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        儲(chǔ)能式有軌電車充電電纜漏電檢測(cè)方法

        2020-06-08 10:54:36胡潤(rùn)文張偉先
        關(guān)鍵詞:福山漏電車載

        胡潤(rùn)文,張偉先

        (中車株洲電力機(jī)車有限公司,湖南株洲 412001)

        引言

        儲(chǔ)能式有軌電車地面充電系統(tǒng)屬于大功率充電系統(tǒng),其較高的工作電壓對(duì)系統(tǒng)正負(fù)極間的絕緣性能提出了更高的要求。特別是在復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景下,一旦輸出充電電纜出現(xiàn)老化現(xiàn)象,導(dǎo)致絕緣性能下降,不僅影響充電系統(tǒng)和車載設(shè)備正常運(yùn)行,還會(huì)導(dǎo)致漏電回路產(chǎn)生熱積累效應(yīng),發(fā)生起火燃燒事故[1]。因此從安全性上考慮,必須增加對(duì)充電系統(tǒng)絕緣狀態(tài)的檢測(cè)。

        本文針對(duì)目前儲(chǔ)能式有軌電車地面充電系統(tǒng)中充電電纜絕緣檢測(cè)方法的不足,提出一種簡(jiǎn)單快速的充電電纜漏電檢測(cè)方法。該方法通過計(jì)算車載超級(jí)電容的電壓上升率,實(shí)現(xiàn)對(duì)充電系統(tǒng)充電回路狀態(tài)的檢測(cè)。該方法無需增加附加電路,僅需在軟件上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理,試驗(yàn)證明對(duì)充電系統(tǒng)無干擾。

        1 儲(chǔ)能式有軌電車地面充電方式

        儲(chǔ)能式有軌電車?yán)密囕d超級(jí)電容作為主動(dòng)力源,全線無接觸網(wǎng),車輛在乘客上下車的短時(shí)間內(nèi),通過地面充電裝置進(jìn)行充電。由于車載超級(jí)電容具有較大的功率密度,因此充電裝置能在較短的時(shí)間內(nèi)將其充滿[2]。如圖1所示,充電系統(tǒng)主要由控制單元、變流單元、輸出熔斷器等組成。充電系統(tǒng)輸出正極通過電纜與充電軌相連,負(fù)極通過電纜與鋼軌相連。車載儲(chǔ)能電源正極與受電器相連,負(fù)極與軸端接地裝置相連。儲(chǔ)能式車輛駛?cè)胪U緟^(qū)間后,受電器與充電軌接觸,充電系統(tǒng)控制單元通過電壓傳感器檢測(cè)到車載儲(chǔ)能電源兩端電壓,充電系統(tǒng)開始為車載儲(chǔ)能電源充電。

        2 充電系統(tǒng)漏電等效分析

        常規(guī)的直流系統(tǒng)母線絕緣檢測(cè)方法有“星矩”橋式檢測(cè)方法和“接地”檢測(cè)方法[3]。儲(chǔ)能式有軌電車地面充電系統(tǒng)輸出負(fù)極與車輛行走鋼軌等電位。等效來說,正極電纜破損對(duì)地放電,相當(dāng)于正負(fù)極電纜之間阻抗減小。如圖2a和圖2b所示,當(dāng)出現(xiàn)上述情況時(shí),正極部分電流會(huì)通過大地阻抗回流到負(fù)極,但對(duì)于充電系統(tǒng)而言,正極與負(fù)極電流還是相等的,不會(huì)有任何電流差,固然也無法通過電流差識(shí)別。因此,以上兩種檢測(cè)方法(基于絕緣檢測(cè)和電流差檢測(cè))均不適用于本系統(tǒng)。

        圖1 儲(chǔ)能式有軌電車地面充電示意圖

        圖2 正常情況和漏電情況下充電示意圖

        3 電容充電理論計(jì)算

        電容充電原理如圖3所示。

        圖3 電容充電原理

        設(shè)充電回路輸入端電動(dòng)勢(shì)為ξ,充電的某一時(shí)刻電流為I,電容的電量為Q,電容為C,電容兩端電壓為U,電阻值為R,則在此時(shí)刻,根據(jù)基爾霍夫定律,整個(gè)回路以電流方向?yàn)檎较驖M足方程[4]

        在充電過程中,電容器上的電量Q的增加是電流輸入電荷的結(jié)果,而且在單位時(shí)間內(nèi)電量的增加就等于電流,即

        電容電壓U與電量Q的關(guān)系為

        根據(jù)式(1)~(3),有

        4.2 加強(qiáng)福山大櫻桃的物流設(shè)施建設(shè) 福山大櫻桃的物流基礎(chǔ)設(shè)施是支持福山大櫻桃發(fā)展的基礎(chǔ),福山目前物流基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)比較薄弱,在城市化建設(shè)中迫切需要加強(qiáng)物流基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),以及福山大櫻桃物流供應(yīng)鏈規(guī)劃和整合。富山大櫻桃物流供應(yīng)鏈的瓶頸問題需要充分解決。由于福山大櫻桃物流規(guī)模化水平不高,推進(jìn)福山大批發(fā)市場(chǎng)和福山大櫻桃的建設(shè)的一個(gè)重要突破點(diǎn)是福山物流管理水平,即從一個(gè)宏觀的合理角度來進(jìn)行規(guī)劃和布局。另外,必須繼續(xù)加大對(duì)農(nóng)村基礎(chǔ)交通設(shè)施的建設(shè)力度,尤其是加強(qiáng)農(nóng)村公路的建設(shè)和重要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)基地,同時(shí)積極引進(jìn)先進(jìn)收割裝置和產(chǎn)品設(shè)備設(shè)施,改善福山大櫻桃冷的鏈運(yùn)輸比例[8]。

        4 漏電檢測(cè)方法構(gòu)建與分析

        4.1 電壓信號(hào)采集

        充電裝置輸出端正負(fù)極電壓U通過內(nèi)置電阻將電流限制在較小范圍內(nèi),電流經(jīng)過線圈感應(yīng)出相應(yīng)電動(dòng)勢(shì),該電動(dòng)勢(shì)經(jīng)過電路調(diào)整后反饋給補(bǔ)償線圈,該補(bǔ)償線圈產(chǎn)生的磁通與原邊電流產(chǎn)生的磁通大小相等、方向相反,此時(shí)通過次邊電流來精確測(cè)量原邊電壓U。原理圖如圖4所示。

        圖4 電壓檢測(cè)原理圖

        4.2 正常工況輸出電壓變化

        充電系統(tǒng)在正常充電的情況下,正極電纜對(duì)地絕緣,阻抗無限大,充電系統(tǒng)充電電流與車載儲(chǔ)能電源輸入電流相等[5];當(dāng)出現(xiàn)正極電纜破損的情況時(shí),正極電纜對(duì)地阻抗減小,充電系統(tǒng)輸出電流一部分通過破損處對(duì)地放電,產(chǎn)生了漏電流,則充電系統(tǒng)充電電流I為車載儲(chǔ)能電源電流I1與漏電流I2之和,即

        儲(chǔ)能式有軌電車車載儲(chǔ)能電源由超級(jí)電容串并聯(lián)組成,地面充電裝置通常采用恒流限壓方式充電。根據(jù)超級(jí)電容充電特性,車載儲(chǔ)能電源增加的電量Q等于充電系統(tǒng)輸出的電量,即

        車載儲(chǔ)能電源電壓上升率k滿足

        因此,在充電電流I、電容C一定[6]的情況下,電壓上升率是基本固定在某一個(gè)范圍的(車輛負(fù)載消耗電量相對(duì)于充電電流可以忽略不計(jì))。

        在不存在漏電流的情況下,車載儲(chǔ)能電源兩端電壓會(huì)隨著充電電流上升,因此正常情況下,在一段時(shí)間內(nèi)(預(yù)設(shè)值dt)的電壓變化為

        4.3 異常工況輸出電壓變化

        4.4 漏電檢測(cè)分析

        根據(jù)章節(jié)4.1~4.3的探討,充電裝置控制單元可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電過程中輸出負(fù)載電壓的變化來判斷負(fù)載是否異常。

        在相同時(shí)間內(nèi),實(shí)際電壓上升值與預(yù)設(shè)值的比值為

        充電系統(tǒng)控制單元通過輸出端電壓傳感器檢測(cè)得到電壓值U1,一段時(shí)間Δt后,再檢測(cè)得到電壓值U2,求取差值得出電壓上升值,并計(jì)算其與預(yù)期值的比值,即得到k0。

        (1)當(dāng)k0≥a時(shí),判定充電系統(tǒng)充電正常,繼續(xù)充電??紤]車輛充電時(shí)空調(diào)等輔助系統(tǒng)會(huì)消耗一部分能量,因此車載儲(chǔ)能電源電壓變化值會(huì)略小于預(yù)期值,臨界值的選取可根據(jù)車輛實(shí)際運(yùn)行情況確定。理想情況下a=1,車輛輔助用電和損耗越小,a越接近1。

        (2)當(dāng)b<k0<a時(shí),判定充電系統(tǒng)輸出端漏電,停止充電并報(bào)警。此時(shí)有漏電流,但未完全對(duì)地短路,因此正極對(duì)地存在一定電阻,車載儲(chǔ)能電源實(shí)際電壓變化值會(huì)小于預(yù)期值。

        (3)當(dāng)k0≤b時(shí),判定充電系統(tǒng)輸出端短路,停止充電并報(bào)警。此時(shí)車載儲(chǔ)能電源電壓變化較小或沒有變化,充電系統(tǒng)輸出端對(duì)地短路。在完全對(duì)地短路的情況下,車載儲(chǔ)能電源充電電流為0,電壓基本無變化,此時(shí)b接近于0。

        在以上情況下,a、b的取值應(yīng)根據(jù)實(shí)際電流大小、充電時(shí)間等來綜合確定。

        5 充電系統(tǒng)控制單元數(shù)據(jù)處理

        充電系統(tǒng)控制單元在充電啟動(dòng)后監(jiān)測(cè)電壓上升情況,一段時(shí)間Δt(預(yù)定值)后,若檢測(cè)到電壓上升情況低于預(yù)期,則認(rèn)為存在漏電情況,停止充電輸出,并在顯示屏上提示相應(yīng)故障信息。

        充電系統(tǒng)控制單元數(shù)據(jù)處理流程如圖5所示。

        圖5 充電系統(tǒng)控制單元數(shù)據(jù)處理流程

        6 結(jié)束語

        儲(chǔ)能式有軌電車地面充電裝置通常為大功率充電裝置,且一般采用恒流充電方式。本文介紹的漏電檢測(cè)方法,能夠在充電電纜破損放電等情況下,快速、簡(jiǎn)單地發(fā)現(xiàn)異常情況并報(bào)警,防止異常進(jìn)一步擴(kuò)大。同時(shí),該方法完全通過軟件實(shí)現(xiàn),無需增加其他檢測(cè)電路,耗費(fèi)成本較低,技術(shù)上也容易實(shí)現(xiàn)。

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