内燃机车变流器接地保护策略研究

吴志友，张广远，姜 涛，曲 强

(中车大连电力牵引研发中心有限公司，辽宁 大连 116052)

0 引 言

机车电气设备的正常工作是保证机车可靠运行的前提，而设备或电缆的老化、振动摩擦等均可能引起绝缘破损，造成设备输出或者主电路接地，严重危害行车安全。因此快速判断并提供接地保护措施在内燃机车安全运行过程中尤为重要。

国内的学者对变流器接地检测进行了一些研究，文献[1]分析了不同类型接地故障发生时，接地检测波形的不同特点，但是只考虑了0欧姆直接接地的理想情况，未考虑工程实际中接地电阻可能不为零的情况；文献[2]介绍的辅逆变系统接地检测，可以定性的分析不同接地点对接地检测电压的影响，但是不能对接地电阻进行定量的估计，同时也未考虑共模干扰对接地检测系统的影响；文献[3]采用的接地检测系统，采用均值滤波来消除共模干扰的影响，但是仍然只是定性分析，没有定量计算接地电阻阻值；文献[4]介绍的HXN5型机车接地检测可以确定接地故障的类型(交流或直流)，但是无法准确判断交流侧接地点的相位；文献[5]介绍的接地检测系统，需要分别设计中间直流环节、主发电机绕组和绕组缺相接地检测电路，因而硬件设计较为复杂且成本较高。

针对目前大多数接地检测系统硬件设计复杂成本较高、无法实时估算对地阻抗、无法判断交流侧接地点相位以及不能排除共模干扰等问题，本文提出了基于FFT算法和简化硬件电路设计来实现内燃机车接地检测，不仅节省大量设备器件、降低成本、减小设备故障率所造成的影响，同时利用软件滤波消除共模干扰的影响，并能正确区分设备输出缺相相位，可以实时推算对地阻抗值，为机车行车安全提供了可靠保障。

1 典型接地保护电路设计

1.1 接地检测硬件设计

内燃机车主电路接地故障大致可分为3种类型：(1)主电路直流母线接地，其中包括直流正端接地和负端接地；(2)牵引电机接地；(3)辅助系统接地。本文针对内燃机车以上三种常见的设备接地故障，即设备接地标示的①、②、③、④四个接地点进行软硬件搭配设计，提出了一种简化的设计用于接地检测，如图1所示。

本文对内燃机车接地主电路进行简化，通过测量接地电压来进行各设备的主电路接地判断。具体是在主电路的正负两极间串联3个相同阻值的分压电阻，同时在电阻的非负极端与大地相连，同时安装电压传感器来建立正、负与地之间的电压关系的测量设备。

图1 接地点分布主电气原理图

通过对主电路分析可知，在正常情况下的接地检测电压Uout为

(1)

式中，Uout为接地检测电压；UDC为直流母线电压；R1=R2=R3=R为接地检测电阻。在正常情况下，Uout只包含直流分量，且为母线电压的三分之一。

1.2 共模干扰的消除

接地波形包含着重要的故障信息，因此，信号故障信息提取的有效性直接影响接地故障识别的可靠性。

根据上一节的分析，变流器正常工作时，接地检测电压为直流母线电压的三分之一，当母线电压平稳时，接地检测电压也应只包含直流分量。而在工程实际中，即使直流母线电压十分稳定，正母线对地之间的电压仍存在高频分量，其时域波形和频域特性如图2所示。辅助系统接地故障发生时，接地检测波形时频域如图3所示。

图2 包含共模干扰直流电压及其谐波

图3 辅助接地波形及其谐波

接地检测波形的高频分量主要是由于共模噪声的干扰，共模干扰主要是由于分布电容和杂散电感造成的。IGBT开关动作时的du/dt和di/dt很大，分别作用于寄生电容和杂散电感时会产生高频噪声[6]，分布电容和杂散电感如图4所示。

对于变流器主电路考虑的主要分布电容和杂散电感包括[7]：中间直流正、负母线对参考地的等效寄生电容Cn(C1、C2)；直流母线上分布参数等效为电感Lb(Lb1、Lb2、Lb3和Lb4)；整流器、逆变器各桥臂上、下开关器件模块的集电极、发射极对地分布电容电容Crp和Cip；电缆对地分布电容。

图4 变流器杂散电感和分布电容

为了有效提取接地信号有用信息，消除共模干扰的影响，防止接地检测误动作，本文对接地电压首先进行滤波处理，滤波方法采用一阶IIR数字滤波器，其设计依据巴特沃兹(Butterworth)滤波器。巴特沃斯滤波器的通频带内的频率响应曲线平坦，而在阻频带则逐渐下降为零。该滤波器设计目的是消除因为整流和IGBT等开关器件造成的共模干扰信号，提高信号目标处理的有效性，防止接地保护误动作。

采用一阶IIR滤波前后如图5、图6所示，其频域的高频噪声含量明显减小。正常波形滤波后，交流分量含量减少，消除共模干扰的同时，直流分量幅值保留；辅助接地波形经过滤波后更接近正弦波，高频噪声明显减少。

图5 未发生接地时接地电压波形分析

图6 接地发生时电压波形分析

1.3 不同接地点对地阻抗估算及保护方法

当接地故障发生时，Uout的交、直流分量会发生明显变化，下面对3种类型接地故障发生分别进行分析。

(1)主电路直流母线正端接地

主电路直流母线接地包括直流正端接地和负端接地两种情况，当母线正端通过接地电阻Rg接地(即标示①接地)时，相当于接地电阻Rg先与R1和R2并联后，再与R3串联，其直流侧的等效电路如图7所示。

图7 直流母线正端接地等效电路

根据基尔霍夫电流和电压定律，求得接地检测电压与接地电阻Rg的函数关系为

(2)

由式(2)可以得到对地阻抗Rg的估算公式为

(3)

(2)主电路直流母线负端接地

当直流母线负端通过接地电阻Rg接地(即标示②接地)时，相当于接地电阻Rg直接与Rg并联，因此其直流侧的等效电路如图8所示。

图8 直流母线负端接地等效电路

根据基尔霍夫电流和电压定律，求得接地检测电压与接地电阻Rg的函数关系为

(4)

由式(4)可以得到对地阻抗Rg的估算公式为：

(5)

(3)牵引或辅助系统接地

当机车逆变器交流侧输出发生单相接地(即标示③接地)时，相当于逆变器三相桥臂的中间点通过接地电阻Rg与接地检测电阻R2和R3连接部位连接在一起，因此接地检测电压Uout注入了逆变器交流侧的交流分量。对于牵引逆变器输出侧接地，接地检测电压Uout会包含脉冲电压，脉冲频率与牵引逆变器瞬时的开关频率一致。实际测量电机侧接地时接地检测电压Uout试验波形如图9所示，与理论分析一致。

图9 牵引电机接地前后波形

当辅助系统接地(即标示④接地)时，逆变器桥臂的中间点通过接地电阻Rg与接地检测电阻R2和R3连接部位连接在一起。而与牵引电机接地不同的是，由于辅助电抗器、电容器构成的LC低通滤波电路的作用，接地检测电压Uout包含的交流分量不再是脉冲形式，而是正弦形式，辅助系统接地前后接地检测电压Uout试验波形如图10所示。

图10 辅助系统接地前后波形

以辅助系统为例进一步研究主电路拓扑。当辅助逆变器交流侧单相接地，相当于逆变器桥臂的中间点经接地电阻Rg，与接地检测电阻R2和R3连接部位通过大地相连，如图11所示。

图11 辅助逆变器交流侧接地

交流侧接地后，向接地点注入交流分量。为了得到交流分量与接地电阻的函数关系，本文得到单相等效模型如图12所示。

图12 辅助逆变器交流侧接地单相等效模型

图中L、C和Uphs分别为单相等效电感、电容和相电压。对单相等效电路进行拉普拉斯变换，可以求得检测电压Uout交流分量与单相等效电源Uphs的传递函数为

(6)

式中，Uout为接地检测电压交流基波分量，Rg为接地电阻，R1=R2=R3=R为接地检测电阻。由式(6)可知，当选取的检测电阻R1、R2和R3阻值R足够大时，式(6)可以近似等效成

(7)

式(7)相当于电阻分压公式。根据式(7)，当交流输出未接地时，接地电阻Rg为无穷大，此时接地检测电压Uout交流分量为0；当交流输出0电阻接地时，此时接地检测电压Uout交流分量等于交流侧输出电压，与理论分析的结果一致。由式(7)可得对地阻抗估算公式

(8)

对于牵引系统，不包含电抗器和电容器，分析过程与辅助系统一致，此处不再赘述。

1.4 接地判断软件设计

为了有效提取接地检测电压交直流分量的幅值，本文采取快速傅里叶变换(FFT)算法对接地电压波形进行分析。与DFT相比，FFT采用蝶形运算，大大减少了运算量。本文采用128点蝶形运算，其频率分辨率已经满足工程实际的需求，运算量也相对较小，算法成熟简单，便于硬件实现。具体步骤如下：

步骤1：巴特沃斯一阶低通IIR滤波，消除共模干扰信号的影响；

步骤2：对滤波后的信号做FFT，分别得到直流分量与交流分量；

步骤3：由步骤2提取的交、直流分量，可以进一步确定接地点的位置。

当接地电压交流分量较小，且直流分量电压大于90%母线电压，判断为点①接地；

当接地电压交流分量较小，且直流分量电压小于10%母线电压，判断为点②接地；

当接地电压的直流分量在1/3到1/2母线电压之间，交流分量大小在辅助交流输出电压范围内，频率相同，且接地电压滤波前为正弦形式，判断为点③接地；

当接地电压的直流分量在1/3到1/2母线电压之间，交流分量大小在牵引交流输出电压范围内，频率相同，且接地电压滤波前为脉冲形式，判断为点④接地；

步骤4：根据式(3)、式(5)、式(8)，估算对地阻抗值；

步骤5：对地阻抗估算值与保护值比较，从而判断接地故障是否发生。当估算值小于保护值时，上报接地故障；当估算值大于保护值，不符合上报条件，则进行返回定时器重新进入下一次判断。对于③、④点接地的情况，U、V、W三相具体哪一相接地则需要同时通过交流基波分量大小、频率和相位进行判断。

2 接地仿真验证

为了验证电阻估算公式的准确性，本文在Simulink环境下搭建逆变器接地仿真模型。搭建仿真模型如图13所示。

图13 逆变器接地仿真模块

电容C1…C14是对地寄生电容，开关器件与大地通过寄生电容构成了共模干扰回路。仿真系统主电路的基本参数如表1所示。

表1 仿真系统主电路参数

2.1 直流母线接地仿真结果

当逆变器正常工作时，接地检测电压的波形如图14(a)所示。直流分量中包含丰富的共模干扰的噪声，接地波形波动较大，峰值超过500 V，与实际结果一致。以1 kΩ电阻接地为例，当直流母线正端经1 kΩ电阻接地，其波形如图14(b)所示，直流分量同样包含大量谐波，但直流分量的幅值有明显变化。

图14 接地检测电压仿真波形

采用FFT算法对接地波形进行分析，其谐波含量如图15所示，得到直流分量的幅值为805.9 V。根据式(3)估算对地阻抗为

该仿真采用的1 kΩ电阻接地接近，验证了算法的准确性。

图15 直流侧正端接地仿真波形谐波含量

为了进一步研究直流分量幅值与对地阻抗的关系，分别改变接地电阻的阻值进行直流母线正负接地的仿真研究。通过FFT分析接地波形，提取直流分量的幅值，并根据式(3)和式(5)来估算对地阻抗，可得到一系列的仿真结果如表2和表3所示。由仿真结果估算的对地阻抗值与仿真参数基本一致，也进一步验证了对地阻抗估计的准确性。

表2 直流母线正端接地仿真结果

表3 直流母线负端接地仿真结果

2.2 交流输出单相接地仿真结果

以辅助系统为例，交流输出单相接地发生前后的仿真波形如图16所示。图中可知，在50 ms时刻发生接地故障，此时接地检测电阻R2和R3连接部位经过接地电阻Rg与逆变器桥臂相连，因此检测接地电压交流分量含量增高，仿真结果与实际波形基本一致。

图16 辅助系统发生接地仿真波形

与直流母线接地的分析过程类似，为进一步研究交流分量基波的有效值与对地阻抗的关系，分别改变接地电阻的阻值进行辅助交流侧单相接地的仿真研究。同样采用FFT分析接地波形，提取交流分量基波的含量，并根据式(8)来估算对地阻抗。对于线电压380 V三相系统，单相等效相电压Uphs的有效值为220 V。仿真结果如表4所示。

表4 辅助系统交流输出接地仿真结果

由表4可知，仿真结果估算的对地阻抗值与仿真参数基本一致，也进一步验证了对地阻抗估计的准确性。因此本文采用的对地阻抗估算方法具有可行性，对于工程应用具有一定的参考价值。

2.3 交流侧接地相位判断

当逆变器交流侧单相接地发生时，本文采用软件锁相方式进一步判断接地点相位。为了验证算法的可行性，本文用Simulink进行单相接地仿真，以逆变器输出相桥臂发生接地为例，其结果如图17所示，上图为辅助接地发生时的检测波形，下图为逆变器输出的三相相电压波形。

图17 辅助接地时检测波形和相电压波形

图17中的波形包含高频噪声，该噪声主要是由于变流器开关器件动作所产生。为了使鉴相器更准确的判断相位差，降低锁相环设计难度，本文采用一阶IIR巴特沃斯数字滤波器对信号进行预处理，滤波后的波形如图18所示。经过滤波后，三相相电压波形更接近正弦波，接地检测波形主要包含少量三次谐波。

图18 滤波后检测波形和相电压波形

本文在Simulink中模拟逆变器Uc相接地的发生。当Uc相接地时，接地检测电压应包含Uc相电压交流分量，因此接地波形交流分量基波的相位与Uc相电压相位相同。比较图18中接地波形与Uc相电压相位，两者相位一致，与理论分析的结果相同。因此在交流侧单相接地时，可提取当前的交流基波分量的相位，通过锁相方式找到当前输出与之相匹配的相位，来区分接地点相位。

3 结 语

本文采用的接地检测电路结构简单，节省了硬件成本。同时设计了数字IIR滤波器来消除共模干扰的影响，防止检测系统误动作，采用成熟的FFT算法实时估算对地阻抗值，便于硬件实现，并能正确区分设备输出缺相相位，对于工程应用有较高的参考价值。