（电力电子与电力传动专业论文）电力机车智能无源接地检测装置的研制.pdf

北京交通大学硕士学位论文 d e v e l o p m e n to fi n t e i 正j g e n t 1 a s s i v eg r o u n d i n gf a u i 刀d 脚c t i o n d e v i c ef o re l e c t r i cl o c o m o t i v e w i t ht h ef i l r t h e ri n c r c a s e ds p e e do fe l e c t r i cl o c o m o t i v ea i l dd e v e l o p m e n to f h i g h s p e e dt r a i l l ，i tr c q u i r e st h a te a c 血c l e c t r i c a 王c i r c u “o fc l e c t r i cl o c o m o t i v e 0 p e r a t es a f e l ya n d r c l i a b ly w h e nt h en u m b e r so f 乎o u n d i n gf a u l tw h i c ho c c u ri n ae l e c t r i c a lc i r c u i to fe l e c 缸cl o c o m o t i v ea r cm o r et h a i lt w o ，t h el o c o m o t i v ew i l l o p e r a t ea b o 皿a 1 1 ya 1 1 dg o 唧n g t h e r c f o r c ，r c l i a b i eg m u n d i gf a u l td e t e c t i o n d e v i c em u s tb ei n s t a u e di i le v e r vd e c t r i c a lc i r c u i t0 fe l e c t r i c1 0 c o m o t i v e n i st h e s i si st h ee x p a n s i o no ft h en a t i o n a l8 6 3k e yp r o j e c te m i n e d “e l e c t r i cv c h i d ei i l 蛐l a t i o n s a f c t y ”a c c o r d i 雌 t ot h e p r i i n a r y i n t e l l i g e n tp 勰s i v e 磬o u n d i n gf a u l td e t e c t i o nd e v i c e ，t h ep r i m a r yd e t e c t i o ni s e x p a d e da n dd e 印e nc a nb ea p p l i e dt oe v e r ye l e c t r i c a lc i r c u i to fe l e c t r i c 1 0 c o m o t i v ew o r k i n ga sas u b s t i t u t ef o rt h e 擎o u n d i n gr e l a ya l r e a d yi n s t a u e do n e l e c t r i cl o c o m o t i v e ，a n dd 吼e c t st h e 厚d u n d i n gf a u l to fe a c he l e c t r i c a ld r c u i tr e a l t i m e t h i sd e v i c ed o n th a v et h ed i s a d v 卸t a g e ss u c ha sb a dr e l i a b i l i t y ，h e a v y l o a do nr e p a i 肌a nw l l i c ht h e 舯u n d i i 坦r e l a yu s e dt oh a v e na d o p t st h em e t h o d o fp a s s i v ed e t e c t i o n ，a i l dr e a l i z e st h ee l e c t r i c a li s o l a t i o na m o n gm a i nc i r c u i t ， a u x i l i a r vc i r c u i ta n dc o n n o lc i r c u i t 。t l l u sr cd 1 c c se m lw h i c ht l l ec o n t r o lc j r c u i t s u f l c r sa l l di m d r o v e se l e c t r i c a ll e v e lo fe l e c t r i cl o c o m o t i v e 锄dr c d u c ew o r k c r s l o a da l l dt h er a j l w a ym 1 1 n i n gc o s t t l l i st l l e s i si sb 硒e d0 nt h ef a c t so fe l e c c r i cl o m o t i v e 。a n di t r o d u st h e c h a r a c t e r i s t i c sa dw o r k i n gm o d eo fe v e r ye l e c t r i c a lc i r c u i t na l s oi i l t r o d u c e s t h ep r i i n a r yd e t e c t i o nm e t h o db r i e n 弘a c c o r d i n gt 0d j f | f c r e n tc i r c i l i t s ，t h i st h e s i s e s t a b l j s h e ds i m u l a t i o nm o d e lf o rm e o r c t i c a l 柚a l v s i s nc a i ls i m u l a t ed i f ! f e r e n t g r o u n d i n gf a u l t w a v e sa i l dn d u d et h cc o r r c s p o n d i 】1 9g 阳u n 曲1 9f a u h u d 卿e n ta l g o r i t h m s t h e nt h en e wd e t e c t i o nm e t h o di sc o m p a r e dt 0 t h e 北京交通大学硕士学位论文 p r i i n 盯y0 n e ，i t l v e st h eb l i n ds p o to ft h ep r i l m i r ) ro n e t h ep m b l e m 州n g a p p l y i n gi sa n a l y z e da n ds o l v e d t h ec o n 仃o ls y s t e mo ft h en e w 酉o u n d i l l gf a u l td e t e c t i o nd e v i c ei sb a s e do n 1 6b i t sm c uo fm o t o r o l an ed c t e c i i o nm c t h o d 柚do p e r a t i o nt h e o r yi s i n t r o d u c e di nt h c s i s ，i ta l s oi n t r o d l l c c st h es o f t w a r ea n dh a r d w a nd e s i 星皿a n d w h o l es t n l d u r ed e s i 龃i nd e t a i l s n es 砌p l e sh a v ea h e a d yp a s s e dt 王l et y p et e s t a n dt h ee m ct e s ta n d 加d u s t r i a l i z a t i o nh a sb e e nr e a l i z e do ns s 3 a 、s s 7 c 、s s 7 e e l e 州cl o c o m o t i v e t h em 蛆诅er e s u l ts h o w si t 啪b ep u ti n t ou s es a f e l va i l d r e 】i a b l e t h et h e s i sp r o p o s 骼s o m ep f o b l e m sw h j c ht l l ed e v i c en e e d si n l p r 0 v e ，i ta l s o p u t sf o r w a r dt l l ef l l n h e rd e v e l o p m e n t a li d e a k e yw o r d s ： p a s s i v e ，g r o u n d i n g f a u l td e t e c t j o n d e v i c e ， e l e c t cl o c o m o 戗v e ，t y p et e s t ，i n d u s t a n z a t i o n 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 高压电器设备的基本结构一般由三部分组成：导电部分，绝缘部分， 金属或金属制成的支撑及外壳部分。在电的、机械的、热的、化学腐蚀的 作用下，三者比较而言，绝缘部分是薄弱环节，最容易被损坏或劣化。高 压电器设备在运行中会发生老化，表现形式是绝缘电气强度逐渐降低，后 果是不能够运行。绝缘电气强度减低受多种因素的影响，是一种随机过程。 为了掌握运行中的高压电器设备的绝缘状态，需要进行绝缘在线监测【2 1 。 美国、前苏联、加拿大、日本等国家早在2 0 世纪的6 0 年代就开始研 究高压电气设备的绝缘在线监测技术。国内于2 0 世纪8 0 年代初相继开展 了这项新技术的基础研究和应用开发。绝缘在线监测技术在电器化铁道中 具有广阔的应用前景，必将为铁道运输事业做出贡献【2 】。 本论文介绍了一种新型的电力机车智能无源接地检测装置，是在原有 的电力机车智能无源接地检测装置的检测方法的基础上进行了扩展和深化 而产生的。该装置分别安装于电力机车主电路、辅助电路和控制电路，实 时地检测上述电路对地的电气绝缘情况。该装置能够完全取代机车现有的 接地继电器，进一步提高铁路系统电气化水平和网络化水平，降低铁路运 营成本，为铁道部提出的用“状态修”取代“定期修”发展要求做出了一 些贡献。 1 1 选题背景 中国铁路迄今已有1 0 0 多年的历史：从其第一条营业铁路上海吴 淞铁路( 又名淞沪铁路) 1 8 7 6 年通车之时算起，是1 3 0 年；从其自办 北京交通大学硕士学位论文 的第一条铁路唐胥铁路1 8 8 1 年通车之时算起，也有1 2 5 年了【”。 在这百余年问，中国铁路事业经历了由小到大、由少到多和由弱变强的渐 进过程，特别2 0 世纪7 0 年代末开始，中国铁路进入改革开放新时期，铁 路事业突飞猛进。 电力机车的供电电路主要由三部分组成：主电路、辅助电路和控制电 路。其中，主电路是核心部分，它决定了机车的主要性能：辅助电路是保 证主电路正常运行的必备环节；控制电路实现了对主、辅电路的控制。因 此，保证机车各供电电路的正常工作，是保证机车可靠运行的前提，这样 就需要各个电路都有安全可靠的保护电路。常见的保护电路有：过电压、 过电流、接地保护等，其中接地保护电路在保障机车安全运行中占有非常 重要的地位。 电力机车电路由于电气设备或导电线的绝缘损坏将会造成接地故障。导 电体直接与车体钢结构接触或绝缘性能不能再恢复，视为“死接地”；导电 体通过空气对地闪络放电或通过绝缘物表面对地闪络放电，视为“活接地”。 如不正常接地故障出现两点以上，将会导致短路故障而烧损设备和导线， 故在一点接地时必须首先采用接地保护装置进行保护【4 】。 1 2 现有接地检测技术 目前主、辅电路采用的接地故障检测装置均为接地继电器，检测方案 为电流检测方案即当发生接地故障时，检测回路通过一定的电流，经过电 阻分压，使接地继电器原边承受的电压大于1 8 v ，接地继电器动作，完成接 地检测和保护动作。 下面主要针对韶山1 型( 下面简称s s l 型) 电力机车主电路的有源接 2 北京交通大学硕士学位论文 4 、软硬件设计和设计中采取的一些抗干扰措施，并给出了整个系统全面的 回顾与总结，指出了现存的问题和改进思路。 电力机车智能无源接地检测装置在研制的过程中，完全按照铁路现场 的设计要求加以完成的，并实现了批量生产、装车。 6 第二章系统的基本介绍 2 1 电力机车各电气回路介绍 电力机车上各种电气设备按其功能、作用和电压等级，可分别组成几 个独立的电路系统，即主电路、辅助电路和控制电路，控制电路又可分为 有触点控制电路与无触点控制电路。三个电路通过电一磁、电一空、电一机械 联系起来陋】，对机车进行控制。 2 1 1 主电路 主电路主要由高电压、大功率电器部件及附属测量、保护部件组成， 完成电能与机械能之间的相互转换，产生牵引力和制动力，按功能及电压 等级可划分为：网侧( 2 5 k v ) 电路、整流调压电路、牵引电路、电阻制动 电路、测量电路和保护电路几部分，下面仅简要介绍与接地检测系统相关 的部分。 i 而l f l 2 u 1 3 r f 2 l ，f 2 2 、 z、 图2 一l 主电路整流调压电路 f 适l i r e2 - 1t h e 托c t 讧i 盯o f m a i nc i 姗i t 7 f 1 3 f 2 3 北京交通大学硕士学位论文 对于s s 7 c 电力机车，为实现转向架独立控制方式、每节车采用两套独 立的整流调压电路，分别向相应的转向架供电。主变压器二次侧有a 卜x 1 、 a 2 一x 2 、a 3 一x 3 、a 4 一x 4 四段牵引绕组，每段空载电压为6 2 0 v ；有a 5 一x 5 、a 6 一x 6 两段励磁绕组，每段空载电压为1 6 9 v 。a 卜x l 、a 3 一x 3 、a 5 一x 5 为一组，向 i 端主整流器u 1 1 、u 1 2 、u 1 3 提供交流电源，经整流并调压后向前半台车 的3 台牵引电动机m 1 m 3 的电枢及他励绕组供电；而后半台车的m 4 m 6 电机供电电路同前半台车完全相同。图2 1 为i 端转向架整流调压的简化 电路，现以前半台车为例，说明整流调压的工作原理。 整流调压的顺序是：首先开放全控桥u 1 1 。通过对晶闸管触发角相位 的调节控制，使整流输出电压从o 升至1 2 u d ( u d 为总整流电压) 。当全控 桥满开放后，接着开放与之串联的半控桥u 1 2 ，通过调节触发角相位，使 u 1 2 与u 1 1 的整流电压相叠加，总的输出电压最高限压1 0 3 0 后，通过电子 控制系统调节u 1 2 桥的输出来补偿网压波动等因素的影响，维持恒压。 他励半控桥u 1 3 向m 1 m 3 电机他励绕组提供他励电流i f 。 主电路现有共4 套有源接地保护装置。其中两套电枢电路接地保护装 置的一端接在整流桥中点( 5 、6 号线) ，另一端接直流电源1 1 0 v 。另两套他 励电路接地保护装置，一端接励磁桥负线( 9 、1 0 号线) ，另一端接点流电源 1 1 0 v ，此四套接地保护装置中，无论电路中任何一点接地，都能保护，无 死区。接地继电器动作后，使主断路器跳闸，并显示故障信号。 机车运行中接地故障无法消除和处理时，在确认只有一点接地故障情 况下，可以通过接地装置的故障转换开关转向故障位运行，即切除了相应 接地继电器，通过高阻值接地电阻形成固定接地点，机车故障运行时因己 无接地保护，要求司机必须加强巡视，以便发现意外情况时 ；g笏净匦 加强巡视，以便发现意外情况时人为采取相应的保护措施。212辅 北京交通大学硕士学位论文 流后，输出稳压范围为6 0 0 6 2 0 v 的直流电压，再经中间电容，送入逆变 器逆变成三相交流电供各辅机使用，如牵引风机电机、制动风机电机、压 缩机、司机室空调等。 为了方便起见，论文中将使用逆变器的辅助电路简称为辅助电路( 逆 变器) ，将使用劈相机的辅助电路简称为辅助电路( 劈相机) 。 2 1 3 控制电路 控制电路是由司机主令控制器对机车进行控制，以实现对机车主电路、 辅助电路各电气设备的控制，完成对机车的牵引、制动的操作和控制。其 中有触点控制电路包含1 1 0 v 电源设备，各种主令电器、继电器、接触器； 无接点控制电路则包括机车的微机、l c u 、信号、通信、故障显示等电子设 备电路。 控制电路是一个1 1 0 v 的直流系统，在机车原有的有源接地检测系统中， 由于控制电路1 1 0 v 负极必须接地，所以控制电路没有接地保护电路。控制 电路正极如果发生了接地故障，只要有一点接地就形成了控制电路短路， 可以通过检测短路过流来保护电路；控制电路负极由于本身就接地，则不 存在接地故障状态。而采用无源接地检测装置则可以把控制电路悬空，解 决控制电路与电网共地问题。 2 2 其它一些检测方案 除机车上现在通用的有源接地检测装置外，其它工业领域中也有接地 检测装置的应用，如在电力系统中。为了保证电力系统的安全性和可靠性， 在发电厂、变电站，通常采用蓄电池储能的直流电源作为保护装置，继电 器跳闸、合闸等的工作电源。直流电源采用对地绝缘运行方式，当发生一 点接地时，并不引起任何危害，但必须及时处理，否则，当发生另一点接 1 0 北京交通大学硕士学位论文 地时，有可能使继电保护误动、拒动。以至损坏设备，造成大面积停电、 系统瓦解的严重后果。电力系统常用的检测方法是低频信号注入法和直流 漏电直测法，而这两种方法用于电力机车均存在着问题。低频信号注入法 用在机车控制电路时情况与电力系统应用相似，但注入的交流低频信号会 影响控制电路上的机车电器的工作，对机车运行存在影响；而由于机车上 直流母线基本都是高电压大电流的情况，采用直流漏电直测法的检测不准 确、可靠性差等问题。而且这两种方法，在机车上需要安装许多的检测点。 所以这两种检测方法都不适用于电力机车。 2 3 系统的基本组成 本论文提出一种新的接地故障检测方案，采用无源电压型检测方式， 无需外部信号注入，通过采集主电路正负母线对地的电压波形来判断是否 存在接地故障。根据这种新的检测方法，研制出一种用于电力机车的智能 主电路正母线 主电路负母线 图2 3 电压采集接口电路 f i g u e2 - 3t h ei i l t c r f a c co fv o l t a g es a m p l e 无源接地检测装置。该装置分别安装于交直型电力机车主电路、辅助电路 和控制电路，实时地检测各个电路的接地故障。 1 l 北京9 4 本望卿土竿母堙文 雾萋羹囊鐾羹婺薹羹雾薹冀懑萎雾 强帚售苍巷呈耍聊确铂西始甜翦蠢雠白面訇剥；渍甬辩轴衣眇蓦譬瓢； 霉狮骐陂。糕薹嘏糕蠼群祟辐搓鬈曳躅组成懈蟒；彩集剑贝| i 卧剐刚秒也j 鹫型到鲤狷畦饕班朝”醉畦趟锻j 薹i 鬟鋈行鬟薹蒌餮霎羹霪囊囊霉 信号蘑全丢，蔬到霄g 毛酬骝目 随国潆惮建i 剖且1 翌丁氍盯妇戥 判断出是否有摆妞故障存在? 并管捶壤戮伟 值进 行分析计算，判断出是否有接地故障存在，并管理操纵着其他单元的工作； 报警单元由报警继电器、报警指示灯和数码管组成，出现接地故障后，报 警指示灯改亮红灯，数码管显示相应的故障类型，报警继电器输出跳开机 车主断路器信号，并给司机仪表台输出信号；数据记录单元包括一片e e p r o m 芯片，具有掉电后数据不丢失的特点，用来存放电压校准系数、报警阀值 和故障数据等重要数据，并通过时钟单元记录下发生接地故障的时刻，作 为进行故障处理时的参考资料；在机车运行回库后，可以通过通信单元把 记录下来的故障记录发送到p c 机，建立故障信息档案，为铁路运营管理和 试验研究提供详细的数据信 主 变 压 器 副 边 图3 2 辅助电路( 逆变器) 的结构框图 f i g l l r e3 - 2n l es t m c t u r eo fa l l x i l i a r yc i r c u i t ( i n v e n e r ) 不管单相交流侧接地还是三相交流侧接地两个检测电阻上的电压脉动 率都会变大，利用检测到的脉动率的变化来判断是否发生了交流侧接地故 障。 根据铁道部关于电力机车辅助电路的技术条件，直流中间回路的电压脉 动率必须小于5 。即正常工况下，检测到的电压v l 和v 2 的脉动率均小于 5 。而当辅助电路( 逆变器) 交流侧发生按地故障时，可以设定一个关于 脉动率的报警阀值，一旦检测到脉动率超过3 0 ，判定辅助电路( 逆变器) 交流侧发生了接地故障。 3 2 2 辅助电路( 劈相机) 接地检测分析 劈相机如果有一相的输出端发生了接地故障，如u 相的输出点接地， 则u 相检测电阻短路，检测到u 相检测电阻上的电压幅值会变得很小，而 其他两相电压增大。同理，当v 相或w 相的输出端分别发生接地故障时， 电压v 相或w 相的检测电阻上的电压幅值也会相应的变小，则可以通过判 断电压的幅值变化来判断某一相是否存在接地故障。 在劈相机开始工作后，无论u 、v 、w 三相是否有接地故障，l 研，i 始终 保持不变。则接地检测装置可以按1 w i 定义接地报警的阀值，定义当 i v l lci u v i 1 0 时，u 相输出端发生接地故障；同样，当l v 2 iti u v l 1 0 时，v 北京交通大学硕士学位论文 相输出端发生接地故障；当k i tl u v | 1 0 时，w 相输出端发生接地故障。 3 3 主电路接地故障判断方法 s s 7 e 型电力机车采用的是复励结构，主电路由电枢回路和励磁回路组 成，分别采用不同的主变压器副边绕组供电，所以需要采用两套不同的主 电路接地检测装置分别对两个回路进行接地故障检测，但两个回路在结构 上基本相似，在接地检测中可以采用相同的算法，只是由于两个回路工作 时额定电压有所不同，在报警阀值上和检测电阻的阻值上有所区别。 用于主电路电枢回路的接地检测装置安装于整流桥之后，正负母线之 间，平波电抗器之前，实时检测正负母线对地电压，通过判断电压值的变 化判断是否存在接地故障。 由于主电路( 电枢回路) 有平波电抗器而没有支撑电容，其电流不会 突变，而平波电抗器之前的电压有着很大的脉动。所以不能简单的在主电 路直接应用辅助电路( 逆变器) 的接地故障判断算法。 对于交流侧接地故障检测，当主电路正常工作无接地故障情况下，检 测电压的5 0 h z 分量幅值几乎为零，满开放时交流侧接地后，由于主电路中 主变压器副边绕组与检测电阻之间存在半波整流的通路，使得检测电阻上 的电压5 0 h z 分量幅值会大大增加，这样可以设定一个报警阀值，当f f t 运 算得到的检测电压的5 0 h z 分量幅值大于报警阀值时，判断为主电路电枢回 路交流侧发生接地故障。 而对于直流侧接地故障检测，与控制电路正负母线接地故障的检测方法 相同，都是通过判断正母线对地电压或负母线对地电压是否小于正负母线 之间电压的1 0 来判断正负母线是否有接地故障。 第四章装置性能的完善 在第三章中，介绍了原智能无源接地检测装置对电力机车控制回路、 辅助回路、主回路接地故障的判断方法，虽然此装置可以取代电力机车上 广泛使用的接地继电器实现接地故障检测，但是仍然存在许多问题，如报 警死区过大问题，电压检测精度问题和机车电路中的能辨别的接地故障点 太少等问题，这些问题如不解决将直接影响到此装置的应用前景。下面就 对原接地检测装置所存在的问题逐一进行分析、解决。 4 1 各回路接地故障分析 对于电力机车的控制电路，接地检测方法与原按地检测装置相同，所以 下面仅对辅助电路和主电路进行接地故障分析。 4 1 1 辅助电路接地故障分析 4 1 1 1 辅助电路( 劈相机) 一、建模仿真分析 1 、电路无接地点情况分析 根据辅助电路( 劈相机) 的工作方式，可以建立简单的仿真模型，如 图4 1 所示。仿真模型中，用交流电压源v 1 、v 2 和v 3 模拟了劈相机产生 的三相交流电压，额定电压为2 2 0 v ，频率为5 0 h z ，相位依次相差1 2 0 度。 电阻r 1 、r 2 、r 3 为接地检测装置的检测电阻，分别用来检测u 、v 、w 三 相的对地电压v 1 、v 2 、v 3 。 劈相机正常工作后，辅助电路的三相相电压均为2 2 0 v ，频率为5 0 h z ， 相位分别相差1 2 0 度，仿真后得到的v 1 、v 2 、v 3 的波形如图4 2 所示。 1 7 北京交通大学硕士学位论文 图4 1 辅助电路( 劈相机) 模型 f i g i l r e4 - 1t h em o d e lo f x i l i a r yc i r “n ( p h e s p l m e r ) 当仿真电路中无接地点时，把检测电阻r 1 的阻值从1 0 0 k 减小为5 0 k 图4 2 辅助电路( 劈相机) 正常工作时v ，、v z 和v ，的仿真波形 f j g u 4 _ 2 l h es i m l i l a i i w a v e f o m0 f v l 、v 2 a n d v 3 0 f a u x m a r y c i r c u n ( p h 晒e - s p l i 牡e r ) i l ln o m a lc o n d i o n 时，利用m 加a b 软件中自带的d i s c r e t er m sv a l 模块可以得至0 检测电 1 8 北京交通大学硕士学位论文 阻r 1 阻值从1 0 0 k 变为5 0 k 变化前后电压有效值的变化，v 1 、v 2 、v 3 有 效值的变化如表4 1 所示。从表中可以看出，当仿真电路无接地点时， r 1 阻值变化对三相检测电阻上的电压影响很大，v 1 的变化幅度达到了5 5 v 。 表4 1 辅助电路( 劈相机) 正常工作时电压变化 t a b l e4 - 1t h ev 0 1 t a g ec h n g eo fa u 【i l i a r yd r c l l “o h a s e - s p u 恤r ) i nn o r m a ic o n d i t i o n v 1 ( v )v 2 ( v )v 3 ( v ) r 1 = 1 0 0 k2 1 9 92 1 9 92 1 9 9 r 1 = 5 0 k1 6 4 92 5 1 92 5 1 9 2 、劈相机某一相输出端接地情况分析 图4 3 辅助电路( 劈相机) u 相接地时v 。、v t 和v ，的仿真波形 f i g l 】4 - 3 t h es i m i l l a t i o n w a v e f o n n o f v l 、v 2a n d v 3o f a i i ) ( i l i a f y c i r c l l i i ( p h e s p h t t e r ) i nup h 舔eg u n d i n g 如果其中有一相的输出端发生了接地故障，如u 相的输出点a 接地， 1 9 ! e 塞奎望盔堂塑堂焦堡塞 接地电阻为1 k 时，三相波形如图舢3 所示。从图中可以看到，当a 点接地 时，r l 接近短路，检测到的电压v 1 幅值大大减小，幅值从3 1 1 v 变为2 0 v 左右，而v 1 、v 2 电压波形峰值却达到了5 0 0 v 。同理，当v 相或w 相分别 发生接地故障时，电压v 2 或v 3 的幅值也会相应的变小。从仿真结果就可 以得出某相输出接地的判断条件，即通过判断三相检测电阻其中的某一相 的电压有效值是否远远小于某一个固定的值，来判断这一相输出端是否存 在接地故障。 3 、劈相机星点接地情况分析 图4 4 辅助电路( 劈相机) 星点接地时仿真电路图 f j g i l 4 _ 4l h cs i m u h t i o nd r c u i to f 姐x i l i a r yc i i c u i to h a 唧t 唧 妯s t a r 】呻i n t 伊o d i n g 当劈相机三相的星点发生接地，接地电阻r 4 = 1 k 时，仿真电路图如图 4 4 所示，三相电压波形如图4 5 所示，检测电阻r 1 阻值从1 0 0 k 变化到 5 0 k ，三相电压有效值的变化如表4 2 所示。 从三相电压波形图4 5 中可以看出，当劈相机星点接地时，与劈相机 北京交通大学硕士学位论文 图4 5 辅助电路( 劈相机) 星点接地时v t 、v 。和v ，的仿真波形 f i g 盯e 4 - 5 t h es i m u l a t i o n w a v e f o 咖o f v l 、v 2a l l dv 3 0 f a u x i l i a r yc i r c u i t o h a s e - s p u t t e r ) i ns t 缸p o i n t 伊o u n d i n g 表4 2 辅助电路( 劈相机) 星点接地时电压变化 t 曲k4 - 2t h ev o l t a g cc h 皿g eo fa u x i l i a i ) rc 咖i to h a s p u t t e r ) i ns t 盯p o i n t 毋伽d i g v 1 ( v ) v 2 ( v )v 3 r 1 = 1 0 0 k2 1 9 92 1 9 92 1 9 9 r 1 = 5 0 k 2 1 7 82 2 12 2 1 无接地点的情况下三相的幅值大小是完全一样的。通过表4 一l 和表4 2 的对 比中可以看出，当电路中没有接地点时，r l 变化是对v 1 、v 2 、v 3 有效值 影响很大，而当星点接地时，r l 变化是对v 1 、v 2 、v 3 有效值几乎没有影 响，变化前后三相的有效值几乎相同。这是因为当星点接地后，劈相机的 三相绕组分别与三个检测电阻并联，检测电阻上的电压就是劈相机三相绕 组的电压。利用星点接地后的这一特性，可以与其他的接地情况分辨开来。 4 、劈相机某一相中点接地情况分析 当某一相的中点发生接地时，如u 相中点利用1 k 电阻接地时，仿真 电路图如图4 6 所示，图中将u 相的2 2 0 v 交流电源分成两部分，两部分的 电压有效值都为1 1 0 v ，两部分的相位相同。此仿真电路得到的三相电压波 形如图4 7 所示。从图中可以看出，接地的u 相电压的幅值明显比接地前 图4 6 辅助电路( 劈相机) u 相中点接地时仿真电路图 飚m 4 6 恤s i m u l a t i c 跏to fa u x n i a r yd m u i t 蛐a s e _ s p l i t t e r ) i n t h en l i d d l e o f up h m g f o u n d 堍 降低了一半，降低的幅度并不像当u 相输出点a 接地时如此的大，而v 、 w 相电压的幅值比接地前有明显增加。这是因为当u 相的中点接地时，使 得u 的中点到输出部分与r 1 相并联，幅值自然减少了一半，而其他两相的 检测电阻，却相当于与线电压相并联，幅值必然有所增加。检测电阻r l 阻 值从1 0 0 k 变化到5 0 k ，三相电压有效值的变化如表4 - 3 所示，与星点接地 情况类似之处是三相检测电阻上的电压不随着检测电阻r l 阻值的变化而变 北京交通大学硕士学位论文 化，而是保持了个相对稳定的值。 图4 7 辅助电路( 劈相机) u 相中点接地时v ，、v ：和v ，的仿真波形 f i g m 4 7 t h es i m u l a t j o nw a v e f o mo fv 1 、d o f a 砌j a r y c i r c u i t ( p h a s e - s p u t f e r ) i nt h el i i i d d l eo fup h a s eg f o u n d i n g 表4 3 辅助电路( 劈相机) u 相中点接地时电压变化 1 砧k4 3t h ev o l l a g ec h 卸学o fa l l 】【越a 珂d r c i l i t h a - s p m c c r ) i n t h e l n i d d l eo f u p h a g 珊d i n g v 1 )v 2 v 3 r 1 = 1 0 0 k1 1 3 22 8 8 52 8 8 5 r 1 = 5 0 k1 1 2 12 8 9 32 8 9 3 二、接地故障判断算法 根据上述仿真结果，可以得出辅助电路( 劈相机) 接地故障的判断算 法。用于辅助电路( 劈相机) 的接地检测装置的电压采样接口电路与机车 北京交通大学硕士学位论文 其它电路的接地检测装置的不一样，其接口电路需要有三路电压采样电路， 分别对从劈相机出来的三相对地电压v l 、v 2 和v 3 采样。由于需采样的电压 是5 0 h z 的交流信号，电压总的采样时间定为电压周期的3 倍，为6 0 m s ，采 样时每对v l 、v 2 和v 3 采样6 0 次( 6 0 n l s 内) 后，算出v 1 、v 2 和v 3 的绝对值 的平均值l v l i 、i v 2 l 、l v 3 | 以及线电压的绝对值的平均值1 研小i 己w i 、i l 。 一 l u v | - z f ( v - 叱6 0 6 0 俐。善胁v 3 ) | 6 0 ( 4 - 1 ) 删。荟陪伽6 0 由于u 相和v 相之间的线电压v o 是来自主变压器副边绕组，参见图2 2 ， 所以在劈相机开始工作后，无论u 、v 、w 三相是否有接地故障，l 【l 始终 保持不变。则接地检测装置可以按l 研，i 定义接地报警的阀值，根据仿真分 析和实际试验情况，定义当公式 陬ici u v l 1 0 ( 4 2 ) 成立时，接地检测装置认为u 相的输出端发生了接地故障。当公式 | v 2 i ci u v | 1 0 ( 4 3 ) 成立时，接地检测装置认为v 相的输出端发生了接地故障；当公式 l v 3 1c1 u v l 1 0 ( 4 4 ) 成立时，接地检测装置认为w 相的输出端发生了接地故障。 由表格4 1 、表格4 2 和表格4 3 可以看出，当劈相机正常工作无接地 故障时，改变检测电阻r 1 的阻值，三相检测电阻上的电压都会有比较大的 2 4 四、实际情况分析 s s 7 c 和s s 3 a 型电力机车的辅助电路使用的是劈相机，根据上述算法研 制的辅助电路( 劈相机) 接地检测装置进行了大量的装车。在试验过程中， 在劈相机正常运行的工况下，采用人为接地的方式，分别对u 、v 、w 三 相以及劈相机星点进行接地试验，接地报警装置判断出这些接地故障并及 时报警。从装车至今，该电路的接地检测装置没有发生过误报警和漏报警 现象。 4 1 1 2 辅助电路( 逆变器) 一、建模仿真分析 1 、电路无接地点情况分析 建立一个简单的仿真模型来模拟该电路的工作情况并分析其接地检测 方法，如图4 - 8 所示。图中建立的仿真模型包括单相交流侧、整流环节和直 流中间回路，交流电压源a c l 表示辅助电路主变压器副边电压。四象限整 流器正常工作时，开关器件的导通角度很大，为了模型简化，用一个不控 整流桥替代表示整流环节，c 1 为直流中间环节的支撑电容，r 3 和r 4 为正常 情况下，正负母线分别对地的实际电阻，两个电阻阻值基本相等。r 1 和r 2 为电压检测电阻，分别检测正负母线的对地电压。在模型中可能发生接地 故障的地点为单相交流侧、直流中间回路正母线以及电容中间点，需要分 别判 x 北京交通大学硕士学位论文 图4 8 辅助电路( 逆变器) 等效电路模型 f i g u r c4 8 也ei n o d e lo fa u x n i a r yc l r c u n ( i n v c n e r ) 2 、电路直流侧接地情况分析 当辅助电路( 逆变器) 直流侧正负母线接地时，判断方法与原智能无源接 地检测装置的相同，即通 x 北京交通大学硕士学位论文 否接地。 3 、电路交流侧接地情况分析 交流侧接地的判断方法与原智能无源接地检测装置的方法相同，可以利 用检测电阻上的脉动率来检测。 二、与原智能无源接地检测系统的比较 与原智能无源接地检测系统的比较，以上分析加入了直流侧支撑电容中 点的接地判断。利用改变检测电阻r l 的阻值，判断阻值变化前后，两检测 电阻上的电压是否为一稳定值，来判断出电容中点是否接地。直流正负母 线、交流侧接地判断方法与原智能无源接地检测系统相同。 采用了上面所分析的方法，就避免了电容中点死区的存在，使接地检 测装置功能更加完善。 4 1 2 主电路接地故障分析 s s 3 a 型电力机车采用的是串励结构，没有单独的励磁回路，所以只安 装电枢回路的接地检测装置。这两种电力机车的电路与s s 7 c 电力机车存在 很大差别，所以检测的方法与s s 7 c 型电力机车也有所不同，需要另外加以 分析。 一、主电路建模仿真 对于s s 7 c 型电力机车，使用的是复励电机，主电路电枢回路的整流调 压电路采用两段相控桥( 一段全控桥、一段不对称半控桥) 串联，由司机 手柄信号决定晶闸管导通角大小，起到调节牵引电压的目的；而主电路励 磁回路的整流调压电路由一个半控整流桥组成，工作方式与电枢回路基本 相似。所建立的主电路电枢回路的整流调压电路模型如图4 9 所示。a c l 北京交通大学硕士学位论文 和a c 2 是两个主变压器副边绕组，电压有效值分别为6 2 0 v ，t l 、t 2 、t 3 、 t 4 组成全控桥，t 5 、t 6 、d l 、d 2 组成半控桥，r l 、r 2 为装置的两个检测电 阻，l 为平波电抗器，电感量为5 5 6 m h ，m l 为等效直流电机，由电阻和电 感组成。 对于s s 3 a 型电力机车，使用串励电机，没有单独的励磁回路。主电路 的整流调压电路采用调压开关8 级级间晶闸管相控平滑调压，牵引工况时 可以等效为s s 7 c 的电路模型，制动时与s s 7 c 电路不同，所建立的制动工 况下主电路的整流调压电路模型如图禾1 0 所示。对于s s 7 c 型电力机车的 励磁回路的整流调压电路模型也可等效为图4 1 0 ，只是将交流输入电压改 为1 6 9 v ，6 个励磁绕组变为3 个即可。a c l 等效为主变压器副边绕组经过 调压开关后的交流电压，电压最大有效值为2 2 2 2 v ，t 1 、t 2 、d l 、d 2 组成 半控桥，r l 、r 2 为装置的两个检测电阻， m l 、m 2 、m 3 、m 4 、m 5 、m 6 为 等效的6 个直流电机的励磁绕组，由电阻和电感组成。 1 、主电路无接地点时的情况分析 对于如图4 9 所示的电路模型，当电路中没有接地点时，平波电抗器之 前正负母线之间的电压是全波整流出来的1 0 0 h z 的馒头波，加在检测电阻 r 1 和r ，上的电压v l 和v 2 也都是基波1 0 0 h z 。主电路正常工作且无接地故 障时，检测电阻r 1 和r 2 上的电压v l 和v 2 波形如图4 1 1 所示。从图中可 以看出，电压波形中的5 0 h z 分量为零，改变检测电阻r 1 的阻值，根据基 本的电阻分压原理，当r 1 = r 2 = 2 0 0 k 时，检测电阻r l 与r 2 的电压的平均 值相等，当r l = 1 0 0 k 时，检测电阻r l 电压平均值是r 2 的二分之一。 3 l 北京交通大学硕士学位论文 图4 一儿主电路正常工作时v ，和v t 的仿真波形 f i g i l r e4 1 1 他s i l n l l i a 曲nw a v e f o 姗o f v la n dv 2 o f m a i nc i 删i ti nn o n n a lc o n d i t i o n 2 、交流侧接地情况分析 当主电路交流侧发生接地故障时，如图4 9 模型中x 点发生接地，判断 方法与原智能无源接地检测装置相同，都是利用接地后5 0 k 分量的增加特 性设置一个判断阀值，当5 0 h z 分量超过这个阀值的时候，系统认为交流侧 有接地故障发生。 但是当主电路直流正负母线之间电压比较小时，即可控硅的触发角比较 大的时候，x 点发生接地故障，由于电压比较小，5 0 h z 分量自然比较小， 达不到交流报警的阀值，系统不会报警，即原智能无源接地检测系统对于 主电路交流侧的接地故障是具有死区的，或者说只有电压足够高之后才能 实现报警。 当图4 1 0 所示的模型a c l 给定1 6 9 v 时，当r 1 = r 2 = 2 0 0 k 时，当整个 韭室銮望丕鲎堡主堂笪堡塞 电路中没有接地点时，i 一巧一昙巧，是r 1 上电压的平均值，瓦是r 2 上电压的平均值，w 是正负母线间电压的平均值。当蜀一喜r ：一1 0 0 k 时， 巧一丢丐一挣 当交流侧x 点有接地点时，利用m 觚l 姬软件的d i s c r c t cm e a i lv n u e 模块可以得到检测电阻r 1 阻值变化前后的电压如表4 ，4 所示。从表格中可 以清楚地看到当主电路交流侧有接地点时，两检测电阻上的电压值的平均 值不随r l 阻值的变化而变化，而是保持一个比较稳定的值。 表格4 4 交流x 点接地时v 1 、v 2 平均值 t a b l e 4 4 t h ea v e