动车组交流辅助供电系统接地故障检测方法研究

张 波，李 博，赵俊博，何欣宇，黎梅云，孙庆文

(中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031)

本文中的CRH3型动车组交流辅助供电系统(以下简称“IT系统”)为IT系统，以该系统为例，对其接地故障进行研究，通过建立分析仿真模型，提出可靠的接地故障检测方法。

1 接地故障检测原理

1.1 单台辅助变流器工作时的接地检测

CRH3型动车组交流辅助供电系统由多台辅助变流器输出并联构成。单台辅助变流器工作时，CRH3型动车组IT系统接地故障等效原理图如图1所示。

图1 单台辅助变流器工作时IT系统接地故障等效原理图

其中，RU、RV、RW、Rm为接地检测电阻，且阻值相同；CU、CV、CW为输出对地电容，且容值相同；Re为等效接地电阻；N、N1、N2为中性点。

图1所示的IT系统若无接地故障，且三相交流负载平衡时，N1对地电压为0；当系统发生接地故障时，中性点偏移，N1对地电压不再为0。

在实际的IT系统中，接地点位置随机，因此通过直接测量Re的电压和电流来确定系统接地情况的方式实施起来较为困难。但是可通过间接测量的方式实现，例如,可通过测量Rm电压的方式间接了解系统接地情况。

(1)

(2)

(3)

联立式(1)～(3)可得：

(4)

(5)

针对系统接地点电流，由基尔霍夫电流定律可得：

(6)

(7)

式中：s——拉普拉斯算子；

C——输出对地电容值。

假设接地检测电阻值为R，即RU=RV=RW=Rm=R，联立式(4)～(7)可得：

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

1.2 多台辅助变流器工作时的接地检测

多台辅助变流器工作发生接地故障时，CRH3型动车组IT系统接地故障等效原理图如图2所示。

多台辅助变流器工作时，由基尔霍夫电流定律可得：

(13)

结合式(4)～(6)以及式(13)可得：

(14)

(15)

(16)

(17)

式中：n——辅助变流器在线数量。

2 接地故障检测方法

为进一步分析接地检测电阻电压、等效接地电阻和电流之间的关系，将式(15)～(17)等效化简为时域下的分析模型：

(18)

(19)

(20)

式中：UU——U相电压值；

URm——Rm电压值；

URe——Re电压值；

IRe——Re电流值；

f——输出电压频率。

按照CRH3型动车组IT系统的参数设置如下：正常模式下，输出电压为3AC 440 V/60 Hz，R为680 kΩ，C为0.5 μF，f为60 Hz，n最大为6。

据此，可以得出URe、IRe、URm随Re的变化曲线，分别如图3、图4、图5所示。从图中可以看出，Re越小，IRe越大，URm越大。从而，提出的接地故障检测方法为：通过测量URm间接确定系统IRe情况。

图3 URe随Re变化曲线

图4 IRe随Re变化曲线

图5 URm随Re变化曲线

3 接地故障检测判据

3.1 n=6时的接地故障检测判据

按照GB 50054—2011《低压配电设计规范》的有关规定，为减少接地故障引起的电气火灾危险而装设的剩余电流监测或保护电器，其动作电流不应大于300 mA。但是在供电部位比较重要、火灾隐患较大的情况下，线路剩余电流通常不超过100 mA[5-7]。

因此，为了确保动车组交流辅助供电系统安全稳定运行，系统接地电流应满足IRe≤100 mA。

当全列辅助变流器都正常运行(n=6)且IRe为100 mA时，由式(18)、式(20)计算可得Re为2.523 kΩ，URm为22.1 V。

由上文可知，Re越小，IRe越大、URm越大。因而，n=6时系统接地故障检测判据可定为：URm超过22.1 V时，IRe会超过100 mA，判定系统有接地故障。

3.2 n≤6时的接地故障检测判据

如图4所示，IRe与n相关，因而接地故障检测判据还需结合n的数值进行匹配调整。

如图4、图5所示，Re一定时，n越少，IRe越小，URm越大。而实际运行中，n由整车网络判定给出，准确性难以可靠保证。以保证整车运行安全性为设计导向，n≤6时的接地故障检测判据应考虑无论n数值是否准确，在判定出接地故障前，整车IRe都应小于100 mA。

从而，n≤6时的接地故障检测判据应选取Re为2.523 kΩ时，n(n=1～6)对应的URm作为判据。

综上，计算n不同时对应的URm、URe和IRe，如表1所示。从表1可以看出，在各种情况下，IRe均≤100 mA。由此可确定n≤6时的接地故障判据为：在辅助变流器在网数量为n时，若接地检测电阻电压超过对应保护阈值，则判定系统有接地故障，需尽快进行故障排查。

表1 n不同时对应的URm、URe和IRe

4 模型仿真及试验验证

4.1 Matlab仿真

针对上述分析的IT系统接地故障原理，使用Matlab仿真软件搭建了接地故障模型，选取单台辅助变流器工作、2台辅助变流器并联工作的2种接地工况，通过仿真验证接地故障检测方法的准确性。按照CRH3型动车组IT系统的参数，Re取值2.523 kΩ。

4.1.1 单台辅助变流器工作时的接地故障仿真

图6为单台辅助变流器工作时的接地故障仿真结果。从仿真结果(图6中蓝线)可以看到，推导的数学计算模型与Simulink搭建的仿真模型仿真结果完全吻合，此时URm为109.3 V、URe为207.8 V、IRe为82.4 mA，与表1的理论计算值一致。

图6 单台辅助变流器工作时的接地故障仿真结果

4.1.2 2台辅助变流器并联工作时的接地故障仿真

图7为2台辅助变流器并联工作时的接地故障仿真结果。从仿真结果(图7中蓝线)可以看到，推导的数学计算模型与Simulink搭建的仿真模型仿真结果完全吻合，此时URm为63 V、URe为239.6 V、IRe为95 mA，与理论计算值一致。

图7 2台辅助变流器并联工作时的接地故障仿真结果

4.2 试验验证

以CRH3型动车组辅助变流器为试验平台，模拟交流输出侧接地故障，Re为2.5 kΩ。选取单台辅助变流器工作和2台辅助变流器并联工作2种接地工况，使用示波器分别测量2种工况下的URe和IRe，并使用上位机观察URm。

4.2.1 单台辅助变流器工作时的接地故障试验结果

图8为单台辅助变流器工作时的接地故障试验波形。

图8 单台辅助变流器工作时的接地故障试验波形

从图8中可以看出，URm为103 V、URe为204.9 V、IRe为80.29 mA。

4.2.2 2台辅助变流器并联工作时的接地故障试验结果

图9为2台辅助变流器并联工作时的接地故障试验波形。从图中可以看出，URm为53.45 V、URe为239.7 V、IRe为92.53 mA。

图9 2台辅助变流器并联工作时的接地故障试验波形

考虑系统硬件参数误差及测量偏差，2种接地工况实际试验结果与理论分析结果的误差较小，可忽略不计，即试验数据与理论分析结论一致。

5 结论

本文以CRH3型动车组为例，详细阐述了动车组交流辅助供电系统接地故障的检测方法，推导研究了交流辅助供电系统接地故障数学模型，并从Matlab仿真、试验验证两方面验证了数学模型的准确性。

另外，本文依据相关国家标准，结合接地故障检测方法，针对CRH3型动车组交流辅助供电系统提出了不同辅助变流器并联运行工况下的接地故障保护阈值。

综上，本文研究的动车组交流辅助供电系统接地故障检测方法准确有效，可以很好地应用于动车组交流辅助供电系统的设计中，为接地故障保护工作提供可靠指导，更好地保证车辆的安全运行。