储能式有轨电车充电电缆漏电检测方法

胡润文，张伟先

（中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲 412001）

引言

储能式有轨电车地面充电系统属于大功率充电系统，其较高的工作电压对系统正负极间的绝缘性能提出了更高的要求。特别是在复杂的应用场景下，一旦输出充电电缆出现老化现象，导致绝缘性能下降，不仅影响充电系统和车载设备正常运行，还会导致漏电回路产生热积累效应，发生起火燃烧事故[1]。因此从安全性上考虑，必须增加对充电系统绝缘状态的检测。

本文针对目前储能式有轨电车地面充电系统中充电电缆绝缘检测方法的不足，提出一种简单快速的充电电缆漏电检测方法。该方法通过计算车载超级电容的电压上升率，实现对充电系统充电回路状态的检测。该方法无需增加附加电路，仅需在软件上对数据进行相应处理，试验证明对充电系统无干扰。

1 储能式有轨电车地面充电方式

储能式有轨电车利用车载超级电容作为主动力源，全线无接触网，车辆在乘客上下车的短时间内，通过地面充电装置进行充电。由于车载超级电容具有较大的功率密度，因此充电装置能在较短的时间内将其充满[2]。如图1所示，充电系统主要由控制单元、变流单元、输出熔断器等组成。充电系统输出正极通过电缆与充电轨相连，负极通过电缆与钢轨相连。车载储能电源正极与受电器相连，负极与轴端接地装置相连。储能式车辆驶入停站区间后，受电器与充电轨接触，充电系统控制单元通过电压传感器检测到车载储能电源两端电压，充电系统开始为车载储能电源充电。

2 充电系统漏电等效分析

常规的直流系统母线绝缘检测方法有“星矩”桥式检测方法和“接地”检测方法[3]。储能式有轨电车地面充电系统输出负极与车辆行走钢轨等电位。等效来说，正极电缆破损对地放电，相当于正负极电缆之间阻抗减小。如图2a和图2b所示，当出现上述情况时，正极部分电流会通过大地阻抗回流到负极，但对于充电系统而言，正极与负极电流还是相等的，不会有任何电流差，固然也无法通过电流差识别。因此，以上两种检测方法（基于绝缘检测和电流差检测）均不适用于本系统。

图1 储能式有轨电车地面充电示意图

图2 正常情况和漏电情况下充电示意图

3 电容充电理论计算

电容充电原理如图3所示。

图3 电容充电原理

设充电回路输入端电动势为ξ，充电的某一时刻电流为I，电容的电量为Q，电容为C，电容两端电压为U，电阻值为R，则在此时刻，根据基尔霍夫定律，整个回路以电流方向为正方向满足方程[4]

在充电过程中，电容器上的电量Q的增加是电流输入电荷的结果，而且在单位时间内电量的增加就等于电流，即

电容电压U与电量Q的关系为

根据式(1)～(3)，有

4.2 加强福山大樱桃的物流设施建设 福山大樱桃的物流基础设施是支持福山大樱桃发展的基础，福山目前物流基础设施相对比较薄弱，在城市化建设中迫切需要加强物流基础设施建设，以及福山大樱桃物流供应链规划和整合。富山大樱桃物流供应链的瓶颈问题需要充分解决。由于福山大樱桃物流规模化水平不高，推进福山大批发市场和福山大樱桃的建设的一个重要突破点是福山物流管理水平，即从一个宏观的合理角度来进行规划和布局。另外，必须继续加大对农村基础交通设施的建设力度，尤其是加强农村公路的建设和重要的农业产业基地，同时积极引进先进收割装置和产品设备设施，改善福山大樱桃冷的链运输比例[8]。

4 漏电检测方法构建与分析

4.1 电压信号采集

充电装置输出端正负极电压U通过内置电阻将电流限制在较小范围内，电流经过线圈感应出相应电动势，该电动势经过电路调整后反馈给补偿线圈，该补偿线圈产生的磁通与原边电流产生的磁通大小相等、方向相反，此时通过次边电流来精确测量原边电压U。原理图如图4所示。

图4 电压检测原理图

4.2 正常工况输出电压变化

充电系统在正常充电的情况下，正极电缆对地绝缘，阻抗无限大，充电系统充电电流与车载储能电源输入电流相等[5]；当出现正极电缆破损的情况时，正极电缆对地阻抗减小，充电系统输出电流一部分通过破损处对地放电，产生了漏电流，则充电系统充电电流I为车载储能电源电流I1与漏电流I2之和，即

储能式有轨电车车载储能电源由超级电容串并联组成，地面充电装置通常采用恒流限压方式充电。根据超级电容充电特性，车载储能电源增加的电量Q等于充电系统输出的电量，即

车载储能电源电压上升率k满足

因此，在充电电流I、电容C一定[6]的情况下，电压上升率是基本固定在某一个范围的（车辆负载消耗电量相对于充电电流可以忽略不计）。

在不存在漏电流的情况下，车载储能电源两端电压会随着充电电流上升，因此正常情况下，在一段时间内（预设值dt）的电压变化为

4.3 异常工况输出电压变化

4.4 漏电检测分析

根据章节4.1～4.3的探讨，充电装置控制单元可以通过实时监测充电过程中输出负载电压的变化来判断负载是否异常。

在相同时间内，实际电压上升值与预设值的比值为

充电系统控制单元通过输出端电压传感器检测得到电压值U1，一段时间Δt后，再检测得到电压值U2，求取差值得出电压上升值，并计算其与预期值的比值，即得到k0。

（1）当k0≥a时，判定充电系统充电正常，继续充电。考虑车辆充电时空调等辅助系统会消耗一部分能量，因此车载储能电源电压变化值会略小于预期值，临界值的选取可根据车辆实际运行情况确定。理想情况下a=1，车辆辅助用电和损耗越小，a越接近1。

（2）当b＜k0＜a时，判定充电系统输出端漏电，停止充电并报警。此时有漏电流，但未完全对地短路，因此正极对地存在一定电阻，车载储能电源实际电压变化值会小于预期值。

（3）当k0≤b时，判定充电系统输出端短路，停止充电并报警。此时车载储能电源电压变化较小或没有变化，充电系统输出端对地短路。在完全对地短路的情况下，车载储能电源充电电流为0，电压基本无变化，此时b接近于0。

在以上情况下，a、b的取值应根据实际电流大小、充电时间等来综合确定。

5 充电系统控制单元数据处理

充电系统控制单元在充电启动后监测电压上升情况，一段时间Δt（预定值）后，若检测到电压上升情况低于预期，则认为存在漏电情况，停止充电输出，并在显示屏上提示相应故障信息。

充电系统控制单元数据处理流程如图5所示。

图5 充电系统控制单元数据处理流程

6 结束语

储能式有轨电车地面充电装置通常为大功率充电装置，且一般采用恒流充电方式。本文介绍的漏电检测方法，能够在充电电缆破损放电等情况下，快速、简单地发现异常情况并报警，防止异常进一步扩大。同时，该方法完全通过软件实现，无需增加其他检测电路，耗费成本较低，技术上也容易实现。