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        動(dòng)車組交流輔助供電系統(tǒng)接地故障檢測(cè)方法研究

        2021-08-27 13:09:12趙俊博何欣宇黎梅云孫慶文
        鐵道車輛 2021年3期
        關(guān)鍵詞:故障檢測(cè)系統(tǒng)

        張 波,李 博,趙俊博,何欣宇,黎梅云,孫慶文

        (中車青島四方車輛研究所有限公司,山東 青島 266031)

        本文中的CRH3型動(dòng)車組交流輔助供電系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“IT系統(tǒng)”)為IT系統(tǒng),以該系統(tǒng)為例,對(duì)其接地故障進(jìn)行研究,通過(guò)建立分析仿真模型,提出可靠的接地故障檢測(cè)方法。

        1 接地故障檢測(cè)原理

        1.1 單臺(tái)輔助變流器工作時(shí)的接地檢測(cè)

        CRH3型動(dòng)車組交流輔助供電系統(tǒng)由多臺(tái)輔助變流器輸出并聯(lián)構(gòu)成。單臺(tái)輔助變流器工作時(shí),CRH3型動(dòng)車組IT系統(tǒng)接地故障等效原理圖如圖1所示。

        圖1 單臺(tái)輔助變流器工作時(shí)IT系統(tǒng)接地故障等效原理圖

        其中,RU、RV、RW、Rm為接地檢測(cè)電阻,且阻值相同;CU、CV、CW為輸出對(duì)地電容,且容值相同;Re為等效接地電阻;N、N1、N2為中性點(diǎn)。

        圖1所示的IT系統(tǒng)若無(wú)接地故障,且三相交流負(fù)載平衡時(shí),N1對(duì)地電壓為0;當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí),中性點(diǎn)偏移,N1對(duì)地電壓不再為0。

        在實(shí)際的IT系統(tǒng)中,接地點(diǎn)位置隨機(jī),因此通過(guò)直接測(cè)量Re的電壓和電流來(lái)確定系統(tǒng)接地情況的方式實(shí)施起來(lái)較為困難。但是可通過(guò)間接測(cè)量的方式實(shí)現(xiàn),例如,可通過(guò)測(cè)量Rm電壓的方式間接了解系統(tǒng)接地情況。

        (1)

        (2)

        (3)

        聯(lián)立式(1)~(3)可得:

        (4)

        (5)

        針對(duì)系統(tǒng)接地點(diǎn)電流,由基爾霍夫電流定律可得:

        (6)

        (7)

        式中:s——拉普拉斯算子;

        C——輸出對(duì)地電容值。

        假設(shè)接地檢測(cè)電阻值為R,即RU=RV=RW=Rm=R,聯(lián)立式(4)~(7)可得:

        (8)

        (9)

        (10)

        (11)

        (12)

        1.2 多臺(tái)輔助變流器工作時(shí)的接地檢測(cè)

        多臺(tái)輔助變流器工作發(fā)生接地故障時(shí),CRH3型動(dòng)車組IT系統(tǒng)接地故障等效原理圖如圖2所示。

        多臺(tái)輔助變流器工作時(shí),由基爾霍夫電流定律可得:

        (13)

        結(jié)合式(4)~(6)以及式(13)可得:

        (14)

        (15)

        (16)

        (17)

        式中:n——輔助變流器在線數(shù)量。

        2 接地故障檢測(cè)方法

        為進(jìn)一步分析接地檢測(cè)電阻電壓、等效接地電阻和電流之間的關(guān)系,將式(15)~(17)等效化簡(jiǎn)為時(shí)域下的分析模型:

        (18)

        (19)

        (20)

        式中:UU——U相電壓值;

        URm——Rm電壓值;

        URe——Re電壓值;

        IRe——Re電流值;

        f——輸出電壓頻率。

        按照CRH3型動(dòng)車組IT系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置如下:正常模式下,輸出電壓為3AC 440 V/60 Hz,R為680 kΩ,C為0.5 μF,f為60 Hz,n最大為6。

        據(jù)此,可以得出URe、IRe、URm隨Re的變化曲線,分別如圖3、圖4、圖5所示。從圖中可以看出,Re越小,IRe越大,URm越大。從而,提出的接地故障檢測(cè)方法為:通過(guò)測(cè)量URm間接確定系統(tǒng)IRe情況。

        圖3 URe隨Re變化曲線

        圖4 IRe隨Re變化曲線

        圖5 URm隨Re變化曲線

        3 接地故障檢測(cè)判據(jù)

        3.1 n=6時(shí)的接地故障檢測(cè)判據(jù)

        按照GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定,為減少接地故障引起的電氣火災(zāi)危險(xiǎn)而裝設(shè)的剩余電流監(jiān)測(cè)或保護(hù)電器,其動(dòng)作電流不應(yīng)大于300 mA。但是在供電部位比較重要、火災(zāi)隱患較大的情況下,線路剩余電流通常不超過(guò)100 mA[5-7]。

        因此,為了確保動(dòng)車組交流輔助供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,系統(tǒng)接地電流應(yīng)滿足IRe≤100 mA。

        當(dāng)全列輔助變流器都正常運(yùn)行(n=6)且IRe為100 mA時(shí),由式(18)、式(20)計(jì)算可得Re為2.523 kΩ,URm為22.1 V。

        由上文可知,Re越小,IRe越大、URm越大。因而,n=6時(shí)系統(tǒng)接地故障檢測(cè)判據(jù)可定為:URm超過(guò)22.1 V時(shí),IRe會(huì)超過(guò)100 mA,判定系統(tǒng)有接地故障。

        3.2 n≤6時(shí)的接地故障檢測(cè)判據(jù)

        如圖4所示,IRe與n相關(guān),因而接地故障檢測(cè)判據(jù)還需結(jié)合n的數(shù)值進(jìn)行匹配調(diào)整。

        如圖4、圖5所示,Re一定時(shí),n越少,IRe越小,URm越大。而實(shí)際運(yùn)行中,n由整車網(wǎng)絡(luò)判定給出,準(zhǔn)確性難以可靠保證。以保證整車運(yùn)行安全性為設(shè)計(jì)導(dǎo)向,n≤6時(shí)的接地故障檢測(cè)判據(jù)應(yīng)考慮無(wú)論n數(shù)值是否準(zhǔn)確,在判定出接地故障前,整車IRe都應(yīng)小于100 mA。

        從而,n≤6時(shí)的接地故障檢測(cè)判據(jù)應(yīng)選取Re為2.523 kΩ時(shí),n(n=1~6)對(duì)應(yīng)的URm作為判據(jù)。

        綜上,計(jì)算n不同時(shí)對(duì)應(yīng)的URm、URe和IRe,如表1所示。從表1可以看出,在各種情況下,IRe均≤100 mA。由此可確定n≤6時(shí)的接地故障判據(jù)為:在輔助變流器在網(wǎng)數(shù)量為n時(shí),若接地檢測(cè)電阻電壓超過(guò)對(duì)應(yīng)保護(hù)閾值,則判定系統(tǒng)有接地故障,需盡快進(jìn)行故障排查。

        表1 n不同時(shí)對(duì)應(yīng)的URm、URe和IRe

        4 模型仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

        4.1 Matlab仿真

        針對(duì)上述分析的IT系統(tǒng)接地故障原理,使用Matlab仿真軟件搭建了接地故障模型,選取單臺(tái)輔助變流器工作、2臺(tái)輔助變流器并聯(lián)工作的2種接地工況,通過(guò)仿真驗(yàn)證接地故障檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性。按照CRH3型動(dòng)車組IT系統(tǒng)的參數(shù),Re取值2.523 kΩ。

        4.1.1 單臺(tái)輔助變流器工作時(shí)的接地故障仿真

        圖6為單臺(tái)輔助變流器工作時(shí)的接地故障仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果(圖6中藍(lán)線)可以看到,推導(dǎo)的數(shù)學(xué)計(jì)算模型與Simulink搭建的仿真模型仿真結(jié)果完全吻合,此時(shí)URm為109.3 V、URe為207.8 V、IRe為82.4 mA,與表1的理論計(jì)算值一致。

        圖6 單臺(tái)輔助變流器工作時(shí)的接地故障仿真結(jié)果

        4.1.2 2臺(tái)輔助變流器并聯(lián)工作時(shí)的接地故障仿真

        圖7為2臺(tái)輔助變流器并聯(lián)工作時(shí)的接地故障仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果(圖7中藍(lán)線)可以看到,推導(dǎo)的數(shù)學(xué)計(jì)算模型與Simulink搭建的仿真模型仿真結(jié)果完全吻合,此時(shí)URm為63 V、URe為239.6 V、IRe為95 mA,與理論計(jì)算值一致。

        圖7 2臺(tái)輔助變流器并聯(lián)工作時(shí)的接地故障仿真結(jié)果

        4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

        以CRH3型動(dòng)車組輔助變流器為試驗(yàn)平臺(tái),模擬交流輸出側(cè)接地故障,Re為2.5 kΩ。選取單臺(tái)輔助變流器工作和2臺(tái)輔助變流器并聯(lián)工作2種接地工況,使用示波器分別測(cè)量2種工況下的URe和IRe,并使用上位機(jī)觀察URm。

        4.2.1 單臺(tái)輔助變流器工作時(shí)的接地故障試驗(yàn)結(jié)果

        圖8為單臺(tái)輔助變流器工作時(shí)的接地故障試驗(yàn)波形。

        圖8 單臺(tái)輔助變流器工作時(shí)的接地故障試驗(yàn)波形

        從圖8中可以看出,URm為103 V、URe為204.9 V、IRe為80.29 mA。

        4.2.2 2臺(tái)輔助變流器并聯(lián)工作時(shí)的接地故障試驗(yàn)結(jié)果

        圖9為2臺(tái)輔助變流器并聯(lián)工作時(shí)的接地故障試驗(yàn)波形。從圖中可以看出,URm為53.45 V、URe為239.7 V、IRe為92.53 mA。

        圖9 2臺(tái)輔助變流器并聯(lián)工作時(shí)的接地故障試驗(yàn)波形

        考慮系統(tǒng)硬件參數(shù)誤差及測(cè)量偏差,2種接地工況實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果的誤差較小,可忽略不計(jì),即試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論分析結(jié)論一致。

        5 結(jié)論

        本文以CRH3型動(dòng)車組為例,詳細(xì)闡述了動(dòng)車組交流輔助供電系統(tǒng)接地故障的檢測(cè)方法,推導(dǎo)研究了交流輔助供電系統(tǒng)接地故障數(shù)學(xué)模型,并從Matlab仿真、試驗(yàn)驗(yàn)證兩方面驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。

        另外,本文依據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合接地故障檢測(cè)方法,針對(duì)CRH3型動(dòng)車組交流輔助供電系統(tǒng)提出了不同輔助變流器并聯(lián)運(yùn)行工況下的接地故障保護(hù)閾值。

        綜上,本文研究的動(dòng)車組交流輔助供電系統(tǒng)接地故障檢測(cè)方法準(zhǔn)確有效,可以很好地應(yīng)用于動(dòng)車組交流輔助供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,為接地故障保護(hù)工作提供可靠指導(dǎo),更好地保證車輛的安全運(yùn)行。

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