吳志友，張廣遠(yuǎn)，姜 濤，曲 強(qiáng)

(中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司，遼寧 大連 116052)

0 引 言

機(jī)車電氣設(shè)備的正常工作是保證機(jī)車可靠運(yùn)行的前提，而設(shè)備或電纜的老化、振動(dòng)摩擦等均可能引起絕緣破損，造成設(shè)備輸出或者主電路接地，嚴(yán)重危害行車安全。因此快速判斷并提供接地保護(hù)措施在內(nèi)燃機(jī)車安全運(yùn)行過(guò)程中尤為重要。

國(guó)內(nèi)的學(xué)者對(duì)變流器接地檢測(cè)進(jìn)行了一些研究，文獻(xiàn)[1]分析了不同類型接地故障發(fā)生時(shí)，接地檢測(cè)波形的不同特點(diǎn)，但是只考慮了0歐姆直接接地的理想情況，未考慮工程實(shí)際中接地電阻可能不為零的情況；文獻(xiàn)[2]介紹的輔逆變系統(tǒng)接地檢測(cè)，可以定性的分析不同接地點(diǎn)對(duì)接地檢測(cè)電壓的影響，但是不能對(duì)接地電阻進(jìn)行定量的估計(jì)，同時(shí)也未考慮共模干擾對(duì)接地檢測(cè)系統(tǒng)的影響；文獻(xiàn)[3]采用的接地檢測(cè)系統(tǒng)，采用均值濾波來(lái)消除共模干擾的影響，但是仍然只是定性分析，沒(méi)有定量計(jì)算接地電阻阻值；文獻(xiàn)[4]介紹的HXN5型機(jī)車接地檢測(cè)可以確定接地故障的類型(交流或直流)，但是無(wú)法準(zhǔn)確判斷交流側(cè)接地點(diǎn)的相位；文獻(xiàn)[5]介紹的接地檢測(cè)系統(tǒng)，需要分別設(shè)計(jì)中間直流環(huán)節(jié)、主發(fā)電機(jī)繞組和繞組缺相接地檢測(cè)電路，因而硬件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜且成本較高。

針對(duì)目前大多數(shù)接地檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜成本較高、無(wú)法實(shí)時(shí)估算對(duì)地阻抗、無(wú)法判斷交流側(cè)接地點(diǎn)相位以及不能排除共模干擾等問(wèn)題，本文提出了基于FFT算法和簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)車接地檢測(cè)，不僅節(jié)省大量設(shè)備器件、降低成本、減小設(shè)備故障率所造成的影響，同時(shí)利用軟件濾波消除共模干擾的影響，并能正確區(qū)分設(shè)備輸出缺相相位，可以實(shí)時(shí)推算對(duì)地阻抗值，為機(jī)車行車安全提供了可靠保障。

1 典型接地保護(hù)電路設(shè)計(jì)

1.1 接地檢測(cè)硬件設(shè)計(jì)

內(nèi)燃機(jī)車主電路接地故障大致可分為3種類型：(1)主電路直流母線接地，其中包括直流正端接地和負(fù)端接地；(2)牽引電機(jī)接地；(3)輔助系統(tǒng)接地。本文針對(duì)內(nèi)燃機(jī)車以上三種常見(jiàn)的設(shè)備接地故障，即設(shè)備接地標(biāo)示的①、②、③、④四個(gè)接地點(diǎn)進(jìn)行軟硬件搭配設(shè)計(jì)，提出了一種簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)用于接地檢測(cè)，如圖1所示。

本文對(duì)內(nèi)燃機(jī)車接地主電路進(jìn)行簡(jiǎn)化，通過(guò)測(cè)量接地電壓來(lái)進(jìn)行各設(shè)備的主電路接地判斷。具體是在主電路的正負(fù)兩極間串聯(lián)3個(gè)相同阻值的分壓電阻，同時(shí)在電阻的非負(fù)極端與大地相連，同時(shí)安裝電壓傳感器來(lái)建立正、負(fù)與地之間的電壓關(guān)系的測(cè)量設(shè)備。

圖1 接地點(diǎn)分布主電氣原理圖

通過(guò)對(duì)主電路分析可知，在正常情況下的接地檢測(cè)電壓Uout為

(1)

式中，Uout為接地檢測(cè)電壓；UDC為直流母線電壓；R1=R2=R3=R為接地檢測(cè)電阻。在正常情況下，Uout只包含直流分量，且為母線電壓的三分之一。

1.2 共模干擾的消除

接地波形包含著重要的故障信息，因此，信號(hào)故障信息提取的有效性直接影響接地故障識(shí)別的可靠性。

根據(jù)上一節(jié)的分析，變流器正常工作時(shí)，接地檢測(cè)電壓為直流母線電壓的三分之一，當(dāng)母線電壓平穩(wěn)時(shí)，接地檢測(cè)電壓也應(yīng)只包含直流分量。而在工程實(shí)際中，即使直流母線電壓十分穩(wěn)定，正母線對(duì)地之間的電壓仍存在高頻分量，其時(shí)域波形和頻域特性如圖2所示。輔助系統(tǒng)接地故障發(fā)生時(shí)，接地檢測(cè)波形時(shí)頻域如圖3所示。

圖2 包含共模干擾直流電壓及其諧波

圖3 輔助接地波形及其諧波

接地檢測(cè)波形的高頻分量主要是由于共模噪聲的干擾，共模干擾主要是由于分布電容和雜散電感造成的。IGBT開關(guān)動(dòng)作時(shí)的du/dt和di/dt很大，分別作用于寄生電容和雜散電感時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻噪聲[6]，分布電容和雜散電感如圖4所示。

對(duì)于變流器主電路考慮的主要分布電容和雜散電感包括[7]：中間直流正、負(fù)母線對(duì)參考地的等效寄生電容Cn(C1、C2)；直流母線上分布參數(shù)等效為電感Lb(Lb1、Lb2、Lb3和Lb4)；整流器、逆變器各橋臂上、下開關(guān)器件模塊的集電極、發(fā)射極對(duì)地分布電容電容Crp和Cip；電纜對(duì)地分布電容。

圖4 變流器雜散電感和分布電容

為了有效提取接地信號(hào)有用信息，消除共模干擾的影響，防止接地檢測(cè)誤動(dòng)作，本文對(duì)接地電壓首先進(jìn)行濾波處理，濾波方法采用一階IIR數(shù)字濾波器，其設(shè)計(jì)依據(jù)巴特沃茲(Butterworth)濾波器。巴特沃斯濾波器的通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線平坦，而在阻頻帶則逐漸下降為零。該濾波器設(shè)計(jì)目的是消除因?yàn)檎骱虸GBT等開關(guān)器件造成的共模干擾信號(hào)，提高信號(hào)目標(biāo)處理的有效性，防止接地保護(hù)誤動(dòng)作。

采用一階IIR濾波前后如圖5、圖6所示，其頻域的高頻噪聲含量明顯減小。正常波形濾波后，交流分量含量減少，消除共模干擾的同時(shí)，直流分量幅值保留；輔助接地波形經(jīng)過(guò)濾波后更接近正弦波，高頻噪聲明顯減少。

圖5 未發(fā)生接地時(shí)接地電壓波形分析

圖6 接地發(fā)生時(shí)電壓波形分析

1.3 不同接地點(diǎn)對(duì)地阻抗估算及保護(hù)方法

當(dāng)接地故障發(fā)生時(shí)，Uout的交、直流分量會(huì)發(fā)生明顯變化，下面對(duì)3種類型接地故障發(fā)生分別進(jìn)行分析。

(1)主電路直流母線正端接地

主電路直流母線接地包括直流正端接地和負(fù)端接地兩種情況，當(dāng)母線正端通過(guò)接地電阻Rg接地(即標(biāo)示①接地)時(shí)，相當(dāng)于接地電阻Rg先與R1和R2并聯(lián)后，再與R3串聯(lián)，其直流側(cè)的等效電路如圖7所示。

圖7 直流母線正端接地等效電路

根據(jù)基爾霍夫電流和電壓定律，求得接地檢測(cè)電壓與接地電阻Rg的函數(shù)關(guān)系為

(2)

由式(2)可以得到對(duì)地阻抗Rg的估算公式為

(3)

(2)主電路直流母線負(fù)端接地

當(dāng)直流母線負(fù)端通過(guò)接地電阻Rg接地(即標(biāo)示②接地)時(shí)，相當(dāng)于接地電阻Rg直接與Rg并聯(lián)，因此其直流側(cè)的等效電路如圖8所示。

圖8 直流母線負(fù)端接地等效電路

根據(jù)基爾霍夫電流和電壓定律，求得接地檢測(cè)電壓與接地電阻Rg的函數(shù)關(guān)系為

(4)

由式(4)可以得到對(duì)地阻抗Rg的估算公式為：

(5)

(3)牽引或輔助系統(tǒng)接地

當(dāng)機(jī)車逆變器交流側(cè)輸出發(fā)生單相接地(即標(biāo)示③接地)時(shí)，相當(dāng)于逆變器三相橋臂的中間點(diǎn)通過(guò)接地電阻Rg與接地檢測(cè)電阻R2和R3連接部位連接在一起，因此接地檢測(cè)電壓Uout注入了逆變器交流側(cè)的交流分量。對(duì)于牽引逆變器輸出側(cè)接地，接地檢測(cè)電壓Uout會(huì)包含脈沖電壓，脈沖頻率與牽引逆變器瞬時(shí)的開關(guān)頻率一致。實(shí)際測(cè)量電機(jī)側(cè)接地時(shí)接地檢測(cè)電壓Uout試驗(yàn)波形如圖9所示，與理論分析一致。

圖9 牽引電機(jī)接地前后波形

當(dāng)輔助系統(tǒng)接地(即標(biāo)示④接地)時(shí)，逆變器橋臂的中間點(diǎn)通過(guò)接地電阻Rg與接地檢測(cè)電阻R2和R3連接部位連接在一起。而與牽引電機(jī)接地不同的是，由于輔助電抗器、電容器構(gòu)成的LC低通濾波電路的作用，接地檢測(cè)電壓Uout包含的交流分量不再是脈沖形式，而是正弦形式，輔助系統(tǒng)接地前后接地檢測(cè)電壓Uout試驗(yàn)波形如圖10所示。

圖10 輔助系統(tǒng)接地前后波形

以輔助系統(tǒng)為例進(jìn)一步研究主電路拓?fù)?。?dāng)輔助逆變器交流側(cè)單相接地，相當(dāng)于逆變器橋臂的中間點(diǎn)經(jīng)接地電阻Rg，與接地檢測(cè)電阻R2和R3連接部位通過(guò)大地相連，如圖11所示。

圖11 輔助逆變器交流側(cè)接地

交流側(cè)接地后，向接地點(diǎn)注入交流分量。為了得到交流分量與接地電阻的函數(shù)關(guān)系，本文得到單相等效模型如圖12所示。

圖12 輔助逆變器交流側(cè)接地單相等效模型

圖中L、C和Uphs分別為單相等效電感、電容和相電壓。對(duì)單相等效電路進(jìn)行拉普拉斯變換，可以求得檢測(cè)電壓Uout交流分量與單相等效電源Uphs的傳遞函數(shù)為

(6)

式中，Uout為接地檢測(cè)電壓交流基波分量，Rg為接地電阻，R1=R2=R3=R為接地檢測(cè)電阻。由式(6)可知，當(dāng)選取的檢測(cè)電阻R1、R2和R3阻值R足夠大時(shí)，式(6)可以近似等效成

(7)

式(7)相當(dāng)于電阻分壓公式。根據(jù)式(7)，當(dāng)交流輸出未接地時(shí)，接地電阻Rg為無(wú)窮大，此時(shí)接地檢測(cè)電壓Uout交流分量為0；當(dāng)交流輸出0電阻接地時(shí)，此時(shí)接地檢測(cè)電壓Uout交流分量等于交流側(cè)輸出電壓，與理論分析的結(jié)果一致。由式(7)可得對(duì)地阻抗估算公式

(8)

對(duì)于牽引系統(tǒng)，不包含電抗器和電容器，分析過(guò)程與輔助系統(tǒng)一致，此處不再贅述。

1.4 接地判斷軟件設(shè)計(jì)

為了有效提取接地檢測(cè)電壓交直流分量的幅值，本文采取快速傅里葉變換(FFT)算法對(duì)接地電壓波形進(jìn)行分析。與DFT相比，F(xiàn)FT采用蝶形運(yùn)算，大大減少了運(yùn)算量。本文采用128點(diǎn)蝶形運(yùn)算，其頻率分辨率已經(jīng)滿足工程實(shí)際的需求，運(yùn)算量也相對(duì)較小，算法成熟簡(jiǎn)單，便于硬件實(shí)現(xiàn)。具體步驟如下：

步驟1：巴特沃斯一階低通IIR濾波，消除共模干擾信號(hào)的影響；

步驟2：對(duì)濾波后的信號(hào)做FFT，分別得到直流分量與交流分量；

步驟3：由步驟2提取的交、直流分量，可以進(jìn)一步確定接地點(diǎn)的位置。

當(dāng)接地電壓交流分量較小，且直流分量電壓大于90%母線電壓，判斷為點(diǎn)①接地；

當(dāng)接地電壓交流分量較小，且直流分量電壓小于10%母線電壓，判斷為點(diǎn)②接地；

當(dāng)接地電壓的直流分量在1/3到1/2母線電壓之間，交流分量大小在輔助交流輸出電壓范圍內(nèi)，頻率相同，且接地電壓濾波前為正弦形式，判斷為點(diǎn)③接地；

當(dāng)接地電壓的直流分量在1/3到1/2母線電壓之間，交流分量大小在牽引交流輸出電壓范圍內(nèi)，頻率相同，且接地電壓濾波前為脈沖形式，判斷為點(diǎn)④接地；

步驟4：根據(jù)式(3)、式(5)、式(8)，估算對(duì)地阻抗值；

步驟5：對(duì)地阻抗估算值與保護(hù)值比較，從而判斷接地故障是否發(fā)生。當(dāng)估算值小于保護(hù)值時(shí)，上報(bào)接地故障；當(dāng)估算值大于保護(hù)值，不符合上報(bào)條件，則進(jìn)行返回定時(shí)器重新進(jìn)入下一次判斷。對(duì)于③、④點(diǎn)接地的情況，U、V、W三相具體哪一相接地則需要同時(shí)通過(guò)交流基波分量大小、頻率和相位進(jìn)行判斷。

2 接地仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證電阻估算公式的準(zhǔn)確性，本文在Simulink環(huán)境下搭建逆變器接地仿真模型。搭建仿真模型如圖13所示。

圖13 逆變器接地仿真模塊

電容C1…C14是對(duì)地寄生電容，開關(guān)器件與大地通過(guò)寄生電容構(gòu)成了共模干擾回路。仿真系統(tǒng)主電路的基本參數(shù)如表1所示。

表1 仿真系統(tǒng)主電路參數(shù)

2.1 直流母線接地仿真結(jié)果

當(dāng)逆變器正常工作時(shí)，接地檢測(cè)電壓的波形如圖14(a)所示。直流分量中包含豐富的共模干擾的噪聲，接地波形波動(dòng)較大，峰值超過(guò)500 V，與實(shí)際結(jié)果一致。以1 kΩ電阻接地為例，當(dāng)直流母線正端經(jīng)1 kΩ電阻接地，其波形如圖14(b)所示，直流分量同樣包含大量諧波，但直流分量的幅值有明顯變化。

圖14 接地檢測(cè)電壓仿真波形

采用FFT算法對(duì)接地波形進(jìn)行分析，其諧波含量如圖15所示，得到直流分量的幅值為805.9 V。根據(jù)式(3)估算對(duì)地阻抗為

該仿真采用的1 kΩ電阻接地接近，驗(yàn)證了算法的準(zhǔn)確性。

圖15 直流側(cè)正端接地仿真波形諧波含量

為了進(jìn)一步研究直流分量幅值與對(duì)地阻抗的關(guān)系，分別改變接地電阻的阻值進(jìn)行直流母線正負(fù)接地的仿真研究。通過(guò)FFT分析接地波形，提取直流分量的幅值，并根據(jù)式(3)和式(5)來(lái)估算對(duì)地阻抗，可得到一系列的仿真結(jié)果如表2和表3所示。由仿真結(jié)果估算的對(duì)地阻抗值與仿真參數(shù)基本一致，也進(jìn)一步驗(yàn)證了對(duì)地阻抗估計(jì)的準(zhǔn)確性。

表2 直流母線正端接地仿真結(jié)果

表3 直流母線負(fù)端接地仿真結(jié)果

2.2 交流輸出單相接地仿真結(jié)果

以輔助系統(tǒng)為例，交流輸出單相接地發(fā)生前后的仿真波形如圖16所示。圖中可知，在50 ms時(shí)刻發(fā)生接地故障，此時(shí)接地檢測(cè)電阻R2和R3連接部位經(jīng)過(guò)接地電阻Rg與逆變器橋臂相連，因此檢測(cè)接地電壓交流分量含量增高，仿真結(jié)果與實(shí)際波形基本一致。

圖16 輔助系統(tǒng)發(fā)生接地仿真波形

與直流母線接地的分析過(guò)程類似，為進(jìn)一步研究交流分量基波的有效值與對(duì)地阻抗的關(guān)系，分別改變接地電阻的阻值進(jìn)行輔助交流側(cè)單相接地的仿真研究。同樣采用FFT分析接地波形，提取交流分量基波的含量，并根據(jù)式(8)來(lái)估算對(duì)地阻抗。對(duì)于線電壓380 V三相系統(tǒng)，單相等效相電壓Uphs的有效值為220 V。仿真結(jié)果如表4所示。

表4 輔助系統(tǒng)交流輸出接地仿真結(jié)果

由表4可知，仿真結(jié)果估算的對(duì)地阻抗值與仿真參數(shù)基本一致，也進(jìn)一步驗(yàn)證了對(duì)地阻抗估計(jì)的準(zhǔn)確性。因此本文采用的對(duì)地阻抗估算方法具有可行性，對(duì)于工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

2.3 交流側(cè)接地相位判斷

當(dāng)逆變器交流側(cè)單相接地發(fā)生時(shí)，本文采用軟件鎖相方式進(jìn)一步判斷接地點(diǎn)相位。為了驗(yàn)證算法的可行性，本文用Simulink進(jìn)行單相接地仿真，以逆變器輸出相橋臂發(fā)生接地為例，其結(jié)果如圖17所示，上圖為輔助接地發(fā)生時(shí)的檢測(cè)波形，下圖為逆變器輸出的三相相電壓波形。

圖17 輔助接地時(shí)檢測(cè)波形和相電壓波形

圖17中的波形包含高頻噪聲，該噪聲主要是由于變流器開關(guān)器件動(dòng)作所產(chǎn)生。為了使鑒相器更準(zhǔn)確的判斷相位差，降低鎖相環(huán)設(shè)計(jì)難度，本文采用一階IIR巴特沃斯數(shù)字濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，濾波后的波形如圖18所示。經(jīng)過(guò)濾波后，三相相電壓波形更接近正弦波，接地檢測(cè)波形主要包含少量三次諧波。

圖18 濾波后檢測(cè)波形和相電壓波形

本文在Simulink中模擬逆變器Uc相接地的發(fā)生。當(dāng)Uc相接地時(shí)，接地檢測(cè)電壓應(yīng)包含Uc相電壓交流分量，因此接地波形交流分量基波的相位與Uc相電壓相位相同。比較圖18中接地波形與Uc相電壓相位，兩者相位一致，與理論分析的結(jié)果相同。因此在交流側(cè)單相接地時(shí)，可提取當(dāng)前的交流基波分量的相位，通過(guò)鎖相方式找到當(dāng)前輸出與之相匹配的相位，來(lái)區(qū)分接地點(diǎn)相位。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文采用的接地檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省了硬件成本。同時(shí)設(shè)計(jì)了數(shù)字IIR濾波器來(lái)消除共模干擾的影響，防止檢測(cè)系統(tǒng)誤動(dòng)作，采用成熟的FFT算法實(shí)時(shí)估算對(duì)地阻抗值，便于硬件實(shí)現(xiàn)，并能正確區(qū)分設(shè)備輸出缺相相位，對(duì)于工程應(yīng)用有較高的參考價(jià)值。