軌道車輛變頻空調(diào)機(jī)組漏電保護(hù)研究

摘要 針對AC型漏電保護(hù)模塊應(yīng)用于軌道車輛變頻空調(diào)機(jī)組，在正常運行過程中易頻繁發(fā)生跳閘的現(xiàn)象，文章通過數(shù)據(jù)采集和特性分析，得出變頻空調(diào)機(jī)組漏電保護(hù)模塊跳閘的原因是基波漏電流、低次諧波漏電流及高頻諧波漏電流共同作用的結(jié)果，并提出了針對性的應(yīng)對方案。

關(guān)鍵詞 軌道車輛；變頻空調(diào)；漏電保護(hù)開關(guān)；諧波電流

中圖分類號 TM921.51 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）13-0008-03

0 引言

為了對電擊危險提供保護(hù)，一般使用漏電保護(hù)模塊作為保護(hù)裝置，漏電保護(hù)模塊分為AC型、A型和B型，其中AC型用于交流漏電流的故障電路中[1]。但是，在軌道車輛空調(diào)領(lǐng)域，隨著變頻空調(diào)的發(fā)展，原保護(hù)方案易引起漏電開關(guān)頻繁跳閘現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了變頻空調(diào)機(jī)組的持續(xù)穩(wěn)定運行[2]；在其他工業(yè)變頻領(lǐng)域也會因為安裝漏電保護(hù)模塊而發(fā)生誤動作現(xiàn)象。針對上述情況，學(xué)者和專家做了大量研究后發(fā)現(xiàn)，變頻器運行時會產(chǎn)生相當(dāng)大的對地漏電流，通過系統(tǒng)分布電容和地系統(tǒng)耦合到變頻器的輸入側(cè)[3]，從而引起漏電保護(hù)模塊誤動作。

1 軌道車輛空調(diào)機(jī)組漏電流試驗

1.1 空調(diào)機(jī)組漏電流列車載客實況采集試驗

如圖1所示，從空調(diào)機(jī)組輸入側(cè)采集漏電流，主要儀器：MR6000型波形存儲記錄儀、JS-FA-1A/45型漏電流傳感器，車輛漏電流采集時間為期7 d。

如圖2所示，在變頻空調(diào)機(jī)組運行時，漏電流波形基波疊加了3次諧波及高頻諧波，而當(dāng)變頻空調(diào)機(jī)組完全停止時高頻諧波隨之消失。

1.2 多變頻器運行漏電流特征試驗

如圖3所示，多變頻器試驗平臺由1個三相調(diào)壓器、2個變頻柜（柜中含4個變頻器）、阻感負(fù)載組成，系統(tǒng)采用SVPWM調(diào)制方式，載波頻率為5 kHz。

如圖4所示，從漏電流包絡(luò)線波形可知，運行的變頻器數(shù)量越多，漏電流疊加某時刻峰值越大；從漏電流頻譜分析可知，變頻系統(tǒng)輸入側(cè)的漏電流含50 Hz基波，3次、5次、7次等低次諧波，以及5 kHz、10 kHz、15 kHz等高頻諧波。運行的變頻器越多，諧波含量越大，甚至高頻諧波的含量會超過基波。

1.3 AC型漏電保護(hù)模塊5SM2635-8拆解分析

如圖5所示為漏電保護(hù)模塊5SM2635-8拆解及其原理分析。無漏電時，由于永磁體鐵心向下的磁力F1及活動機(jī)構(gòu)本身重力G大于彈簧彈力，漏電保護(hù)模塊維持閉合狀態(tài)；當(dāng)線纜（原邊）有漏電流時，次邊線圈感應(yīng)到電流，感應(yīng)電流整流后為磁體鐵心的電磁鐵線圈供電，電磁鐵產(chǎn)生的磁場與永磁體產(chǎn)生的磁場方向相反，削弱了磁場、減小了電磁力，當(dāng)達(dá)到漏電流整定值時，活動機(jī)構(gòu)被往上頂，引起機(jī)械聯(lián)動機(jī)構(gòu)動作，器件發(fā)生跳閘。

工作原理上，二次側(cè)電流經(jīng)2.2 uF電容進(jìn)入整流器后，根據(jù)容抗公式[1/（2x3.1416xFxC）]可知，電容對低頻電流阻抗大，對高頻電流阻抗小，所以理論上基波動作電流大于低次諧波及高頻諧波的動作電流。

2 軌道車輛變頻空調(diào)機(jī)組誤動作分析

（1）根據(jù)1.1節(jié)試驗可知，軌道車輛變頻空調(diào)機(jī)組輸入側(cè)的漏電流含量主要有基波、3次諧波、高頻諧波。

（2）根據(jù)1.2節(jié)試驗可知，模擬軌道車輛多變頻器運行發(fā)現(xiàn)，側(cè)漏電流成分具體為基波，3次、5次、7次等低次諧波，以及載頻及其倍頻的高頻諧波；多變頻器運行時高頻諧波的含量會超過基波。

（3）AC型漏電保護(hù)模塊二次側(cè)線圈中接入隔直通交的電容，所以漏電流中基波、低次諧波和高頻諧波均對模塊動作產(chǎn)生影響，頻率越高則影響越大。

3 優(yōu)化措施

由于AC型電流保護(hù)模塊是針對基波50 Hz進(jìn)行的設(shè)計，將其應(yīng)用于軌道車輛變頻空調(diào)機(jī)組的輸入側(cè)，應(yīng)用場景與設(shè)計場景不一致，導(dǎo)致漏電保護(hù)模塊頻繁誤動作，但目前并沒有基于軌道車輛變頻系統(tǒng)輸入側(cè)設(shè)計的漏電保護(hù)模塊。結(jié)合軌道車輛變頻空調(diào)機(jī)組的實際情況，通過采取措施使諧波漏電流成分不能進(jìn)入互感二次側(cè)線圈，則可以將AC型漏電保護(hù)模塊應(yīng)用于變頻系統(tǒng)輸入側(cè)。

在漏電保護(hù)模塊的二次繞組上過濾高頻諧波成分和部分低次諧波成分。通過高頻電容支路可過濾高頻諧波漏電流，因為高頻電容對高頻諧波阻抗幾乎為0；對于低次諧波電流，設(shè)計相應(yīng)的LC諧振濾波器，由于LC諧振濾波器相對于諧振頻率的諧波阻抗幾乎為0，可以使進(jìn)入互感二次繞組的低次和高頻諧波成分不能進(jìn)入整流輸入端，固有的基波含量幾乎不變，當(dāng)發(fā)生工頻漏電故障時依然可以跳閘保護(hù)，實現(xiàn)方案如圖6所示。

4 結(jié)語

（1）通過對軌道車輛變頻空調(diào)機(jī)組漏電流產(chǎn)生機(jī)理和漏電流特征的分析，明確軌道車輛漏電流的產(chǎn)生是由于系統(tǒng)中整流設(shè)備及變流設(shè)備的運行，通過分布電容和地系統(tǒng)耦合到變頻空調(diào)機(jī)組輸入側(cè)，其成分主要有基波、低次（3次，5次，7次……）諧波和高頻諧波，當(dāng)變頻設(shè)備同時運行的數(shù)量越多，諧波含量越大，甚至高頻諧波的含量會超過基波含量。

（2）軌道車輛是一個龐大復(fù)雜的電氣耦合系統(tǒng)，在變頻空調(diào)機(jī)組的輸入端安裝漏電保護(hù)模塊的初衷是為了在工頻漏電事故發(fā)生時可以保護(hù)人員及設(shè)備的安全，但是AC型電流保護(hù)模塊的設(shè)計應(yīng)用場景并不適合變頻系統(tǒng)的輸入側(cè)。變頻系統(tǒng)運行時產(chǎn)生的漏電流會使漏電保護(hù)模塊頻繁跳閘，主要原因是受漏電流中諧波成分的影響。為了減小漏電保護(hù)模塊誤動作跳閘頻率，可以通過在漏電保護(hù)器件互感二次繞組上設(shè)計高頻電容支路和低次諧波LC諧振支路，實現(xiàn)AC型漏電保護(hù)開關(guān)模塊在軌道車輛變頻空調(diào)機(jī)組輸入側(cè)的安裝應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]陳坤， 夏明. 變頻前端漏電流保護(hù)開關(guān)的研究與應(yīng)用[J]. 自動化技術(shù)與應(yīng)用， 2008（1）： 133-134.

[2]高彥， 宋立冬， 杜一鋒， 等. 基于PLM的礦用低壓變頻器漏電機(jī)理的研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)， 2016（10）： 130-135.

[3]胡宏秋. 變頻系統(tǒng)漏電分析與研究[J]. 電氣傳動， 2013（8）： 13-15+37.

收稿日期：2024-02-20

作者簡介：劉國慶（1984—），男，碩士研究生，工程師，從事軌道車輛空調(diào)電氣控制系統(tǒng)研究及開發(fā)工作。