动车组辅助电源系统接地检测分析

动车组辅助电源系统接地检测分析

田彪

中国铁路北京局集团有限公司北京动车段北京102600

摘要：动车组的辅助电源系统(auxiliarypowerunit,APU)负责向车中各类常规用电设备进行供电,并负责在整流后供给车上各电压等级的直流设备,同时,车上留给乘客的插座也由APU负责。不同于应用在电网中的绝缘监测设备,APU功能强大且体积庞大,应用于动车组APU的绝缘监测设备功能精简,绝缘等级不高,且不需要超远距离的通信方式,同时车体空间狭小,这也要求设备具有更小的体积。随着人民生活水平的不断提高,对各类交通工具的速度、安全需求也越来越大。高铁已成为大多数人的远途旅行的首选方式,动车组的安全性能和舒适程度备受关注,这就对动车组辅助供电系统的安全性和可靠性提出了更高的要求。

关键词：动车组；辅助电源系统；接地检测

1构建接地故障分析模型

IT系统接地故障分析模型如图1所示。图1中,R1～R4为零序电压测量电阻;RA、RB、RC为各相线对地等效电阻;CA、CB、CC为各相线对地等效电容;ZA、ZB、ZC为各相线对地等效阻抗;UN为电阻R4的对地电压。

为了更简单地描述动车组上的分布参数,同时简化问题,本文假设图1中的三相电源电压幅值相等,且供电线路与车体之间的绝缘程度用等效阻抗Z表示,而相线间存在的阻抗因与所讨论的问题没有影响则予以略去。

1.1零序电压测量电路分析

三相电压用相量表示,设A相、B相和C相电压分别为,则对于零序电压测量电路,根据基尔霍夫电流定律(kirchhoff′scurrentlaw,KCL),有

由式(2)可知,A相、B相和C相的三相电压矢量和为46)UN,又已知零序电压为三相电压矢量和的1/3,则零序电压为(4/3)6)UN,即零序电压为测量电路所测电压6)UN的4/3倍。为分析方便,以下均将6)UN称为零序电压。

若负载平衡,则零序电压主要由三相线路中单相或两相接地产生,大小取决于接地程度。金属的接地程度最高,对于非金属接地,随着接地电阻的增加,接地程度不断下降。因此,通过测量零序电压,可以判断三相线路中是否出现接地故障,并通过零序电压的大小来判断接地程度。

1.2零序电压计算

若有一相电路(如A相)发生金属性接地,则ZA=0,此时,A相接地等效电路如图2所示。图2中,R1、R4为并联电阻,将两者合并后得到A相接地的最简等效电路,A相接地最简等效电路如图3所示。

此时,ZB、ZC变为相间负载,三相电压分别为

1.3接地短路故障定位

由1.2节计算可知,A相发生金属性接地短路故障时,零序电压与A相电压相位相差180°,B相发生金属性接地短路故障时,零序电压比A相电压相位超前60°,C相发生金属性接地短路故障时,零序电压比A相电压相位滞后60°,所以不同相发生接地短路,产生的零序电压相位不同,故可通过零序电压相位的所在区间来定位接地短路故障相。

2Matlab仿真

根据图1,建立IT系统接地故障分析模型,利用Matlab软件建立仿真模型。Matlab仿真模型如图4所示。

为验证式(5)的正确性,分别将同一组ZA、ZB、ZC数据输入仿真模型和式(5)中,比对两者输出的零序电压值是否相等。由于实测动车组相线对地电容约为2.4μF,相线对地电阻约为400kΩ,为接近动车组实际情况,将A、B、C三相的对地电容均设为定值2.4μF,将A相和B相的对地电阻均设为定值510kΩ,C相对地电阻均匀的取0Ω～510kΩ之间的5101个值,分别将这5101组ZA、ZB、ZC数据输入仿真模型和式(5)中,仿真模型和式(5)的零序电压输出曲线如图5所示(其中,图5b为从图5a中截取的部分数据)。

图中,蓝线为式(5)的零序电压输出曲线,红线为仿真模型的零序电压输出曲线。由图5可以看出,两者零序电压输出曲线基本重合,验证了式(5)的正确性。且在RC∈0[,510kΩ]区间,两者输出的零序电压及输出零序电压的变化速率随RC的增大而不断减小,当RC=0Ω时,两者输出的零序电压值最大为165V,当RC=510kΩ时,两者输出的零序电压值最小为0V。

3实验平台

3.1单相直接接地实验

C相处于金属性短路状态下,改变A相和B相对地电容容值及对地电阻,通过实验平台和仿真模型,测得零序电压值,以坐标轴的形式表示,C相短路情况下实测数据如图6所示。

由图6可以看出,当单相发生金属性短路时,实验平台测得的零序电压比仿真模型测得的零序电压稍高,但两者十分接近,实验平台测得的零序电压与仿真模型测得的零序电压基本一致,且单相发生金属性短路时,零序电压大小不受其它相对地电容和对地电阻大小的影响。

3.2单相经电阻接地实验

令A、B相对地电阻为510kΩ,改变三相对地电容值及C相对地电阻,通过实验平台和仿真模型测得零序电压值,两相对地电阻不变情况下实测数据如图7所示(图7b为图7a中截取的部分数据)。

图7两相对地电阻不变情况下实测数据下载原图

由图7可以看出,实验平台测得的零序电压与仿真模型测得的零序电压基本相对应,所测零序电压及零序电压变化速率均随C相对地电阻RC的增加而下降,并且零序电压以及零序电压的变化速率均受三相对地电容的影响,当RC值相同时,三相对地电容值越大,测得的零序电压值越小。但当RC=0时,测得的零序电压均接近165V,此时零序电压值基本不受三相对地电容值的影响;当RC=510kΩ时,测得的零序电压均接近0V,此时零序电压值基本不受三相对地电容值的影响。

3.3两相经电阻接地实验

令A、B、C相对地电容为2.35μF,A相对地电阻值为510kΩ,改变B相和C相对地电阻,通过实验平台进行测试。为观察方便,仅以仿真模型来绘制在不同B相对地电阻和C相对地电阻下的零序电压曲线。一相对地电阻不变情况下输出零序电压曲线如图8所示(图8b为图8a中截取的部分数据)。

由图8可以看出,当RB较小时(如图中RB=100Ω和RB=1kΩ时),当RC<RB时输出零序电压随RC的增加而减小,且当RC=RB时输出零序电压为最小值,当RC>RB时输出零序电压随RC的增加而增加,且增加幅度与的RB阻值有关,RB越小增加幅度越大。当RB较大时,输出零序电压曲线接近于RB=510kΩ时的输出零序电压曲线,且RB阻值越大越接近。

结论

本文主要对动车组辅助电源系统接地检测进行研究,构建了IT系统接地故障分析模型,推导了零序电压随三相对地绝缘阻抗变化的公式,设计了检测系统零序电压的电路,并利用Matlab仿真软件对实验模型进行仿真实验。研究结果表明,通过UN可以实现对零序电压的检测,且实际零序电压为UN值的4/3倍。UN变化范围为0～165V,当发生单相金属性短路时,UN值最大为165V,当三相对地阻抗相等时,UN值最小为0V;通过测量零序电压,可以判断三相线路中是否出现接地故障,并通过其大小来评估系统绝缘程度;不同相发生接地短路,产生的零序电压相位不同,可通过零序电压相位的所在区间来定位接地短路故障相。该研究对动车组安全平稳的运行具有重要意义。

参考文献：

[1]刘民.动车组辅助供电系统研究[D].西南交通大学,2016.

[2]刘能文.时速200公里动车组辅助供电系统的研究[D].中南大学,2017.