动车组辅助电源系统接地检测研究

鲍家凯

摘要：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。本文主要对动车组辅助电源系统接地检测进行研究，推导出零序电压随三相负载变化的公式，得到零序电压与三相负载不平衡状况有关，本研究为动车组三相三线制辅助电源系统的接地检测工作提供了理论支持和解决方法，对动车组的平稳安全运行具有重要意义。

关键词：动车组；辅助电源系统；接地检测

1动车组辅助系统工作原理分析和研究

1.1辅助电源技术

1.1.1辅助供电系统

本文按照CRH系列动车组常见的两个单元、八辆编组的形式，编组形式与CRH3相似，供电系统与CRH2动车组相似。引用的技术标准与规范主要包括：IEC77-68电力牵引设备规则；GB-3317-82电力机车通用技术；IEC146-2半导体自动转向变流器；UIC550客车供电装置；IEC571-2机车电子设备；

1.1.2电力结构设计

为保障动车组动力均匀分布、动车组配重均匀，实现电路结构的简化，需要综合考虑各项因素。应用某动车组编组形式，拟定设计的动车组为八辆车、两个单元组成，每个单元均设置有两个动车与两个拖车，某一单元设置为M-T-M-T，另一个单元则设置为T-M-T-M。

动车组上每个单元均设置1台主变压器辅助绕组，将其作为本单元的辅助供电系统。为保障动车组机械设备的稳定运行，在每个单元内设置有2套逆变器、110V供电电源、2套辅助整流器。辅助整流器、逆变器选择一动一拖的供电形式，在其中一套整流器与逆变器故障时，另一套依旧可承担电力供应。

2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。

2.1零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，根據基尔霍夫电流定律（kirchhoff′scurrentlaw，KCL），有

又R1=R2=R3=680kΩ，代入式（1），得

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。

2.2零序电压计算

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。

下面探讨三相对地阻抗更一般的情况，求出具有普适性的零序电压公式。三相电压用向量法表示，在三相线电压保持不变的情况下，设A相电压为6）UA，则B相电压为 ，C相电压 ，当ZA、ZB、ZC均不为零时，根据KCL建立的方程组为

由式（6）可知，当三相对地阻抗对称（即三相对地阻抗相等）时， ，无零序电压产生；当三相对地阻抗不对称时， ，有零序电压产生。当A相发生金属性接地情况时，ZA=0，代入式（1）～式（5）中，可求得 ，这与前面计算的结果相符合。

3Matlab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。

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。

参考文献

[1]高吉磊.高速动车组牵引系统无动力回送发电功能的研究[J].机车电传动，2017，16（1）：46-50.

[2]梁建英.CRH_2型动车组主回路系统性能优化研究[D].北京：北京交通大学，2016，26（10）：60-62.

（作者单位：北京铁路集团天津动车客车段天津动车所）