动车组辅助电源系统接地检测研究

刘含筱 杨玉新 李立伟 王凯

摘要：为判断动车组的辅助电源系统是否发生单相接地短路故障，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和Simulink软件对实验模型进行仿真，将仿真结果与公式求得的结果进行对比，验证公式的正确性。同时，搭建实际的测试平台，对各种接地方式下的三相不接地系统进行测试。测试结果表明，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，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，并且零序电压及零序电压的变化速率均受三相对地电容的影响。当RC相同时，三相对地电容值越大，测得的零序电压值越小;当RC=0时，测得的零序电压均接近165 V;当RC=510 kΩ时，测得的零序电压均接近0 V，说明零序电压值基本不受三相对地电容值的影响。该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依据。

关键词：单相接地短路; 中性点不接地系统; 零序电压; Simulink

中图分类号： TM934.3+1; U266文献标识码： A

文章编号： 10069798（2019）01008106; DOI： 10.13306/j.10069798.2019.01.014

高速铁路因其速度快、能耗低、安全可靠等各种优势在中国得到了很好的发展。近年来，中国建设的高铁网将国内各经济板块连接在一起，大大降低了经济活动的时间成本，为中国的经济发展做出了巨大的贡献。高速铁路的核心是动车组的设计和制造，而动车组由电力驱动，因此车内供电系统的安全性和可靠性至关重要[13]。动车组中存在各种类型的负载，数量庞大且十分复杂，容易对电源造成污染，导致供电质量下降，给电源系统的绝缘带来潜在危害[46]。动车组的辅助电源系统（auxiliary power unit，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。动车组APU系统是中性点不接地的三相三线制系统（IT系统）。当IT系统发生单相接地短路时，系统仍然可以带故障运行一段时间，但其余两相的对地电压会增大为原來的3倍，增大了导线绝缘部分的压力[710];若又有一相线路发生接地短路故障，系统将产生两相接地短路，造成动车组断电，中途停车[1116]。这不但会阻碍同一线路后续列车的行驶，降低铁路运输效率，而且会危及乘客的人身安全，甚至会给我国的经济造成不良影响[1720]。基于此，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，即如果IT系统发生单相接地故障，系统中的零序电压将发生改变，并根据零序电压的相位判断出接地故障相。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。

4结束语

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0～165 V，当发生单相金属性短路时，UN值最大为165 V，当三相对地阻抗相等时，UN值最小为0 V;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。

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