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        儲能式有軌電車充電電纜漏電檢測方法

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

        胡潤文,張偉先

        (中車株洲電力機車有限公司,湖南株洲 412001)

        引言

        儲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系統(tǒng)正負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)備正常運行,還會導(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,必須增加對充電系統(tǒng)絕緣狀態(tài)的檢測。

        本文針對目前儲能式有軌電車地面充電系統(tǒng)中充電電纜絕緣檢測方法的不足,提出一種簡單快速的充電電纜漏電檢測方法。該方法通過計算車載超級電容的電壓上升率,實現(xiàn)對充電系統(tǒng)充電回路狀態(tài)的檢測。該方法無需增加附加電路,僅需在軟件上對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理,試驗證明對充電系統(tǒng)無干擾。

        1 儲能式有軌電車地面充電方式

        儲能式有軌電車利用車載超級電容作為主動力源,全線無接觸網(wǎng),車輛在乘客上下車的短時間內(nèi),通過地面充電裝置進行充電。由于車載超級電容具有較大的功率密度,因此充電裝置能在較短的時間內(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,負極通過電纜與鋼軌相連。車載儲能電源正極與受電器相連,負極與軸端接地裝置相連。儲能式車輛駛?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到車載儲能電源兩端電壓,充電系統(tǒng)開始為車載儲能電源充電。

        2 充電系統(tǒng)漏電等效分析

        常規(guī)的直流系統(tǒng)母線絕緣檢測方法有“星矩”橋式檢測方法和“接地”檢測方法[3]。儲能式有軌電車地面充電系統(tǒng)輸出負極與車輛行走鋼軌等電位。等效來說,正極電纜破損對地放電,相當(dāng)于正負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,正極部分電流會通過大地阻抗回流到負極,但對于充電系統(tǒng)而言,正極與負極電流還是相等的,不會有任何電流差,固然也無法通過電流差識別。因此,以上兩種檢測方法(基于絕緣檢測和電流差檢測)均不適用于本系統(tǒng)。

        圖1 儲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勢為ξ,充電的某一時刻電流為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,則在此時刻,根據(jù)基爾霍夫定律,整個回路以電流方向為正方向滿足方程[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)施相對比較薄弱,在城市化建設(shè)中迫切需要加強物流基礎(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)?;讲桓撸七M福山大批發(fā)市場和福山大櫻桃的建設(shè)的一個重要突破點是福山物流管理水平,即從一個宏觀的合理角度來進行規(guī)劃和布局。另外,必須繼續(xù)加大對農(nóng)村基礎(chǔ)交通設(shè)施的建設(shè)力度,尤其是加強農(nóng)村公路的建設(shè)和重要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)基地,同時積極引進先進收割裝置和產(chǎn)品設(shè)備設(shè)施,改善福山大櫻桃冷的鏈運輸比例[8]。

        4 漏電檢測方法構(gòu)建與分析

        4.1 電壓信號采集

        充電裝置輸出端正負極電壓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)電動勢,該電動勢經(jīng)過電路調(diào)整后反饋給補償線圈,該補償線圈產(chǎn)生的磁通與原邊電流產(chǎn)生的磁通大小相等、方向相反,此時通過次邊電流來精確測量原邊電壓U。原理圖如圖4所示。

        圖4 電壓檢測原理圖

        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,正極電纜對地絕緣,阻抗無限大,充電系統(tǒng)充電電流與車載儲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,正極電纜對地阻抗減小,充電系統(tǒng)輸出電流一部分通過破損處對地放電,產(chǎn)生了漏電流,則充電系統(tǒng)充電電流I為車載儲能電源電流I1與漏電流I2之和,即

        儲能式有軌電車車載儲能電源由超級電容串并聯(lián)組成,地面充電裝置通常采用恒流限壓方式充電。根據(jù)超級電容充電特性,車載儲能電源增加的電量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范圍的(車輛負載消耗電量相對于充電電流可以忽略不計)。

        在不存在漏電流的情況下,車載儲能電源兩端電壓會隨著充電電流上升,因此正常情況下,在一段時間內(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時監(jiān)測充電過程中輸出負載電壓的變化來判斷負載是否異常。

        在相同時間內(nèi),實際電壓上升值與預(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得到電壓值U1,一段時間Δt后,再檢測得到電壓值U2,求取差值得出電壓上升值,并計算其與預(yù)期值的比值,即得到k0。

        (1)當(dāng)k0≥a時,判定充電系統(tǒng)充電正常,繼續(xù)充電??紤]車輛充電時空調(diào)等輔助系統(tǒng)會消耗一部分能量,因此車載儲能電源電壓變化值會略小于預(yù)期值,臨界值的選取可根據(jù)車輛實際運行情況確定。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,判定充電系統(tǒng)輸出端漏電,停止充電并報警。此時有漏電流,但未完全對地短路,因此正極對地存在一定電阻,車載儲能電源實際電壓變化值會小于預(yù)期值。

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

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

        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后監(jiān)測電壓上升情況,一段時間Δt(預(yù)定值)后,若檢測到電壓上升情況低于預(yù)期,則認為存在漏電情況,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方法,能夠在充電電纜破損放電等情況下,快速、簡單地發(fā)現(xiàn)異常情況并報警,防止異常進一步擴大。同時,該方法完全通過軟件實現(xiàn),無需增加其他檢測電路,耗費成本較低,技術(shù)上也容易實現(xiàn)。

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