CN103368128B - 机车辅助电源系统接地故障保护装置和电力机车 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机车辅助电源系统接地故障保护装置和电力机车，该接地故障保护装置包括：依次连接的控制单元、供电设备和负载，且负载通过接地线路接地，该接地故障保护装置还包括电流互感器、采样电阻和电压传感器，电流互感器的一次绕组输入端子连接于所述接地线路中；采样电阻连接于所述电流互感器的二次绕组输出端子两端；电压传感器连接于所述采样电阻两端，用于采集所述采样电阻上的电压并输出电压信号以作为接地故障信号传送给所述控制单元，以供所述控制单元控制所述供电设备停止工作。该机车辅助电源系统接地故障保护装置中，只要负载发生接地故障，可及时的检测负载接地故障，可保障辅助电源系统安全运行。

Description

机车辅助电源系统接地故障保护装置和电力机车

技术领域

本发明涉及电气控制技术，尤其涉及一种机车辅助电源系统接地故障保护装置和电力机车。

背景技术

在电力机车的供电系统中，包括主电源系统和辅助电源系统，主电源系统用于给电力机车中的牵引设备提供电压源，辅助电源系统用于给电力机车中的辅助负载提供电压源，辅助负载通常指设置于电力机车中的各种风机、油泵、空气压缩机、空调等。

辅助电源系统中主要包括直流电源、控制单元、变流器和变压器等，控制单元用于生成对变流器的控制信号，以控制变流器的运行状态，变流器根据控制单元生成的控制信号将直流电源变换成三相交流电源，并经过变压器将三相交流电源降压后提供给辅助负载，以作为辅助负载的供电电源。

为使辅助电源系统安全运行，在辅助电源系统中通常设置有接地故障保护电路，现有的接地故障保护电路主要包括限流电阻和继电器，将限流电阻串联于负载与地之间的接地线路中，继电器的线圈与该限流电阻构成电流回路，继电器的输出端触点与控制单元相连。

当辅助负载发生接地故障时，接地线路中将有接地电流流过，该接地电流流过限流电阻和继电器线圈构成的电流回路，此时，继电器的线圈得电，继电器的输出端触点动作，产生接地信号以传送给控制单元，控制单元接收到该接地信号后控制变流器停止工作，对整个辅助电源系统进行保护。

上述的接地故障保护电路，从继电器线圈得电到输出端触点动作的间隔时间较长，通常需要几百毫秒的时间，如果因辅助负载接地故障使接地线路中电流较大，辅助负载和变流器等有可能在保护动作执行前已经损坏，因此造成故障扩大，并且，由于限流电阻的存在，当辅助负载发生轻微接地故障时，接地线路中流过的电流较小，继电器中线圈并不动作，辅助负载将待故障继续运行，因此，使故障进一步扩大。

发明内容

本发明提供一种机车辅助电源系统接地故障保护装置和电力机车，以及时检测负载接地故障，以对供电设备和负载进行保护。

本发明的第一个方面是提供一种机车辅助电源系统接地故障保护装置，包括依次连接的控制单元、供电设备和负载，所述控制单元用于控制供电设备的工作状态以驱动所述负载的运行，且所述负载通过接地线路接地，该接地故障保护装置还包括：

电流互感器，所述电流互感器的一次绕组输入端子连接于所述接地线路中；

采样电阻，所述采样电阻连接于所述电流互感器的二次绕组输出端子两端；

电压传感器，连接于所述采样电阻两端，用于采集所述采样电阻上的电压并输出电压信号以作为接地故障信号传送给所述控制单元，以供所述控制单元控制所述供电设备停止工作。

本发明的另一个方面是提供一种电力机车，包括车体，该电力机车还包括本发明提供的机车辅助电源系统接地故障保护装置，所述机车辅助电源系统接地故障保护装置的供电设备至少包括变压器，所述变压器的中线与所述车体相连，所述负载通过接地导线与所述车体相连，所述变压器的中线、车体和所述接地导线构成接地线路。

本发明提供的机车辅助电源系统接地故障保护装置中，只要负载发生接地故障，在接地线路中产生接地电流，即可输出电压信号作为接地故障信号，以供控制单元根据该接地故障信号控制供电设备停止工作，供电设备不再为负载提供工作电源，负载将停止运行，以对供电设备和负载进行保护。该接地故障信号的产生过程没有机械部件的动作过程，只是电信号的传递过程，因此，不会发生延迟，可及时的检测负载接地故障，可保障机车辅助电源系统安全运行。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的机车辅助电源系统接地故障保护装置的结构示意图；

图2为本发明另一实施例所提供的机车辅助电源系统接地故障保护装置的结构示意图；

图3为本发明又一实施例所提供的机车辅助电源系统接地故障保护装置的结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明实施例所提供的机车辅助电源系统接地故障保护装置的结构示意图，如图1所示，该接地故障保护装置包括依次连接的控制单元10、供电设备11和负载12，所述控制单元10用于控制供电设备11的工作状态以驱动负载12的运行，且所述负载12通过接地线路接地，该接地故障保护装置还包括电流互感器13、采样电阻14和电压传感器15，其中，电流互感器13的一次绕组131输入端子连接于待测接地线路中；采样电阻14连接于所述电流互感器13的二次绕组132输出端子两端；电压传感器15连接于所述采样电阻14两端，用于采集所述采样电阻14上的电压并输出电压信号以作为接地故障信号传送给所述控制单元10，以供所述控制单元10控制所述供电设备11停止工作。

电流互感器通常由闭合的铁心和绕组组成，它的一次绕组匝数很少，二次绕组匝数比较多。电流互感器依据电磁感应原理，当一次绕组有电流流过时，二次绕组将产生感应电流，并且，可以把数值较大的经过一次绕组的电流通过一定的变比转换为经过二次绕组的数值较小的电流。

通过设置电流互感器一次绕组和二次绕组的匝数比，也就是变比，可控制流过一次绕组和二次绕组的电流比，如变比为400/5的电流互感器，可以把经过一次绕组400A的电流转变为经过二次绕组5A的电流。

采样电阻的作用为将流过电流互感器二次绕组的电流转换成电压，当电流互感器的一次绕组有电流流过时，电流互感器的二次绕组有较小的感应电流流过，而采样电阻连接于二次绕组输出端子两端，采样电阻和二次绕组形成电流回路，采样电阻上将有感应电流流过，因此，在采样电阻上产生压降，也就是电压。

电压传感器可采集采样电阻上的电压并输出电压信号，该电压信号即可作为故障信号以传送给控制单元，控制单元根据该接地故障信号可控制供电设备停止工作，供电设备不再为负载提供工作电源，负载将停止运行，以对供电设备和负载进行保护。

本实施例机车辅助电源系统接地故障保护装置的工作原理为：

该装置中的供电设备和负载可作为机车辅助电源系统中的组成部分，供电设备通常包括供电电源、变流器和变压器等，负载可包括各种用电设备，例如，电机、空调和风扇等。电流互感器、采样电阻和电压传感器构成接地故障检测电路。

负载通过接地线路接地，当负载发生接地故障时，将有接地电流流过接地线路，而电流互感器的一次绕组连接于接地线路中，因此，该接地电流会流经一次绕组，此时，将在电流互感器的二次绕组产生较小的感应电流。由于采样电阻连接于二次绕组输出端子两端，采样电阻和二次绕组形成电流回路，采样电阻上将有感应电流流过，因此，在采样电阻上产生压降，也就是电压，利用电压传感器采集采样电阻上的电压并输出电压信号，该电压信号即可作为故障信号以传送给控制单元，控制单元根据该接地故障信号可控制供电设备停止工作，供电设备不再为负载提供工作电源，负载将停止运行，以对供电设备和负载进行保护。

需要说明的是，本实施例中，设置电流互感器的原理在于：

由于待测接地线路中的接地电流有可能很大，可能达到几十或几百安培，而控制单元所能接受的各种信号为小电流或小电压信号，例如，为几安培或者几百毫安的电流信号，几伏或几百毫伏的电压信号，因此，不能直接将该接地电流信号提供给控制单元，而通过设置电流互感器可将数值较大的经过一次绕组的电流通过一定的变比转换为经过二次绕组的数值较小的电流，使流经二次绕组的感应电流为流经一次绕组接地电流的若干分之一，因此，通过电流互感器将待测接地线路中的大电流转换为小电流，并通过电压传感器采样电阻的上的电压以输出适合控制单元接收的电压信号。

由上述技术方案可知，该机车辅助电源系统接地故障保护装置中，只要负载发生接地故障，在接地线路中产生接地电流，即可输出电压信号作为接地故障信号，以供控制单元根据该接地故障信号控制供电设备停止工作，对供电设备和负载进行保护。该接地故障信号的产生过程没有机械部件的动作过程，只是电信号的传递过程，因此，不会发生延迟，可及时的检测负载接地故障，可保障机车辅助电源系统安全运行。

图2为本发明另一实施例所提供的机车辅助电源系统接地故障保护装置的结构示意图，如图2所示，在上述实施例的基础上，进一步的，该接地故障保护装置中还包括两个稳压二极管16，两个所述稳压二极管16反并联后并联于所述采样电阻14两端。

稳压二极管(又叫齐纳二极管)，该种二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件，在临界击穿点上，反向电阻降低到一个很小的数值，在该低阻区，二极管中电流增加而二极管两端电压则保持恒定。

本实施例即利用稳压二极管的上述特性，在采样电阻两端并联稳压二极管，当流过电流互感器一次绕组上的接地电流为很大的冲击电流时，电流互感器二次绕组上产生的互感电流也将较大，此时，采样电阻上电压也将很高，而稳压二极管与采样电阻并联，稳压二极管两端的电压即为采样电阻上的电压，如果一旦稳压二极管两端的电压大于其临界反向击穿电压，则稳压二极管被反向击穿，通过稳压二极管吸收二次绕组上的感应电流，而稳压二极管两端电压，即采样电阻上的电压则保持恒定，仍可通过电压传感器采集采样电阻上的电压并输出电压信号作为接地故障信号，而不会因采样电阻上的电压过大损坏电压传感器或控制单元。

本实施例中，设置两个反向并联的稳压二极管的目的是，当接地电流为交流电流，并且，该接地电流为很大的冲击电流时，电流互感器二次绕组产生的互感电流也为较大的交流电流，两稳压二极管分别在该交流电流的正半周期和负半周期击穿以对电压传感器和控制单元进行保护。

该接地故障保护装置中还可以包括滤波器17，该滤波器17的输入端与所述接地线路相连，滤波器17的输出端与所述电流互感器13的一次绕组131输入端子相连。

滤波器可用于过滤接地线路产生接地电流中的谐波干扰信号，保留接地电流信号，然后再输出给电流互感器的一次绕组，使最后通过电压传感器输出的电压信号更加准确，避免受到其他信号的干扰，保证机车辅助电源系统的稳定运行。

图3为本发明又一实施例所提供的机车辅助电源系统接地故障保护装置的结构示意图，如图3所示，该接地故障保护装置中的供电设备11包括依次连接的供电电源111、变流器112和变压器113，其中，所述控制单元10与所述变流器112相连，用于生成对所述变流器112的控制信号，以控制所述变流器112的运行状态以驱动所述负载12的运行；所述变压器113输出侧与所述负载12之间串联有电抗器18，所述电抗器18的两端并联有电容19。

本实施例的机车辅助电源系统接地故障保护装置，供电设备包括供电电源、变流器和变压器，其中，供电电源可以为直流电源或者交流电源，控制单元用于生产对变流器的控制信号，控制变流器对供电电源输出的电压进行整流或逆变等处理，变压器将变流器输出的电压进行升压或降压后输出给负载，以为负载提供合适的驱动电压，驱动负载运行。

本实例只是提供一种供电设备的具体结构，供电设备也可为其他形式，不限于本实施例所述。

并且，本实施例的接地故障保护装置中设置有电抗器，利用电抗器对瞬态电流的抑制作用，可以减小因负载故障接地线路产生接地电流对负载的冲击作用，并且，当供电设备或负载等发生短路时，电抗器还可以起到增大短路阻抗，限制整个机车辅助电源系统线路中短路电流的作用，提高机车辅助电源系统运行的稳定性。

电抗器为呈感性的器件，使整个辅助电源系统中无功功率分量增大，为此，在电抗器上并联电容，以补偿电抗器感性电感引起的无功功率分量。

本发明实施例还提供了一种电力机车，该机车包括车体，还包括本发明实施例提供的机车辅助电源系统接地故障保护装置，所述机车辅助电源系统接地故障保护装置的供电设备至少包括变压器，所述变压器的中线与所述车体相连，所述负载通过接地导线与所述车体相连，所述变压器的中线、车体和所述接地导线构成接地线路。

该电力机车采用本发明实施例提供的机车辅助电源系统接地故障保护装置，接地故障保护装置可应用于机车辅助电源系统中辅助电源系统为给电力机车中的作为负载的辅助负载(包括各种风机、油泵、空气压缩机和空调等)的供电系统。

变压器的中线、车体和接地导线构成接地线路，由于车体与大地相连，车体电位为零，而负载外壳和车体等电位，负载外壳的电位也为零，因此，保证了机车中人员的安全。

本实施例提供的电力机车采用本发明实施例提供的接地故障保护装置，当机车中的负载发生接地故障时，可及时的检测负载接地故障，保障整个机车辅助电源系统安全运行，因此，为电力机车的安全运行提供保证。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种机车辅助电源系统接地故障保护装置，包括依次连接的控制单元、供电设备和负载，所述控制单元用于控制供电设备的工作状态以驱动所述负载的运行，且所述负载通过接地线路接地，其特征在于，该接地故障保护装置还包括：

电流互感器，所述电流互感器的一次绕组输入端子连接于所述接地线路中；

采样电阻，所述采样电阻连接于所述电流互感器的二次绕组输出端子两端；

电压传感器，连接于所述采样电阻两端，用于采集所述采样电阻上的电压并输出电压信号以作为接地故障信号传送给所述控制单元，以供所述控制单元控制所述供电设备停止工作；

两个稳压二极管，两个所述稳压二极管反并联后并联于所述采样电阻两端；

滤波器，所述滤波器的输入端与所述接地线路相连，所述滤波器的输出端与所述电流互感器的一次绕组输入端子相连；

所述供电设备包括依次连接的供电电源、变流器和变压器，其中，

所述控制单元与所述变流器相连，用于生成对所述变流器的控制信号，以控制所述变流器的运行状态以驱动所述负载的运行；

所述变压器输出侧与所述负载之间串联有电抗器，所述电抗器的两端并联有电容。

2.一种电力机车，包括车体，其特征在于，还包括权利要求1所述的机车辅助电源系统接地故障保护装置，所述机车辅助电源系统接地故障保护装置的供电设备至少包括变压器，所述变压器的中线与所述车体相连，所述负载通过接地导线与所述车体相连，所述变压器的中线、车体和所述接地导线构成接地线路。