動車組輔助電源系統接地檢測研究

鮑家凱

摘要：隨著人民生活水平的不斷提高，對各類交通工具的速度、安全需求也越來越大。本文主要對動車組輔助電源系統接地檢測進行研究，推導出零序電壓隨三相負載變化的公式，得到零序電壓與三相負載不平衡狀況有關，本研究為動車組三相三線制輔助電源系統的接地檢測工作提供了理論支持和解決方法，對動車組的平穩安全運行具有重要意義。

關鍵詞：動車組；輔助電源系統；接地檢測

1動車組輔助系統工作原理分析和研究

1.1輔助電源技術

1.1.1輔助供電系統

本文按照CRH系列動車組常見的兩個單元、八輛編組的形式，編組形式與CRH3相似，供電系統與CRH2動車組相似。引用的技術標準與規范主要包括：IEC77-68電力牽引設備規則；GB-3317-82電力機車通用技術；IEC146-2半導體自動轉向變流器；UIC550客車供電裝置；IEC571-2機車電子設備；

1.1.2電力結構設計

為保障動車組動力均勻分布、動車組配重均勻，實現電路結構的簡化，需要綜合考慮各項因素。應用某動車組編組形式，擬定設計的動車組為八輛車、兩個單元組成，每個單元均設置有兩個動車與兩個拖車，某一單元設置為M-T-M-T，另一個單元則設置為T-M-T-M。

動車組上每個單元均設置1臺主變壓器輔助繞組，將其作為本單元的輔助供電系統。為保障動車組機械設備的穩定運行，在每個單元內設置有2套逆變器、110V供電電源、2套輔助整流器。輔助整流器、逆變器選擇一動一拖的供電形式，在其中一套整流器與逆變器故障時，另一套依舊可承擔電力供應。

2構建接地故障分析模型

IT系統接地故障分析模型如圖1所示。圖1中，R1～R4為零序電壓測量電阻；RA、RB、RC為各相線對地等效電阻；CA、CB、CC為各相線對地等效電容；ZA、ZB、ZC為各相線對地等效阻抗；UN為電阻R4的對地電壓。

為了更簡單地描述動車組上的分布參數，同時簡化問題，本文假設圖1中的三相電源電壓幅值相等，且供電線路與車體之間的絕緣程度用等效阻抗Z表示，而相線間存在的阻抗因與所討論的問題沒有影響則予以略去。

2.1零序電壓測量電路分析

三相電壓用相量表示，設A相、B相和C相電壓分別為 ，則對于零序電壓測量電路，根據基爾霍夫電流定律（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相的三相電壓矢量和為46）UN，又已知零序電壓為三相電壓矢量和的1/3，則零序電壓為（4/3）6）UN，即零序電壓為測量電路所測電壓6）UN的4/3倍。為分析方便，以下均將6）UN稱為零序電壓。

若負載平衡，則零序電壓主要由三相線路中單相或兩相接地產生，大小取決于接地程度。

2.2零序電壓計算

若有一相電路（如A相）發生金屬性接地，則ZA=0，此時，A相接地等效電路如圖2所示。圖2中，R1、R4為并聯電阻，將兩者合并后得到A相接地的最簡等效電路，A相接地最簡等效電路如圖3所示。

下面探討三相對地阻抗更一般的情況，求出具有普適性的零序電壓公式。三相電壓用向量法表示，在三相線電壓保持不變的情況下，設A相電壓為6）UA，則B相電壓為 ，C相電壓 ，當ZA、ZB、ZC均不為零時，根據KCL建立的方程組為

由式（6）可知，當三相對地阻抗對稱（即三相對地阻抗相等）時， ，無零序電壓產生；當三相對地阻抗不對稱時， ，有零序電壓產生。當A相發生金屬性接地情況時，ZA=0，代入式（1）～式（5）中，可求得 ，這與前面計算的結果相符合。

3Matlab仿真

根據圖1，建立IT系統接地故障分析模型，利用Matlab軟件建立仿真模型。Matlab仿真模型如圖4所示。

為驗證式（5）的正確性，分別將同一組ZA、ZB、ZC數據輸入仿真模型和式（5）中，比對兩者輸出的零序電壓值是否相等。由于實測動車組相線對地電容約為2.4μF，相線對地電阻約為400kΩ，為接近動車組實際情況，將A、B、C三相的對地電容均設為定值2.4μF，將A相和B相的對地電阻均設為定值510kΩ，C相對地電阻均勻的取0Ω～510kΩ之間的5101個值，分別將這5101組ZA、ZB、ZC數據輸入仿真模型和式（5）中，仿真模型和式（5）的零序電壓輸出曲線如圖5所示（其中，圖5b為從圖5a中截取的部分數據）。

圖中，藍線為式（5）的零序電壓輸出曲線，紅線為仿真模型的零序電壓輸出曲線。由圖5可以看出，兩者零序電壓輸出曲線基本重合，驗證了式（5）的正確性。且在RC∈0[，510kΩ]區間，兩者輸出的零序電壓及輸出零序電壓的變化速率隨RC的增大而不斷減小，當RC=0Ω時，兩者輸出的零序電壓值最大為165V，當RC=510kΩ時，兩者輸出的零序電壓值最小為0V。

結論

本文主要對動車組輔助電源系統接地檢測進行研究，構建了IT系統接地故障分析模型，推導了零序電壓隨三相對地絕緣阻抗變化的公式，設計了檢測系統零序電壓的電路，并利用Matlab仿真軟件對實驗模型進行仿真實驗。

參考文獻

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[2]梁建英.CRH_2型動車組主回路系統性能優化研究[D].北京：北京交通大學，2016，26（10）：60-62.

（作者單位：北京鐵路集團天津動車客車段天津動車所）