lèi)，即直流側(cè)正端接地（對(duì)應(yīng)圖1 中標(biāo)號(hào)①）、直流側(cè)負(fù)端接地（對(duì)應(yīng)圖1中標(biāo)號(hào)②）和交流側(cè)接地（對(duì)應(yīng)圖1 中標(biāo)號(hào)③④⑤），其故障檢測(cè)指標(biāo)分別如式（1）～式（3）所示。

式中：Udc——中間電壓，通過(guò)傳感器VH1 采樣得到； Ujd——接地檢測(cè)電壓，通過(guò)VH2 采樣得到；Jth1～Jth3——基于應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的直流側(cè)正端接地、直流側(cè)負(fù)端接地、交流側(cè)接地故障檢測(cè)閾值；Ujd_max，Ujd_min——接地檢測(cè)電壓Ujd在單信號(hào)周期內(nèi)最大值和最小值。

上述通用的超限報(bào)警檢測(cè)方法存在漏報(bào)、誤報(bào)等問(wèn)題[20]，在運(yùn)用過(guò)程中多次出現(xiàn)因檢測(cè)不及時(shí)或未檢測(cè)出故障而導(dǎo)致列車(chē)停車(chē)等待救援現(xiàn)象，嚴(yán)重影響旅客乘坐舒適性甚至影響出行安全。

1.2 實(shí)時(shí)故障診斷與預(yù)測(cè)方法

針對(duì)通用超限報(bào)警檢測(cè)方法存在的不足，本文提出一種實(shí)時(shí)故障診斷與預(yù)測(cè)方法，其算法的基本原理如圖2 所示，主要由離線(xiàn)設(shè)計(jì)、在線(xiàn)診斷與預(yù)測(cè)這兩部分組成。在深入分析絕緣不良機(jī)理的基礎(chǔ)上，利用不同接地位置時(shí)其接地檢測(cè)電壓體現(xiàn)出來(lái)的不同變化規(guī)律，提取相關(guān)聯(lián)的故障特征量，從而實(shí)現(xiàn)不同接地絕緣故障下的實(shí)時(shí)故障診斷與預(yù)測(cè)。

圖2 列車(chē)供電系統(tǒng)接地絕緣故障實(shí)時(shí)診斷與預(yù)測(cè)原理框圖Fig. 2 Principle block diagr am of real-time diagnosis and prediction of grounding insulation fault in train power supply system

離線(xiàn)設(shè)計(jì)階段，基于歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)理建模和相關(guān)信號(hào)分析，首先提取能區(qū)分不同故障類(lèi)型的故障特征量，再對(duì)故障特征量在正常工況與不同故障工況下的變化規(guī)律進(jìn)行建模，設(shè)計(jì)出故障診斷規(guī)則表，并利用統(tǒng)計(jì)分析方法，得到故障診斷所需的閾值參數(shù)。

在線(xiàn)診斷與預(yù)測(cè)階段，整個(gè)過(guò)程主要包括數(shù)據(jù)處理、故障檢測(cè)、故障決策和故障預(yù)測(cè)等處理環(huán)節(jié)，具體如下：

（1）數(shù)據(jù)處理?？刂葡到y(tǒng)實(shí)時(shí)采集相關(guān)模擬量，進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波及歸一化處理，并進(jìn)行周期窗口數(shù)據(jù)更新；其后，基于當(dāng)前周期窗口數(shù)據(jù)，提取出相關(guān)故障特征量，并送至故障檢測(cè)單元。

（2）故障檢測(cè)。故障檢測(cè)單元基于其故障檢測(cè)邏輯，判斷是否發(fā)生故障，若判斷結(jié)果為正常，則直接返回；否則，置故障標(biāo)志F=1，進(jìn)入故障決策環(huán)節(jié)。

（3）故障決策。F=1 時(shí)，故障決策單元基于故障診斷規(guī)則表中相關(guān)規(guī)則、閾值參數(shù)以及故障特征量對(duì)各種故障進(jìn)行故障決策，定位其具體故障類(lèi)型，送至故障預(yù)測(cè)單元。

（4）故障預(yù)測(cè)。故障預(yù)測(cè)單元收到故障類(lèi)型后，對(duì)表征其故障嚴(yán)重程度的等效接地絕緣電阻值進(jìn)行重構(gòu)建模，計(jì)算出其數(shù)值并轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的故障嚴(yán)重程度指標(biāo)，輸出至顯示單元，以提醒相關(guān)應(yīng)用人員及時(shí)進(jìn)行維護(hù)。

2 接地絕緣故障特征分析

設(shè)圖1 中TV 和TA 采樣值分別為us和is。下面基于電路原理，對(duì)不同接地工況下主電路進(jìn)行等效變換，以求解各傳感器采樣值之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

2.1 直流側(cè)接地

直流側(cè)接地故障工況等效電路如圖3 所示，直流側(cè)正端接地與直流側(cè)負(fù)端接地工況下關(guān)聯(lián)關(guān)系可分別描述為式（4）和式（5）。當(dāng)存在直流側(cè)接地時(shí)，接地檢測(cè)電壓Ujd為直流量且與Udc成正比，正常情況下等效接地絕緣電阻值Rjd為MΩ 級(jí)；當(dāng)正端接地時(shí)，隨著接地絕緣性能下降（等效接地絕緣電阻值Rjd減?。?，其接地檢測(cè)電壓值由0.5Udc左右逐漸減小至0；而當(dāng)負(fù)端接地時(shí)，隨著接地絕緣性能下降，其接地檢測(cè)電壓值由0.5Udc左右逐漸增大至Udc。

圖3 直流側(cè)接地等效電路Fig. 3 Equivalent circuits of DC side grounding

式中：Rjd——等效接地絕緣電阻值。

2.2 電抗器前端接地

圖4 示出電抗器前端接地等效電路，其接地檢測(cè)電壓Ujd與Udc, us和is均相關(guān)聯(lián)，其關(guān)聯(lián)關(guān)系如式（6）所示。由式可知，Ujd由與直流側(cè)負(fù)端接地工況接地檢測(cè)電壓對(duì)應(yīng)的直流分量、與us和is關(guān)聯(lián)的交流分量?jī)刹糠纸M成。交流分量為與輸入電流is符號(hào)相關(guān)的分段函數(shù)，且隨著接地絕緣性能下降程度加深，其交流分量占比越來(lái)越大。

圖4 電抗器前端接地等效電路Fig. 4 Equivalent circuit of reactor front side grounding

2.3 交流側(cè)接地

當(dāng)交流側(cè)正端接地、負(fù)端接地時(shí)，其等效電路分別如圖5 和圖6 所示，接地檢測(cè)電壓值Ujd與TV 和TA 采樣值均有關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)關(guān)系如式（7）和式（8）所示。由式可知，交流側(cè)接地時(shí)，其Ujd也由兩部分組成，其直流分量數(shù)值上與直流側(cè)負(fù)端接地工況時(shí)Ujd相等，交流分量與輸入電流is相關(guān)。當(dāng)為交流側(cè)正端接地時(shí)，若 is為負(fù)，則交流分量為0；而交流側(cè)負(fù)端接地工況下is為非負(fù)時(shí)交流分量為0。

圖5 交流側(cè)正端接地等效電路Fig. 5 Equivalent circuit of AC positive side grounding

圖6 交流側(cè)負(fù)端接地等效電路Fig. 6 Equivalent circuit of AC negative side grounding

3 故障診斷與預(yù)測(cè)算法設(shè)計(jì)

3.1 接地絕緣故障特征提取

根據(jù)上述接地檢測(cè)電壓在不同接地工況下的情況分析可知，直流側(cè)接地時(shí)，檢測(cè)電壓為直流量且在不同的數(shù)值范圍內(nèi)具有明顯的可區(qū)分性；而電抗器前端接地和交流側(cè)接地時(shí)，由于均存在交流分量，無(wú)法直接區(qū)分，需基于關(guān)聯(lián)變量提取統(tǒng)計(jì)特征來(lái)進(jìn)行具體區(qū)分定位。

由式(6)～式(8)可知，電抗器前端接地和交流側(cè)接地時(shí)，其交流分量值與輸入電流is強(qiáng)相關(guān)。因此，可基于其關(guān)聯(lián)規(guī)律定義式(9)～式(16)所示特征量來(lái)進(jìn)行故障診斷，其中JExi(k)(i=1, …, 4)為與Ujd相關(guān)的周期信號(hào)均值；JDxi(k)(i=1, …, 4)為與Ujd相關(guān)的周期信號(hào)方差，此8 個(gè)統(tǒng)計(jì)特征量用來(lái)識(shí)別不同故障類(lèi)型。為特征量計(jì)算窗口內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)，Tc為特征量計(jì)算窗口長(zhǎng)度， Ts為信號(hào)采樣周期。

3.2 故障檢測(cè)

在正常運(yùn)行時(shí)，若系統(tǒng)無(wú)異常，則特征量JEx1(k)～JEx4(k)∈[0.5-ε1,0.5+ε1]，JDx1(k)～JDx4(k)≤ε2。其中，ε1和ε2分別為特征量均值與方差檢測(cè)閾值門(mén)檻，選擇時(shí)主要考慮傳感器測(cè)量噪聲與諧波，并根據(jù)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)特性分析得到。故障檢測(cè)邏輯如式（17）所示。

式中：F(k)——k 時(shí)刻異常檢測(cè)標(biāo)志位，為1 時(shí)表示系統(tǒng)發(fā)生異常，為0 時(shí)表示系統(tǒng)正常。

3.3 故障決策

設(shè)直流側(cè)正端接地、直流側(cè)負(fù)端接地、電抗器前端接地、交流側(cè)正端接地和交流側(cè)負(fù)端接地故障的故障標(biāo)志位依次為FDCP，F(xiàn)DCN，F(xiàn)DCLP，F(xiàn)QCP和FQCN，基于不同接地類(lèi)型時(shí)統(tǒng)計(jì)量變化規(guī)律，可得到表1 所示故障診斷規(guī)則表，以實(shí)現(xiàn)各故障的有效定位。表中，故障標(biāo)志位為1 表示發(fā)生相應(yīng)故障，ε3為直流側(cè)接地工況下特征量邊界閾值。

表1 故障診斷規(guī)則表Tab.1 Rule table for fault diagnosis

3.4 故障預(yù)測(cè)

故障預(yù)測(cè)的目的是基于相關(guān)變量來(lái)確定系統(tǒng)退化狀態(tài)（可表征系統(tǒng)的健康狀態(tài)）或故障嚴(yán)重程度，以最低成本進(jìn)行有效的檢修與維護(hù)。系統(tǒng)退化程度一般用數(shù)值為0 到100%之間的健康因子（health index, HI）來(lái)表征[21]。本文通過(guò)能表征接地絕緣故障嚴(yán)重程度的等效接地絕緣電阻值映射為對(duì)應(yīng)的ZHI來(lái)實(shí)現(xiàn)接地絕緣異常的故障預(yù)測(cè)。相關(guān)老化試驗(yàn)研究表明[22-23]，絕緣電阻值在前期變化較平緩，后期將快速下降，因此，本文采用式（18）近似描述HI 與絕緣電阻映射關(guān)系，其函數(shù)關(guān)系如圖7 所示。

式中：ZHI——構(gòu)建的健康因子；——等效接地絕緣電阻重構(gòu)值；Rjd_max與Rjd_min——系統(tǒng)正常臨界值以及系統(tǒng)故障保護(hù)閾值。

圖7 ZHI 與等效絕緣電阻值映射函數(shù)關(guān)系Fig. 7 Mapping function of ZHI and equivalent insulation resistance

下面針對(duì)不同接地類(lèi)型（對(duì)應(yīng)圖1 標(biāo)號(hào)①～⑤），基于式（4）～式（8）中Ujd, Udc, us和is與Rjd的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并采用周期平均濾波方式，得到等效絕緣電阻重構(gòu)值：

之后，結(jié)合當(dāng)前故障診斷結(jié)果類(lèi)型，利用式（18）轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的健康因子值ZHI，即可實(shí)時(shí)評(píng)估當(dāng)前接地絕緣性能狀態(tài)。

4 仿真測(cè)試驗(yàn)證

基于某型號(hào)列車(chē)供電系統(tǒng)電路參數(shù)，對(duì)本文所提算法進(jìn)行仿真測(cè)試驗(yàn)證。算法主要參數(shù)設(shè)置如下： ε1=ε2=0.05，Rjd_max=3 000 Ω，Rjd_min=800 Ω，Ts=1 ms，Tc=20 ms。假設(shè)正常時(shí)其等效接地絕緣電阻值為104Ω，在不同接地位置，模擬其絕緣下降故障。在t 為8.1 s，8.2 s 和8.3 s 時(shí)，將其實(shí)際絕緣電阻值依次調(diào)至3 000 Ω，1 500 Ω 和800 Ω。下面針對(duì)各種接地類(lèi)型的診斷與預(yù)測(cè)效果進(jìn)行詳細(xì)分析。

4.1 直流側(cè)正端接地

圖8 示出直流側(cè)正端接地工況時(shí)的診斷與預(yù)測(cè)結(jié)果。從圖8(a)可以看出，當(dāng)接地絕緣電阻逐步下降時(shí)，其接地檢測(cè)電壓值（圖中Ujd-FDCP）逐漸下降偏離正常值（圖中Ujd-Norm）。從圖8(b)的故障特征量可以看出，特征量JEx1(k)～JEx4(k)逐漸偏離正常值且均負(fù)偏，偏移值與下降值正相關(guān)；特征量JDx1(k)～JDx4(k)則與正常值無(wú)差異。從圖8(c)可以看出，當(dāng)絕緣電阻阻值在8.1 s 時(shí)刻下降到3 000 Ω 時(shí)，系統(tǒng)在約5 ms 后檢測(cè)出異常，將異常標(biāo)志位F 置為1；其后約在20 ms 后定位出準(zhǔn)確接地點(diǎn)并將直流側(cè)正端接地標(biāo)志FDCP置為1；在故障類(lèi)型定位后的1 個(gè)計(jì)算周期（8.14 s 時(shí)刻），其接地絕緣電阻重構(gòu)值Rjd,E實(shí)現(xiàn)了真實(shí)值Rjd,R的準(zhǔn)確跟蹤。在整個(gè)接地絕緣下降過(guò)程中，健康因子ZHI隨著接地絕緣電阻重構(gòu)值動(dòng)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)退化程度的實(shí)時(shí)跟蹤，從而達(dá)到了直流側(cè)正端接地故障預(yù)警效果。

圖8 直流側(cè)正端接地絕緣故障診斷與預(yù)測(cè)仿真Fig. 8 Diagnosis and prediction simulation for insulation fault of DC side positive grounding

4.2 直流側(cè)負(fù)端接地

直流側(cè)負(fù)端接地工況時(shí)的診斷與預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖9。從圖9(a)可以看出，當(dāng)接地絕緣電阻逐步下降時(shí)，其接地檢測(cè)電壓值（圖中Ujd-FDCN）逐漸上升偏離正常值（圖中Ujd-Norm）。從圖9(b)的故障特征量可以看出，特征量JEx1(k)～JEx4(k)逐漸偏離正常值且均正偏，偏移值與下降值正相關(guān)；特征量JDx1(k)～JDx4(k)則與正常值無(wú)差異。從圖9(c)可以看出，當(dāng)絕緣電阻阻值在8.1 s 時(shí)刻下降到3 000 Ω 時(shí)，系統(tǒng)約5 ms 后檢測(cè)出異常并將異常標(biāo)志位F 置為1；其后約20 ms 后定位出準(zhǔn)確接地點(diǎn)并將直流側(cè)負(fù)端接地標(biāo)志FDCN置為1；在故障類(lèi)型定位后的1 個(gè)計(jì)算周期（8.14 s 時(shí)刻），其接地絕緣電阻重構(gòu)值Rjd,E實(shí)現(xiàn)了真實(shí)值Rjd,R的準(zhǔn)確跟蹤。在整個(gè)接地絕緣下降過(guò)程中，健康因子ZHI隨著接地絕緣電阻重構(gòu)值動(dòng)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的預(yù)測(cè)功能。

圖9 直流側(cè)負(fù)端接地絕緣故障診斷與預(yù)測(cè)仿真Fig. 9 Diagnosis and prediction simulation for insulation fault of DC side negative grounding

4.3 電抗器前端接地

電抗器前端接地絕緣故障診斷與預(yù)測(cè)仿真效果如圖10 所示。從圖10(a)可知，電抗器前端出現(xiàn)接地時(shí)，其接地檢測(cè)電壓值開(kāi)始疊加頻率為100 Hz 的脈動(dòng)交流量，且隨著接地絕緣電阻值下降，其脈沖幅度逐漸增大。從圖10(b)可以看出，特征量JEx1(k)～JEx4(k)均逐漸偏離正常值，且JEx2(k)出現(xiàn)正偏，其余3 個(gè)出現(xiàn)負(fù)偏，在特征量JDx1(k)～JDx4(k)之中，JDx2(k)與正常值差別不大，而 JDx1(k)，JDx3(k)與JDx4(k)則隨著絕緣電阻下降逐漸變大。從圖10(c)可知，系統(tǒng)均準(zhǔn)確判斷出電抗器前端接地并對(duì)接地絕緣下降程度進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

圖10 電抗器前端接地絕緣故障診斷與預(yù)測(cè)仿真Fig. 10 Diagnosis and prediction simulation for insulation fault of reactor front side grounding

4.4 交流側(cè)正端接地

圖11 示出交流側(cè)正端接地診斷與預(yù)測(cè)效果。從圖11(a)可知，交流側(cè)正端出現(xiàn)接地時(shí)，其接地檢測(cè)電壓值開(kāi)始疊加頻率為50 Hz 的脈動(dòng)交流量，且隨著接地絕緣電阻值下降，其脈沖幅度逐漸增大。從圖11(b)可以看出，特征量JEx1(k)基本無(wú)變化，而JEx2(k)～JEx4(k)均逐漸偏離正常值，且JEx3(k)出現(xiàn)正偏，JEx2(k)和JEx4(k)出現(xiàn)負(fù)偏。在特征量JDx2(k)～JDx4(k)之中，JDx3(k)與正常值差別不大，而JDx1(k)，JDx2(k)與JDx4(k)則隨著絕緣電阻下降逐漸變大。從圖11(c)可知，系統(tǒng)均準(zhǔn)確判斷出交流側(cè)正端接地并對(duì)接地絕緣下降程度進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

圖11 交流側(cè)正端接地絕緣故障診斷與預(yù)測(cè)仿真Fig. 11 Diagnosis and prediction simulation for insulation fault of AC positive grounding

4.5 交流側(cè)負(fù)端接地

交流側(cè)負(fù)端接地診斷與預(yù)測(cè)結(jié)果如圖12 所示。從圖12(a)可知，交流側(cè)負(fù)端出現(xiàn)接地時(shí)，其接地檢測(cè)電壓值開(kāi)始疊加頻率為50 Hz 的脈動(dòng)交流量，且隨著接地絕緣電阻值下降，其脈沖幅度逐漸增大。從圖12(b)可以看出，其特征量JEx1(k)基本無(wú)變化，JEx2(k)～JEx4(k)變化規(guī)律與交流側(cè)正端接地工況類(lèi)似，為JEx3(k)出現(xiàn)正偏， JEx2(k)和JEx4(k)出現(xiàn)負(fù)偏；在特征量JDx2(k)～JDx4(k)之中， JDx2(k)和JDx4(k)與正常值差別不大，而JDx1(k)和JDx3(k)則隨著絕緣電阻下降逐漸變大。從圖12(c)可知，系統(tǒng)均準(zhǔn)確判斷出交流側(cè)負(fù)端接地并對(duì)接地絕緣下降程度進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

圖12 交流側(cè)負(fù)端接地絕緣故障診斷與預(yù)測(cè)仿真Fig. 12 Diagnosis and prediction simulation for insulation fault of AC negative grounding

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)列車(chē)供電系統(tǒng)接地絕緣下降機(jī)理進(jìn)行了深入分析，并根據(jù)不同接地絕緣故障模式下接地檢測(cè)電壓信號(hào)差異，本文提出了一種基于信號(hào)特征模式識(shí)別的接地絕緣實(shí)時(shí)故障診斷與預(yù)測(cè)方法，其利用不同類(lèi)型故障的相關(guān)信號(hào)特征，設(shè)計(jì)與各類(lèi)故障相關(guān)的特征量并構(gòu)造相應(yīng)診斷與預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)各種故障的準(zhǔn)確定位以及故障趨勢(shì)的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。最后通過(guò)仿真測(cè)試驗(yàn)證了所提方法的有效性。通過(guò)此方法，可實(shí)現(xiàn)接地絕緣不良故障的狀態(tài)修復(fù)，提高列車(chē)供電系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性，提升系統(tǒng)故障處理效率。

本文中所用健康因子ZHI與等效絕緣電阻值映射函數(shù)關(guān)系及相關(guān)參數(shù)是基于現(xiàn)有研究成果并結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的閾值進(jìn)行推算，后續(xù)可基于車(chē)載真實(shí)部件的老化試驗(yàn)來(lái)精確設(shè)計(jì)。