CN106771640A - 一种列车供电系统对地等效绝缘电阻的定量检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种列车供电系统对地等效绝缘电阻的定量检测方法，包括如下步骤：S1. 构建供电系统不同接地点的对地等效绝缘电阻与频谱之间的定量关系；S2. 将所述定量关系拟合为谐波值与对地等效绝缘电阻值之间的函数，所述函数满足预设的置信间；S3. 测量接地点的半电压，对所述半电压进行频谱分析得到实测谐波值，根据所述实测谐波值和所述函数计算所测量的接地点的对地等效绝缘电阻。本发明具有准确度高、稳定性高、适用性强等优点。

Description

一种列车供电系统对地等效绝缘电阻的定量检测方法

技术领域

本发明涉及一种列车供电系统领域，尤其涉及一种列车供电系统对地等效绝缘电阻的定量检测方法。

背景技术

DC600V列车供电系统被列车大量应用，DC600V供电系统中的接地故障保护装置是保障列车运行、旅客人身安全的重要组成部分，为保障电力机车列车在运行发挥重要作用。但是，在接地故障中往往存在很多误报等情况，给列车正常运营带来大量麻烦。DC600V列车供电系统主要分整流单元、直流供电单元、逆变输出单元等，不同部位接地，具有不同的故障模式，如图1所示，有至少8种主要故障模式，目前关于接地保护主要针对直流接地故障模式（如图1中4点、5点接地）进行研究，针对交流接地的研究几乎没有，而交流接地的复杂程度远远大于直流接地故障，要实现对不同的接地故障模式都能进行定量计算对地等效绝缘电阻（即接地电阻）是一个技术挑战。其次，列车中电磁环境复杂，负载类型、负载大小变化都会导致故障波形变化，这些给识别、分离不同的接地故障模式带来很大困扰，现有的接地保护装置（绝缘电阻检测）由于没有充分考虑多种接地模式的情况，往往产生误报，给正常安全运营带来很多不必要的麻烦。

误报的根本原因在于DC600V系统存在多种不同的接地故障模式，导致传统算法进行对地绝缘电阻计算时结果不准确。对地等效绝缘电阻，等效于设备连接到保护地的接地电阻，通过保护地对供电系统造成影响。例如，DC600V供电系统中，由于部分设备老化、完好情况较差，某些电气位置的对地绝缘电阻降低，当对地等效绝缘电阻较大时，不足以影响到列车安全运营时，无需进行接地故障报警及保护动作；而对地等效绝缘电阻较小时，为了行车安全需要进行接地报警及接地保护动作。能够对等效绝缘电阻进行准确地定量计算，对于指导接地保护，观察绝缘电阻退化趋势，提高DC600V供电系统的接地故障保护稳定性、准确性具有重要意义。但是DC600V供电系统接地故障模式较多，针对不同故障模式进行等效对地绝缘电阻的计算时一个技术难题，同时列车上电磁环境复杂，给定量工作进一步增大了难度。

目前的处理方法存在以下不足：1、不准确，只考虑了直流接地情况，对交流对地绝缘电阻不能准确计算，经常出现误报等问题。2、信号资源需求多，需要半电压、漏电流等多种信号数据信息才能对对地等效绝缘电阻进行估计。3、鲁棒性差，由于缺乏准确定量计算手段，易受环境变化扰动影响，导致保护动作不准确，经常误动作。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种准确度高、稳定性高、适用性强的列车供电系统对地等效绝缘电阻的定量检测方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种列车供电系统对地等效绝缘电阻的定量检测方法，包括如下步骤：

S1. 构建供电系统不同接地点的对地等效绝缘电阻与频谱之间的定量关系；

S2. 将所述定量关系拟合为谐波值与对地等效绝缘电阻值之间的函数，所述函数满足预设的置信间；

S3. 测量接地点的半电压，对所述半电压进行频谱分析得到实测谐波值，根据所述实测谐波值和所述函数计算所测量的接地点的对地等效绝缘电阻。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1的具体步骤包括：对于实际供电系统或仿真供电系统的不同接地点，用不同阻值的电阻将接地点与地进行短接，并测量在不同阻值短接下的半电压，将所述半电压进行频谱分析得到谐波值，得到谐波值与电阻之间的定量关系。

作为本发明的进一步改进，所述谐波值优选为0至5次谐波的谐波值。

作为本发明的进一步改进，对于同一接地点，所述实测谐波值与所述谐波值为同次谐波的值。

作为本发明的进一步改进，所述半电压为供电系统中间直流电路正极与地之间的电压。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明准确性高，充分考虑了直流、交流等多种接地情况，能针对不同接地模式进行准确定量计算对地绝缘电阻，较少误报情况发生。

2、本发明简单，算法只需要半电压信号数据就能计算得到对地等效绝缘电阻。

3、本发明鲁棒性、可靠性高，频谱前几次谐波不易受环境变化影响，负载变化不对频谱关系造成干扰，具有很高的鲁棒性。

4、本发明可维护性高，对于新的接地模式可以利用其频谱特征，方便的进行拓展，实现算法的升级。

附图说明

图1为DC600V供电系统原理图及接地点示意图。

图2为本发明具体实施例接地点1接地故障时的波形图。

图3为本发明具体实施例正常状态与各接地点接地故障时的频谱。

图4为本发明具体实施例接地点1的接地电阻与频谱关系图。

图5为本发明具体实施例接地点1接地电阻与基准谐波关系图。

图6为本发明具体实施例接地点1负载电阻与频谱关系图。

图7为本发明具体实施例接地点1负载电阻与基准谐波关系图。

图8为本发明具体实施例接地点3的接地电阻与频谱关系图。

图9为本发明具体实施例接地点3接地电阻与基准谐波关系图。

图10为本发明具体实施例接地点3负载电阻与频谱关系图。

图11为本发明具体实施例接地点3负载电阻与基准谐波关系图。

图12为本发明具体实施例根据定量关系进行拟合确定的函数曲线。

图13为本发明具体实施例流程示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图13所示，本实施例的列车供电系统对地等效绝缘电阻的定量检测方法，包括如下步骤：S1. 构建供电系统不同接地点的对地等效绝缘电阻与频谱之间的定量关系；S2.将定量关系拟合为谐波值与对地等效绝缘电阻值之间的函数，函数满足预设的置信间；S3.测量接地点的半电压，对半电压进行频谱分析得到实测谐波值，根据实测谐波值和函数计算所测量的接地点的对地等效绝缘电阻。

在本实施例中，步骤S1的具体步骤包括：对于实际供电系统或仿真供电系统的不同接地点，用不同阻值的电阻将接地点与地进行短接，并测量在不同阻值短接下的半电压，将半电压进行频谱分析得到谐波值，得到谐波值与电阻之间的定量关系。谐波值优选为0至5次谐波的谐波值。对于同一接地点，实测谐波值与谐波值为同次谐波的值。半电压为供电系统中间直流电路正极与地之间的电压。

如图1所示，列车DC600V供电系统可能发生接地故障的接地点分布如图1上1号点至8号点。半电压为供电系统中间直流电路正极与地之间的电压，即电压传感器SV2所测量的电压。由于半电压波形的细节特征在复杂工况、不同批次、负载变化等车辆上很可能是不稳定的；并且电力机车上的电磁环境非常复杂，在电磁干扰的作用下，半电压的细节特征更加不可靠，但该波形在整体上来说仍是整体特征较明显的周期信号。图2为接地点1接地故障的波形图。在本实施例中，对于周期的信号为了实现对整体特征的把握，对波形进行频谱分析(FFT)，利用低次谐波信息对波形进行表征。

在本实施例中，通过电压传感器SV2测量半电压数据，并对半电压的波形进行频谱分析，可以得到半电压波形频谱。如图3所示，图3中（a）至（f）分别显示了在供电系统正常，以及接地点1至接地点5发生接地故障时，通过对半电压信号进行频谱分析后得到的波形频谱。通过分析可以确定，在正常状态以及不同接地点发生接地故障的情况下，波形频谱具有明显的差异，因此，通过波形频谱可实现不同接地点接地故障模式的分离。

在本实施例中，对同一接地点，在接地电阻发生变化时，对半电压波形频谱进行分析，可以确定接地电阻的变化会导致半电压幅值变化，而波形整体形状不变，即各谐波成分比例不变。以接地点1为例，如图4所示，显示了在不同接地电阻值的情况下，半电压波形频谱中直流分量，一次谐波至五次谐波与一次谐波的比值，可以发现，直流分量、各谐波成分之间的比例基本没有变化，具有较稳定的数值，最大偏离不超过2%，而三次谐波、四次谐波和5次谐波与一次谐波的比值的偏离甚至小于0.2％。说明通过频谱的方法分离不同的接地模式不受接地电阻大小影响，是稳定可靠的。对接地点1的半电压波形频谱的基波进行分析，如图5所示，可以确定基波幅值与接地电阻之间具有明显的相关性，可以进行拟合得到该点接地模式下，对地等效绝缘电阻的计算函数。同时，通过基波幅值与接地电阻之间的定量关系，可以选择其中特定点的阈值，对供电系统进行接地保护，特定点如接地电阻值为800Ω，2000Ω时的点。同理，对接地点3，采用固定负载600A，以不同接地电阻进行同样的分析，接地电阻与频谱关系如图8所示，接地电阻与基准谐波关系如图9所示。通过对接地点3的分析，同样可以确定接地电阻的变化会导致半电压幅值变化，而波形整体形状不变，即各谐波成分比例不变。不同接地电阻，各次谐波（一次至五次）之间的比例关系是稳定的，变化幅度小于0.3%。据此可识别该接地模式。

在本实施例中，以接地点1为例，通过分析负载对半电压波形频谱的影响，可得到如图6所示的在不同负载电阻情况下，频谱各分量与一次谐波的比值关系图，以及如图7所示的在不同负载情况下一次谐波基准幅值图。可以确定，负载对频谱影响较小，各成分均在很小范围内变化，基本维持不变。说明在不同负载工况下，该故障分离方法、对地绝缘电阻定量公式均具有适用性。同样，采用固定的接地电阻，阻值为800Ω，采用不同的负载对接地点3进行仿真，负载电阻与频谱关系如图10所示，负载电阻与基准谐波关系如图11所示，同样可以确定，负载对半电压波形无影响，进而上述识别方法不受负载状态影响。具有很好的稳定性、适用性。

在本实施例中，利用不同接地点频谱的差异，具体是各次谐波间的比例范围，即可识别确定是哪个接地点发生接地故障。如图4中所示的接地点的频谱与接地电阻大小的关系，反映了二次谐波与一次谐波的比值在0.46-0.5之间，三次谐波与一次谐波的比值在0.19-0.2之间，如果频谱对应谐波的比值在该范围那么即可认定为接地点1发生了漏电、接地故障。同理，其他接地点各次谐波的比值范围是不一样的，通过该比值即可以识别出了是具体哪个接地点发生接地故障。

在本实施例中，在确定所选定的谐波值与电阻之间的定量关系后，将谐波值与电阻之间的定量关系通过MATLAB进行拟合，得到拟合函数，f(x) = a*exp(b*x)，其中，f(x)为拟合函数，a为预设第一参数，b为预设第二参数，x为谐波值。在本实施例中，取接地点的拟合函数的置信区间为95%，a= 9120 (8804, 9436)，b = -0.005971(-0.006109, -0.005833) ，取MATLAB拟合工具中代表拟合与数据相关程度的确定系数R-square为0.9985，拟合后的函数曲线如图12所示。在确定是哪个接地点接地后，再将对应的谐波值代入到该接地点所确定的拟合函数中，即可求得接地电阻的大小。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种列车供电系统对地等效绝缘电阻的定量检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1. 构建供电系统不同接地点的对地等效绝缘电阻与频谱之间的定量关系；

S2. 将所述定量关系拟合为谐波值与对地等效绝缘电阻值之间的函数，所述函数满足预设的置信间；

S3. 测量接地点的半电压，对所述半电压进行频谱分析得到实测谐波值，根据所述实测谐波值和所述函数计算所测量的接地点的对地等效绝缘电阻。

2.根据权利要求1所述的列车供电系统对地等效绝缘电阻的定量检测方法，其特征在于，所述步骤S1的具体步骤包括：对于实际供电系统或仿真供电系统的不同接地点，用不同阻值的电阻将接地点与地进行短接，并测量在不同阻值短接下的半电压，将所述半电压进行频谱分析得到谐波值，得到谐波值与电阻之间的定量关系。

3.根据权利要求2所述的列车供电系统对地等效绝缘电阻的定量检测方法，其特征在于，所述谐波值优选为0至5次谐波的谐波值。

4.根据权利要求3所述的列车供电系统对地等效绝缘电阻的定量检测方法，其特征在于，对于同一接地点，所述实测谐波值与所述谐波值为同次谐波的值。

5.根据权利要求1至4任一项所述的列车供电系统对地等效绝缘电阻的定量检测方法，其特征在于：所述半电压为供电系统中间直流电路正极与地之间的电压。