列车供电系统接地绝缘故障实时诊断与预测

秦方方，郑财晖，李学明，李 鹏

（1. 株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412001；2. 中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062）

0 引言

在列车运行过程中，任何微小或潜在的故障和隐患若不能被及时诊断，都有可能引发连锁反应而造成事故，甚至酿成灾难性后果[1-3]。列车供电系统作为客车上各种电器的电源设备，其可靠性对保障乘客乘车的安全性和舒适性尤为重要。目前我国主要客运列车均采用DC 600 V 集中供电、分散变流供电方式，即机车提供DC 600 V 等级的列车供电母线电压，各车厢上的变流器将DC 600 V 电压逆变成三相380 V、单相220 V 交流电源后向车厢用电设备（如空调、供暖、照明等）供电[4-6]。因此，保障DC 600 V 列车供电系统的安全、稳定和可靠，对于列车安全运行和旅客良好乘坐体验具有重要意义。

经过多年的运行考验以及优化改进[7-12]，DC 600 V 供电系统虽日趋成熟，但仍存在一些问题，如由于DC 600 V短路，电流难以被迅速切断。为了监测系统对地绝缘是否存在缺陷，尽早发现短路隐患，同时对人体进行漏电保护以避免触电，接地绝缘检测与保护优化成为其中重要的议题之一[13]。目前机车、客车接地绝缘检测仍采用超限报警方法，且主要针对DC 600 V 干线绝缘故障[14]。文献[15-16]对列车供电系统各种接地绝缘故障进行了深入分析，并通过仿真研究归纳出了接地检测电压变化规律。文献[16]提出一种根据接地检测电压峰—峰值来进行故障诊断的方法，但其仅能检测出交流侧接地，无法进一步区分故障点是交流侧正端接地、交流侧负端接地还是电抗器前端接地，且无法对故障发展程度进行度量。

为了实现对各种接地绝缘故障的准确定位并预测故障的严重程度，本文提出了一种实时故障诊断与预测方法，并通过仿真测试验证其有效性。

1 供电系统接地绝缘检测原理及诊断方案

1.1 接地绝缘故障检测原理

电力机车列车供电系统主电路原理如图1所示[17-19]，单相AC 25 kV 交流电经受电弓、主断路器（VCB）和牵引变压器一次侧绕组流入车体，由牵引变压器降压后通过二次侧绕组向列车供电变流器提供单相交流电源。单相交流电在列车供电变流器的作用下，将单相交流电变换成DC 600 V 直流电，给客车负载供电。

图1 列车供电系统主电路原理图Fig. 1 Schematic diagram of train power supply system main circuit

列车供电系统主要由单相桥式半控整流电路、中间直流滤波电路及接地检测电路组成（图1）。单相桥式半控整流电路将交流电变换成脉动直流电，经平波电抗器L 和支撑电容器C 滤波后，输出600 V 稳定直流电；接地检测电路用来实现列车供电系统绝缘不良故障检测。其中，TV 为同步变压器，TA 为电流互感器，分别用来采集列供绕组输出电压和电流；VH1 和VH2 为电压传感器，依次采集中间直流回路电压和接地检测电压；VD1 和VD2 为二极管，VT3 和VT4 为晶闸管，R1和R2为固定放电电阻且阻值相等，R3为接地检测电阻。标号①～⑤依次对应直流侧正端接地、直流侧负端接地、电抗器前端接地、交流侧正端接地和交流侧负端接地。

为避免列车绝缘性能下降导致的漏电问题及可能产生的火灾隐患，列车供电控制系统一般设置有在线绝缘检测装置。当列车供电系统存在接地绝缘故障时，主电路中各位置的电势将随着接地绝缘下降程度而发生变化。工程实际中，列车供电控制系统一般采用图1 中的接地检测电路来进行接地绝缘不良检测，通过接地检测VH2 的电压值来判断是否有绝缘不良故障。目前工程应用中将接地绝缘不良故障分成3 类，即直流侧正端接地（对应图1 中标号①）、直流侧负端接地（对应图1中标号②）和交流侧接地（对应图1 中标号③④⑤），其故障检测指标分别如式（1）～式（3）所示。

式中：Udc——中间电压，通过传感器VH1 采样得到； Ujd——接地检测电压，通过VH2 采样得到；Jth1～Jth3——基于应用经验设定的直流侧正端接地、直流侧负端接地、交流侧接地故障检测阈值；Ujd_max，Ujd_min——接地检测电压Ujd在单信号周期内最大值和最小值。

上述通用的超限报警检测方法存在漏报、误报等问题[20]，在运用过程中多次出现因检测不及时或未检测出故障而导致列车停车等待救援现象，严重影响旅客乘坐舒适性甚至影响出行安全。

1.2 实时故障诊断与预测方法

针对通用超限报警检测方法存在的不足，本文提出一种实时故障诊断与预测方法，其算法的基本原理如图2 所示，主要由离线设计、在线诊断与预测这两部分组成。在深入分析绝缘不良机理的基础上，利用不同接地位置时其接地检测电压体现出来的不同变化规律，提取相关联的故障特征量，从而实现不同接地绝缘故障下的实时故障诊断与预测。

图2 列车供电系统接地绝缘故障实时诊断与预测原理框图Fig. 2 Principle block diagr am of real-time diagnosis and prediction of grounding insulation fault in train power supply system

离线设计阶段，基于历史数据进行机理建模和相关信号分析，首先提取能区分不同故障类型的故障特征量，再对故障特征量在正常工况与不同故障工况下的变化规律进行建模，设计出故障诊断规则表，并利用统计分析方法，得到故障诊断所需的阈值参数。

在线诊断与预测阶段，整个过程主要包括数据处理、故障检测、故障决策和故障预测等处理环节，具体如下：

（1）数据处理。控制系统实时采集相关模拟量，进行数据滤波及归一化处理，并进行周期窗口数据更新；其后，基于当前周期窗口数据，提取出相关故障特征量，并送至故障检测单元。

（2）故障检测。故障检测单元基于其故障检测逻辑，判断是否发生故障，若判断结果为正常，则直接返回；否则，置故障标志F=1，进入故障决策环节。

（3）故障决策。F=1 时，故障决策单元基于故障诊断规则表中相关规则、阈值参数以及故障特征量对各种故障进行故障决策，定位其具体故障类型，送至故障预测单元。

（4）故障预测。故障预测单元收到故障类型后，对表征其故障严重程度的等效接地绝缘电阻值进行重构建模，计算出其数值并转换成对应的故障严重程度指标，输出至显示单元，以提醒相关应用人员及时进行维护。

2 接地绝缘故障特征分析

设图1 中TV 和TA 采样值分别为us和is。下面基于电路原理，对不同接地工况下主电路进行等效变换，以求解各传感器采样值之间的关联关系。

2.1 直流侧接地

直流侧接地故障工况等效电路如图3 所示，直流侧正端接地与直流侧负端接地工况下关联关系可分别描述为式（4）和式（5）。当存在直流侧接地时，接地检测电压Ujd为直流量且与Udc成正比，正常情况下等效接地绝缘电阻值Rjd为MΩ 级；当正端接地时，随着接地绝缘性能下降（等效接地绝缘电阻值Rjd减小），其接地检测电压值由0.5Udc左右逐渐减小至0；而当负端接地时，随着接地绝缘性能下降，其接地检测电压值由0.5Udc左右逐渐增大至Udc。

图3 直流侧接地等效电路Fig. 3 Equivalent circuits of DC side grounding

式中：Rjd——等效接地绝缘电阻值。

2.2 电抗器前端接地

图4 示出电抗器前端接地等效电路，其接地检测电压Ujd与Udc, us和is均相关联，其关联关系如式（6）所示。由式可知，Ujd由与直流侧负端接地工况接地检测电压对应的直流分量、与us和is关联的交流分量两部分组成。交流分量为与输入电流is符号相关的分段函数，且随着接地绝缘性能下降程度加深，其交流分量占比越来越大。

图4 电抗器前端接地等效电路Fig. 4 Equivalent circuit of reactor front side grounding

2.3 交流侧接地

当交流侧正端接地、负端接地时，其等效电路分别如图5 和图6 所示，接地检测电压值Ujd与TV 和TA 采样值均有关联，关联关系如式（7）和式（8）所示。由式可知，交流侧接地时，其Ujd也由两部分组成，其直流分量数值上与直流侧负端接地工况时Ujd相等，交流分量与输入电流is相关。当为交流侧正端接地时，若 is为负，则交流分量为0；而交流侧负端接地工况下is为非负时交流分量为0。

图5 交流侧正端接地等效电路Fig. 5 Equivalent circuit of AC positive side grounding

图6 交流侧负端接地等效电路Fig. 6 Equivalent circuit of AC negative side grounding

3 故障诊断与预测算法设计

3.1 接地绝缘故障特征提取

根据上述接地检测电压在不同接地工况下的情况分析可知，直流侧接地时，检测电压为直流量且在不同的数值范围内具有明显的可区分性；而电抗器前端接地和交流侧接地时，由于均存在交流分量，无法直接区分，需基于关联变量提取统计特征来进行具体区分定位。

由式(6)～式(8)可知，电抗器前端接地和交流侧接地时，其交流分量值与输入电流is强相关。因此，可基于其关联规律定义式(9)～式(16)所示特征量来进行故障诊断，其中JExi(k)(i=1, …, 4)为与Ujd相关的周期信号均值；JDxi(k)(i=1, …, 4)为与Ujd相关的周期信号方差，此8 个统计特征量用来识别不同故障类型。为特征量计算窗口内采样点数，Tc为特征量计算窗口长度， Ts为信号采样周期。

3.2 故障检测

在正常运行时，若系统无异常，则特征量JEx1(k)～JEx4(k)∈[0.5-ε1,0.5+ε1]，JDx1(k)～JDx4(k)≤ε2。其中，ε1和ε2分别为特征量均值与方差检测阈值门槛，选择时主要考虑传感器测量噪声与谐波，并根据历史运行数据特性分析得到。故障检测逻辑如式（17）所示。

式中：F(k)——k 时刻异常检测标志位，为1 时表示系统发生异常，为0 时表示系统正常。

3.3 故障决策

设直流侧正端接地、直流侧负端接地、电抗器前端接地、交流侧正端接地和交流侧负端接地故障的故障标志位依次为FDCP，FDCN，FDCLP，FQCP和FQCN，基于不同接地类型时统计量变化规律，可得到表1 所示故障诊断规则表，以实现各故障的有效定位。表中，故障标志位为1 表示发生相应故障，ε3为直流侧接地工况下特征量边界阈值。

表1 故障诊断规则表Tab.1 Rule table for fault diagnosis

3.4 故障预测

故障预测的目的是基于相关变量来确定系统退化状态（可表征系统的健康状态）或故障严重程度，以最低成本进行有效的检修与维护。系统退化程度一般用数值为0 到100%之间的健康因子（health index, HI）来表征[21]。本文通过能表征接地绝缘故障严重程度的等效接地绝缘电阻值映射为对应的ZHI来实现接地绝缘异常的故障预测。相关老化试验研究表明[22-23]，绝缘电阻值在前期变化较平缓，后期将快速下降，因此，本文采用式（18）近似描述HI 与绝缘电阻映射关系，其函数关系如图7 所示。

式中：ZHI——构建的健康因子；——等效接地绝缘电阻重构值；Rjd_max与Rjd_min——系统正常临界值以及系统故障保护阈值。

图7 ZHI 与等效绝缘电阻值映射函数关系Fig. 7 Mapping function of ZHI and equivalent insulation resistance

下面针对不同接地类型（对应图1 标号①～⑤），基于式（4）～式（8）中Ujd, Udc, us和is与Rjd的关联关系，并采用周期平均滤波方式，得到等效绝缘电阻重构值：

之后，结合当前故障诊断结果类型，利用式（18）转换成对应的健康因子值ZHI，即可实时评估当前接地绝缘性能状态。

4 仿真测试验证

基于某型号列车供电系统电路参数，对本文所提算法进行仿真测试验证。算法主要参数设置如下： ε1=ε2=0.05，Rjd_max=3 000 Ω，Rjd_min=800 Ω，Ts=1 ms，Tc=20 ms。假设正常时其等效接地绝缘电阻值为104Ω，在不同接地位置，模拟其绝缘下降故障。在t 为8.1 s，8.2 s 和8.3 s 时，将其实际绝缘电阻值依次调至3 000 Ω，1 500 Ω 和800 Ω。下面针对各种接地类型的诊断与预测效果进行详细分析。

4.1 直流侧正端接地

图8 示出直流侧正端接地工况时的诊断与预测结果。从图8(a)可以看出，当接地绝缘电阻逐步下降时，其接地检测电压值（图中Ujd-FDCP）逐渐下降偏离正常值（图中Ujd-Norm）。从图8(b)的故障特征量可以看出，特征量JEx1(k)～JEx4(k)逐渐偏离正常值且均负偏，偏移值与下降值正相关；特征量JDx1(k)～JDx4(k)则与正常值无差异。从图8(c)可以看出，当绝缘电阻阻值在8.1 s 时刻下降到3 000 Ω 时，系统在约5 ms 后检测出异常，将异常标志位F 置为1；其后约在20 ms 后定位出准确接地点并将直流侧正端接地标志FDCP置为1；在故障类型定位后的1 个计算周期（8.14 s 时刻），其接地绝缘电阻重构值Rjd,E实现了真实值Rjd,R的准确跟踪。在整个接地绝缘下降过程中，健康因子ZHI随着接地绝缘电阻重构值动态变化，实现了对系统退化程度的实时跟踪，从而达到了直流侧正端接地故障预警效果。

图8 直流侧正端接地绝缘故障诊断与预测仿真Fig. 8 Diagnosis and prediction simulation for insulation fault of DC side positive grounding

4.2 直流侧负端接地

直流侧负端接地工况时的诊断与预测结果见图9。从图9(a)可以看出，当接地绝缘电阻逐步下降时，其接地检测电压值（图中Ujd-FDCN）逐渐上升偏离正常值（图中Ujd-Norm）。从图9(b)的故障特征量可以看出，特征量JEx1(k)～JEx4(k)逐渐偏离正常值且均正偏，偏移值与下降值正相关；特征量JDx1(k)～JDx4(k)则与正常值无差异。从图9(c)可以看出，当绝缘电阻阻值在8.1 s 时刻下降到3 000 Ω 时，系统约5 ms 后检测出异常并将异常标志位F 置为1；其后约20 ms 后定位出准确接地点并将直流侧负端接地标志FDCN置为1；在故障类型定位后的1 个计算周期（8.14 s 时刻），其接地绝缘电阻重构值Rjd,E实现了真实值Rjd,R的准确跟踪。在整个接地绝缘下降过程中，健康因子ZHI随着接地绝缘电阻重构值动态变化，实现了预定的预测功能。

图9 直流侧负端接地绝缘故障诊断与预测仿真Fig. 9 Diagnosis and prediction simulation for insulation fault of DC side negative grounding

4.3 电抗器前端接地

电抗器前端接地绝缘故障诊断与预测仿真效果如图10 所示。从图10(a)可知，电抗器前端出现接地时，其接地检测电压值开始叠加频率为100 Hz 的脉动交流量，且随着接地绝缘电阻值下降，其脉冲幅度逐渐增大。从图10(b)可以看出，特征量JEx1(k)～JEx4(k)均逐渐偏离正常值，且JEx2(k)出现正偏，其余3 个出现负偏，在特征量JDx1(k)～JDx4(k)之中，JDx2(k)与正常值差别不大，而 JDx1(k)，JDx3(k)与JDx4(k)则随着绝缘电阻下降逐渐变大。从图10(c)可知，系统均准确判断出电抗器前端接地并对接地绝缘下降程度进行了准确预测。

图10 电抗器前端接地绝缘故障诊断与预测仿真Fig. 10 Diagnosis and prediction simulation for insulation fault of reactor front side grounding

4.4 交流侧正端接地

图11 示出交流侧正端接地诊断与预测效果。从图11(a)可知，交流侧正端出现接地时，其接地检测电压值开始叠加频率为50 Hz 的脉动交流量，且随着接地绝缘电阻值下降，其脉冲幅度逐渐增大。从图11(b)可以看出，特征量JEx1(k)基本无变化，而JEx2(k)～JEx4(k)均逐渐偏离正常值，且JEx3(k)出现正偏，JEx2(k)和JEx4(k)出现负偏。在特征量JDx2(k)～JDx4(k)之中，JDx3(k)与正常值差别不大，而JDx1(k)，JDx2(k)与JDx4(k)则随着绝缘电阻下降逐渐变大。从图11(c)可知，系统均准确判断出交流侧正端接地并对接地绝缘下降程度进行了准确预测。

图11 交流侧正端接地绝缘故障诊断与预测仿真Fig. 11 Diagnosis and prediction simulation for insulation fault of AC positive grounding

4.5 交流侧负端接地

交流侧负端接地诊断与预测结果如图12 所示。从图12(a)可知，交流侧负端出现接地时，其接地检测电压值开始叠加频率为50 Hz 的脉动交流量，且随着接地绝缘电阻值下降，其脉冲幅度逐渐增大。从图12(b)可以看出，其特征量JEx1(k)基本无变化，JEx2(k)～JEx4(k)变化规律与交流侧正端接地工况类似，为JEx3(k)出现正偏， JEx2(k)和JEx4(k)出现负偏；在特征量JDx2(k)～JDx4(k)之中， JDx2(k)和JDx4(k)与正常值差别不大，而JDx1(k)和JDx3(k)则随着绝缘电阻下降逐渐变大。从图12(c)可知，系统均准确判断出交流侧负端接地并对接地绝缘下降程度进行了准确预测。

图12 交流侧负端接地绝缘故障诊断与预测仿真Fig. 12 Diagnosis and prediction simulation for insulation fault of AC negative grounding

5 结语

针对列车供电系统接地绝缘下降机理进行了深入分析，并根据不同接地绝缘故障模式下接地检测电压信号差异，本文提出了一种基于信号特征模式识别的接地绝缘实时故障诊断与预测方法，其利用不同类型故障的相关信号特征，设计与各类故障相关的特征量并构造相应诊断与预测模型，实现各种故障的准确定位以及故障趋势的实时预测。最后通过仿真测试验证了所提方法的有效性。通过此方法，可实现接地绝缘不良故障的状态修复，提高列车供电系统的可靠性和实用性，提升系统故障处理效率。

本文中所用健康因子ZHI与等效绝缘电阻值映射函数关系及相关参数是基于现有研究成果并结合相关标准中规定的阈值进行推算，后续可基于车载真实部件的老化试验来精确设计。