摘要 針對AC型漏電保護模塊應(yīng)用于軌道車輛變頻空調(diào)機組，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)機組漏電保護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)；漏電保護開關(guān)；諧波電流

中圖分類號 TM921.51 文獻標(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，一般使用漏電保護模塊作為保護裝置，漏電保護模塊分為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，原保護方案易引起漏電開關(guān)頻繁跳閘現(xiàn)象，嚴重影響了變頻空調(diào)機組的持續(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]，從而引起漏電保護模塊誤動作。

1 軌道車輛空調(diào)機組漏電流試驗

1.1 空調(diào)機組漏電流列車載客實況采集試驗

如圖1所示，從空調(diào)機組輸入側(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型漏電保護模塊5SM2635-8拆解分析

如圖5所示為漏電保護模塊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及活動機構(gòu)本身重力G大于彈簧彈力，漏電保護模塊維持閉合狀態(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)達到漏電流整定值時，活動機構(gòu)被往上頂，引起機械聯(lián)動機構(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型電流保護模塊是針對基波50 Hz進行的設(shè)計，將其應(yīng)用于軌道車輛變頻空調(diào)機組的輸入側(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)計的漏電保護模塊。結(jié)合軌道車輛變頻空調(diào)機組的實際情況，通過采取措施使諧波漏電流成分不能進入互感二次側(cè)線圈，則可以將AC型漏電保護模塊應(yīng)用于變頻系統(tǒng)輸入側(cè)。

在漏電保護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，可以使進入互感二次繞組的低次和高頻諧波成分不能進入整流輸入端，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，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)機組漏電流產(chǎn)生機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)機組的輸入端安裝漏電保護模塊的初衷是為了在工頻漏電事故發(fā)生時可以保護人員及設(shè)備的安全，但是AC型電流保護模塊的設(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。為了減小漏電保護模塊誤動作跳閘頻率，可以通過在漏電保護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型漏電保護開關(guān)模塊在軌道車輛變頻空調(diào)機組輸入側(cè)的安裝應(yīng)用。

參考文獻

[1]陳坤， 夏明. 變頻前端漏電流保護開關(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。