CN112327209A - 轨道车辆牵引系统漏电流检测方法、装置及轨道车辆 - Google Patents

轨道车辆牵引系统漏电流检测方法、装置及轨道车辆 Download PDF

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CN112327209A CN202011211753.9A CN202011211753A CN112327209A CN 112327209 A CN112327209 A CN 112327209A CN 202011211753 A CN202011211753 A CN 202011211753A CN 112327209 A CN112327209 A CN 112327209A
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    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
    • G01R31/52—Testing for short-circuits, leakage current or ground faults

Abstract

本发明实施例提供一种轨道车辆牵引系统漏电流检测方法、装置及轨道车辆；方法包括：根据轨道车辆牵引系统中的部件的实时工况，确定漏电流回路等效电路模型中的电气元件的参数值；根据所述电气元件之间的连接关系，确定漏电流回路等效电路模型中的各个回路的电流值之间的换算关系；检测第一漏电流的值；根据所述第一漏电流的值、所述电气元件的参数值以及所述漏电流回路等效电路模型中的各个回路的电流值之间的换算关系，确定第二漏电流的值。本发明实施例能够较为准确地得到轨道车辆牵引系统内的漏电流值。

Description

轨道车辆牵引系统漏电流检测方法、装置及轨道车辆
技术领域
本发明涉及低压电器技术领域，尤其涉及一种轨道车辆牵引系统漏电流检测方法、装置及轨道车辆。
背景技术
近年来，轨道车辆牵引系统中的传动部件，如牵引电机的轴承，联轴节等，出现疑似电蚀损伤问题。传动部件发生电蚀损伤后，其接触面不再平滑，会加剧机械磨损，导致其加速失效，严重影响轨道车辆运行安全和稳定性。
经分析，传动部件发生电蚀损伤的原因在于：牵引电机供电电源存在不平衡谐波，电机内部具有耦合杂散电容等。这会导致牵引电机转轴两端感应出电势差，形成类似电压源，在牵引电机内部以及外部形成漏电流回路。
现有技术中评估牵引系统漏电流的方法，主要是通过对电机电磁仿真分析或者电机实验室进行轴承漏电流测试。
但单纯的理论仿真分析可能存在较大偏差。而电机实验室测试与轨道车辆上的实际应用环境差异较大，无法真实模拟轨道车辆的运营环境条件，并且对于联轴节漏电流的研究很少。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种轨道车辆牵引系统漏电流检测方法、装置及轨道车辆。
本发明实施例提供一种轨道车辆牵引系统漏电流检测方法，包括：
根据轨道车辆牵引系统中的部件的实时工况，确定漏电流回路等效电路模型中的电气元件的参数值；其中，所述漏电流回路等效电路模型用于描述轨道车辆牵引系统中的部件所对应的电气元件以及所述电气元件之间的连接关系；
根据所述电气元件之间的连接关系，确定漏电流回路等效电路模型中的各个回路的电流值之间的换算关系；
检测第一漏电流的值；其中，所述第一漏电流为轨道车辆牵引系统中能够被直接检测到的漏电流；
根据所述第一漏电流的值、所述电气元件的参数值以及所述漏电流回路等效电路模型中的各个回路的电流值之间的换算关系，确定第二漏电流的值；其中，所述第二漏电流为轨道车辆牵引系统中无法被直接检测到的漏电流。
上述技术方案中，所述轨道车辆牵引系统中的部件包括：牵引电机、联轴节、齿轮箱、保护接地电阻和碳刷接触电阻；
相应的，所述漏电流回路等效电路模型，包括：
牵引电机的输入三相电压、牵引电机的三相阻抗、牵引电机内的耦合电容和杂散电容、牵引电机内的轴承所对应的等效电容与等效电阻；
保护接地电阻和碳刷接触电阻；
联轴节所对应的等效电容与等效电阻；
齿轮箱所对应的等效电容。
上述技术方案中，所述根据轨道车辆牵引系统中的部件的实时工况，确定漏电流回路等效电路模型中的电气元件的参数值，包括：
根据直流母线电压以及牵引变流器中的IGBT开关状态，确定牵引电机的输入三相电压的值；
确定牵引电机的三相阻抗的值；
通过仿真实验确定牵引电机内部的耦合电容的值与杂散电容的值；
通过仿真实验确定牵引电机中的轴承所对应的等效电容的值与等效电阻的值；
确定保护接地电阻的值和碳刷接触电阻的值；
通过仿真实验确定联轴节油膜被击穿前联轴节所对应的等效电容的值，通过仿真实验确定联轴节油膜被击穿后联轴节所对应的等效电阻的值；
通过仿真实验确定齿轮箱所对应的等效电容的值。
上述技术方案中，所述漏电流回路等效电路模型中的各个回路的电流值之间的换算关系，包括：
I5(Z5+Z6)＝I4Z4+I7Z7；
I7＝I1+I3+I4；
Figure BDA0002758973170000031
Figure BDA0002758973170000032
I2＝I3+I4+I5；
其中，Z1表示牵引电机内的定子绕组和牵引电机机壳之间的杂散电容的等效阻抗；Z2表示牵引电机内的定子绕组和转子之间的耦合电容的等效阻抗；Z3表示牵引电机内的转子和牵引电机机壳之间的耦合电容的等效阻抗；Z4表示牵引电机内的轴承的等效阻抗；Z5表示联轴节的等效阻抗；Z6表示齿轮箱的等效阻抗；Z7表示保护电阻和碳刷接触电阻串联总阻抗；I1为牵引电机内的定子绕组和牵引电机机壳之间的感应电流；I2为牵引电机内的定子绕组和转子之间的感应电流；I3为牵引电机内的转子和牵引电机机壳之间的感应电流；I4为轴承漏电流，I5为联轴节漏电流；I7是经接地线流入大地的感应电流。
上述技术方案中，所述第一漏电流为联轴节漏电流，所述第二漏电流为轴承漏电流。
上述技术方案中，方法还包括：
确定轨道车辆牵引系统中的漏电流回路，为所述漏电流回路建立漏电流回路等效电路模型。
上述技术方案中，所述确定轨道车辆牵引系统中的漏电流回路，包括：
根据轨道车辆牵引系统的结构以及轨道车辆牵引系统中的部件之间的连接关系，确定轨道车辆牵引系统中的第一漏电流回路与第二漏电回路；其中，
所述第一漏电回路包括：牵引电机转轴、牵引电机内的轴承以及牵引电机机壳；
所述第二漏电回路包括：牵引电机转轴、联轴节、齿轮箱以及大地。
上述技术方案中，所述为所述漏电流回路建立漏电流回路等效电路模型，包括：
在牵引电机内的轴承的油膜被击穿前，将所述轴承等效为电容，在牵引电机内的轴承的油膜被击穿后，将所述轴承等效为电阻；
在联轴节的油膜被击穿前，将所述联轴节等效为电容，在联轴节的油膜被击穿后，将所述联轴节等效为电阻；
将所述齿轮箱等效为电容；
将牵引电机的输入三相电压、牵引电机的三相阻抗、牵引电机内的耦合电容和杂散电容、牵引电机内的轴承所对应的等效电容与等效电阻、联轴节所对应的等效电容与等效电阻、保护接地电阻、碳刷接触电阻以及齿轮箱所对应的等效电容，按照轨道车辆牵引系统中的部件之间的连接关系连接起来，形成漏电流回路等效电路模型。
上述技术方案中，方法还包括：
对轨道车辆牵引系统中的部件处于不同工况下的第一漏电流值和/或第二漏电流值进行比较，获得漏电流的动态变化规律。
本发明第二方面实施例提供一种轨道车辆牵引系统漏电流检测装置，包括：
参数值确定模块，用于根据轨道车辆牵引系统中的部件的实时工况，确定漏电流回路等效电路模型中的电气元件的参数值；其中，所述漏电流回路等效电路模型用于描述轨道车辆牵引系统中的部件所对应的电气元件以及所述电气元件之间的连接关系；
电流值换算关系确定模块，用于根据所述电气元件之间的连接关系，确定漏电流回路等效电路模型中的各个回路的电流值之间的换算关系；
漏电流值检测模块，用于检测第一漏电流的值；其中，所述第一漏电流为轨道车辆牵引系统中能够被直接检测到的漏电流；
漏电流值计算模块，用于根据所述第一漏电流的值、所述电气元件的参数值以及所述漏电流回路等效电路模型中的各个回路的电流值之间的换算关系，确定第二漏电流的值；其中，所述第二漏电流为轨道车辆牵引系统中无法被直接检测到的漏电流。
本发明第三方面实施例提供一种轨道车辆，包括：
本发明第一方面实施例所述的轨道车辆牵引系统漏电流检测装置。
本发明实施例提供的轨道车辆牵引系统漏电流检测方法、装置及轨道车辆根据轨道车辆牵引系统中的部件的实时工况，确定漏电流回路等效电路模型中的电气元件的参数值；根据所述电气元件之间的连接关系，确定漏电流回路等效电路模型中的各个回路的电流值之间的换算关系；检测第一漏电流的值；根据所述第一漏电流的值、所述电气元件的参数值以及所述漏电流回路等效电路模型中的各个回路的电流值之间的换算关系，确定第二漏电流的值，从而能够较为准确地得到轨道车辆牵引系统内的漏电流值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的轨道车辆牵引系统漏电流检测方法的流程图；
图2为本发明实施例中所涉及的轨道车辆牵引系统的结构示意图；
图3为本发明实施例所涉及的牵引电机内部电容耦合关系的示意图；
图4为本发明实施例所涉及的联轴节的结构示意图；
图5为本发明实施例所涉及的联轴节中的齿轮的啮合示意图；
图6为本发明实施例所涉及的漏电流回路等效电路模型的示意图；
图7为图6所示的漏电流回路等效电路模型的等效电路图；
图8为本发明实施例所涉及的牵引系统漏电流测试示意图；
图9为本发明另一实施例提供的轨道车辆牵引系统漏电流检测装置的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的轨道车辆牵引系统漏电流检测方法的流程图，如图1所示，本发明实施例提供的轨道车辆牵引系统漏电流检测方法，包括：
步骤101、根据轨道车辆牵引系统中的部件的实时工况，确定漏电流回路等效电路模型中的电气元件的参数值。
轨道车辆牵引系统是为轨道车辆提供牵引动力的系统，通常包括牵引电机、联轴节、齿轮箱、保护接地电阻和碳刷接触电阻等部件。轨道车辆牵引系统与牵引变流器连接，从牵引变流器获取电能，由牵引电机将电能转换为机械能，进而带动轨道车辆的车轮转到，实现轨道车辆的运动。
在本发明实施例中，漏电流回路是指牵引系统内部的漏电流所形成的回路。根据轨道车辆牵引系统的结构以及轨道车辆牵引系统中的部件之间的连接关系，确定轨道车辆牵引系统中存在两个漏电流回路。
第一漏电流回路为牵引电机内的漏电流回路，该回路包括：牵引电机转轴—牵引电机内的轴承—牵引电机机壳。
第二漏电流回路为牵引电机外的漏电流回路，该回路包括：牵引电机转轴—联轴节—齿轮箱—大地。
图2为本发明实施例中所涉及的轨道车辆牵引系统的结构示意图，如图2所示，所述轨道车辆牵引系统包括：牵引变流器203、牵引电机204、联轴节205以及齿轮箱206；其中，牵引变流器203与牵引电机204连接，牵引电机204的电机轴208依次通过联轴节205、齿轮箱206连接到轨道车辆的车轮207上；牵引变流器203与车轮207分别接地；牵引电机内部具有轴承209、定子210以及转子等部件。在电机轴208上存在有碳刷电阻211。其中的椭圆201表示第一漏电流回路，椭圆202表示第二漏电路回路。
漏电流回路等效电路模型是对漏电流回路做等效处理所得到的模型。在漏电流回路等效电路模型中，根据轨道车辆牵引系统中的部件的电气特性，将其等效为诸如电阻、电感、电容的电气元件，并根据部件间的连接关系，将这些电气元件连接起来。
从原则上说，对于牵引电机内部的绕组阻抗，其电气特性主要表现为感性和阻性，因此等效为电感与电阻的组合。对于电流传递回路中的部件，如果部件通过直接接触传递电流，则主要等效为电阻；如果是非直接接触导电的部件，则等效为电容。
具体的说，漏电流回路涉及牵引电机、齿轮箱、联轴节以及保护接地电阻、碳刷接触电阻等部件。
对于牵引电机，其涉及输入三相电压、三相阻抗、内部的耦合电容和杂散电容、轴承的等效电容与等效电阻。图3为牵引电机内部电容耦合关系的示意图，如图3所示，牵引电机内部的耦合电容和杂散电容具体包括：定子绕组301和牵引电机机壳302之间的杂散电容Cwf、定子绕组301和转子303之间的耦合电容Cwr以及转子和牵引电机机壳302之间的耦合电容Crf。轨道车辆运行过程中，牵引电机的轴承会出现油膜击穿和未击穿两个情况，油膜击穿前，轴承被等效为电容，油膜击穿后，轴承被等效为电阻。
对于联轴节，轨道车辆中的联轴节为鼓形齿式联轴节，其结构如图4所示。当联轴节受到力矩时，其内齿和外齿发生啮合，两齿之间形成润滑油膜，其啮合示意图如图5所示。
当联轴节绝缘油膜未被击穿时，可将内齿、外齿分别等效为电容的两个极板，内齿、外齿间的润滑油看作介质，联轴节等效为电容。联轴节在运转过程中，内齿与外齿的接触面积、最小间隙，绝缘介质等会发生变化，因此联轴节油膜击穿前等效电容为可变电容。
当联轴节绝缘油膜产生电火花击穿后，联轴节内齿外齿间相互啮合，形成齿面接触电阻，主要包含收缩电阻和膜电阻。而在联轴节运动过程中，其齿面啮合状态的改变导致两齿间接触面积、齿间之间的杂质等一直在变化，因此其接触电阻一直在变化，联轴节油膜击穿后等效电阻为可变电阻。
对于齿轮箱，齿轮箱上的大齿轮直接连到钢轨大地，属于漏电流传递回路的末端，其内部齿轮接触关系相对较稳定，因此将齿轮箱各部分等效为定值电容。具体的说，齿轮箱内的等效电容包括：小齿轮转轴和外壳间的等效电容C1、C2；大齿轮转轴和外壳间的等效电容C3、C4；小齿轮和大齿轮之间的等效电容C5。
基于上述分析，可得到漏电流回路所对应的等效电路模型。图6为本发明实施例所涉及的漏电流回路等效电路模型的示意图，如图6所示，图中的区域601代表牵引电机输入三相电流，区域602代表牵引电机，区域603代表接地电阻及碳刷电阻，区域604代表齿轮箱，区域605代表联轴节，606表示牵引电机的阻抗，607表示牵引电机内的轴承的阻抗。
具体的说，Ua、Ub、Uc为牵引电机三相输入电压；Ia、Ib、Ic为牵引电机的三相输入电流；La、Lb、Lc、Ra、Rb、Rc为牵引电机的等效输入阻抗；Ucom为共模电压；Cwf为定子绕组和牵引电机机壳之间的杂散电容；Cwr为定子绕组和转子之间的耦合电容；Crf为转子和电机机壳之间的耦合电容；Cz为轴承油膜击穿前的等效电容；Rz为轴承油膜击穿后的等效电阻(可变电阻)；S1和S2为轴承状态切换开关，击穿前S1闭合、S2断开，击穿后S1断开、S2闭合；Rt和Rd分别为接地电阻和碳刷接触电阻；Cg为联轴节油膜击穿前的等效电容(可变电容)；Rg为联轴节油膜击穿后等效电阻(可变电阻)；S3和S4为联轴节状态切换开关，击穿前S3闭合、S4断开，击穿后S3断开、S4闭合；C1、C2为小齿轮转轴和外壳间的等效电容；C3、C4为大齿轮转轴和外壳间的等效电容；C5为小齿轮和大齿轮之间的等效电容。
从图6所示的漏电流回路所对应的等效电路模型可以看到，该模型同时包含了牵引电机内的漏电流回路以及牵引电机外的漏电流回路。漏电流回路等效电路模型可以确定漏电流回路中各个部件所对应的电气元件(如电容、电感、电阻等)有哪些，但无法确定对应电气元件的参数值的大小。因此在本步骤中还需要确定参数值的大小。
下面分别予以说明。
一、牵引电机
a、牵引电机输入三相电压
牵引电机从交—直—交高频逆变器获得电能，因此交—直—交高频逆变器的输出三相电压也就是牵引电机的输入三相电压，牵引电机的输入三相电压Ua、Ub和Uc与直流母线电压Ud之间满足如下关系：
Figure BDA0002758973170000091
因此在测得直流母线电压与牵引变流器中的IGBT开关状态的情况下，可以通过上述的关系式计算得到牵引电机的输入三相电压。
b、牵引电机的三相阻抗
牵引电机的三相阻抗与电机本身结构尺寸参数、材料、电机额定电压等参数有关。对于厂家给予了三相阻抗的牵引电机，可直接采用厂家的参考阻抗值。在没有参考阻抗值时，可采用计算法和试验法求解牵引电机的三相阻抗。
计算法为根据电机绕组材料、尺寸和计算公式求解等效等效电阻和电感；试验法为对牵引电机进行测试，再根据实际测量出的测试电流和测试功率计算出阻抗参数。
上述计算法与试验法为本领域技术人员的公知常识，因此不在此处重复。
c、牵引电机内部的耦合电容和杂散电容
牵引电机内部的耦合电容和杂散电容主要与两带电极板间的有效距离、有效正对面积、介质的介电常数有关。其计算方法如下：
首先，利用诸如Solidworks的建模软件建立牵引电机二维模型或牵引电机三维模型，并将所建立的模型导入诸如Maxwell的有限元电磁场分析软件中。
接着，设置牵引电机各个部分的材料，并将各部分之间的空隙用相应介质填充；以及，设置牵引电机的边界条件，包括旋转周期边界条件、零电势边界条件、测验电势边界条件以及自然边界条件等。
最后，根据绕组的实际结构，将定子机壳视为参考电极，给定子绕组和转子施加电压激励，通过计算静电储能，获得定子绕组和牵引电机机壳之间的杂散电容Cwf、定子绕组和转子之间的耦合电容Cwr以及转子和牵引电机机壳之间的耦合电容Crf。
d、牵引电机中的轴承的等效电容与等效电阻
牵引电机中的轴承的等效电容与润滑油脂粘度、温度、几何结构、介电常数等参数有关。
牵引电机中的轴承的等效电阻主要与轴承本身的材料(密度、电阻率等)以及尺寸有关。
在本发明实施例中，通过理论分析与电磁场有限元计算结合的方式求解轴承的等效电容。具体包括：
d-1、轴承中的润滑油膜为弹性流体动压膜，可根据弹性流体动力润滑理论，计算载荷区滚珠处油膜中心厚度，其计算公式如下：
Figure BDA0002758973170000101
其中，Qmax表示受载荷最大的滚动体负荷，μ表示滚动体平均转速，Rx表示径向当量曲率半径，K表示应力面积的椭圆率，E表示钢的弹性模量，η表示润滑脂的动力粘度。
d-2、以滚珠球面与滚道的圆环面作为极板，以中心油膜厚度为电容极板距离，利用Solidworks等软件建立等效电容模型，导入到诸如Maxwell的仿真软件中，设置好材料和边界条件。
d-3、应用Maxwell的静电场求解器中进行分析，将其中一个极板视做参考电极，施加激励，求解电位满足的静电场泊松方程：
Figure BDA0002758973170000111
其中，x为二维坐标系中的横向长度，y为二维坐标系中的纵向长度，
Figure BDA0002758973170000112
为电位。
通过计算静电储能，获得轴承等效电容。
二、保护接地电阻和碳刷接触电阻
保护接地电阻和碳刷接触电阻的电阻值可参考设计参数，若设计参数不准确或无法获得设计参数，也可直接测量获得。
三、联轴节
联轴节油膜击穿前，联轴节的等效电容主要与两齿间相对面积、两齿间距离、润滑油脂粘度、两齿间绝缘介质等参数有关。联轴节油膜击穿后，联轴节的等效电阻主要与两齿间接触面积、联轴节尺寸、材料等因素有关。
假设联轴节一端外齿齿数为Z，啮合齿的齿数为ZN，在额定载荷下，一端啮合齿的齿数ZN≈Z/2，即联轴节一端只形成了ZN个电容。假设一对内齿和外齿形成的电容为Cm，则一端齿轮电容Cg1为：
Cg1＝ZNCm。
联轴节两端等效电容串联，构成联轴节在运行过程中的等效电容Cg：
Cg＝Cg1/2。
设定联轴节内齿外齿啮合过程中其接触面积为Shz，根据Hertz弹性接触理论，刚开始接触时为点接触，受到载荷作用变为椭圆形接触，设其椭圆形润滑油膜长轴长度为a、短轴长度为b、厚度为dhz，则：
b＝v[3Qη/(2∑ρ)]1/3；
a＝u[3Qη/(2∑ρ)]1/3；
其中，u、v为与接触椭圆有关的无量纲参数，Q为所受到的径向载荷，Σρ为接触处主曲率之和，η为与内齿外齿泊松比以及弹性模量相关的参数。
Shz＝πab。
联轴节一对内齿外齿啮合等效电容Cm为：
Figure BDA0002758973170000121
其中，εr是介质的介电常数，k是常数。
联轴节油膜击穿前，联轴节等效电容的计算流程为：
f-1、根据轨道车辆中使用的联轴节的尺寸参数、运动参数，在诸如Solidworks的建模软件中建立联轴节模型；
f-2、结合联轴节中的油膜的粘度特性，分析内外齿接触面积以及最小间距变化规律；
f-3、将联轴节模型导入诸如Maxwell的仿真软件中，在两外齿轮施加不同电压，仿真出内外齿间的电场分布，进而分析出联轴节在运行过程中的等效电容。
联轴节油膜击穿后，联轴节等效电阻的计算流程为：
g-1、结合联轴节油膜击穿后的联轴节结构和运动参数特性，在诸如Solidworks的建模软件中建立联轴节油膜击穿后的模型；
g-2、根据联轴节内外齿间啮合状态，分析齿面接触面积变化规律；
g-3、将联轴节油膜击穿后的模型导入到诸如Maxwell的仿真软件中，设置好各部分的材料和边界条件；
g-4、在联轴节上施加电压激励，并利用静电场求解其电流响应，仿真联轴节在相同电压激励下，电流响应变化情况，进而计算出击穿后等效电阻变化情况。
四、齿轮箱
齿轮箱间存在着5种耦合电容，即：小齿轮转轴和外壳间的等效电容C1、C2；大齿轮转轴和外壳间的等效电容C3、C4；小齿轮和大齿轮之间的等效电容C5；根据齿轮箱相关结构和运动关系建立三维模型，导入诸如Maxwell的仿真软件中，在齿轮上施加不同电压，仿真出内齿外齿间电场分布，进而分析出前述的等效电容C1、C2、C3、C4以及C5。
根据上述等效电容C1、C2、C3、C4以及C5，可计算出齿轮箱的整体电容C6，其计算公式为：
Figure BDA0002758973170000122
在确定漏电流回路等效电路模型中与牵引电机、齿轮箱、联轴节以及保护接地电阻、碳刷接触电阻等部件相对应的电气元件的参数后，需要进一步计算漏电流回路中各个电流之间的关系式。
步骤102、根据所述电气元件之间的连接关系，确定漏电流回路等效电路模型中的各个回路的电流值之间的换算关系。
漏电流回路等效电路模型中包括有多个回路，各个回路内流经的电流的大小并不相同。根据模型中各个电气元件之间的连接关系，可以得到漏电流回路等效电路模型中的各个回路的电流值之间的换算关系。
在确定电流值的换算关系之前，首先对漏电流回路等效电路模型进行分析，生成等效电路图。
考虑到轨道车辆运行过程中，轴承会出现油膜击穿和未击穿两个情况，联轴节也会出现油膜击穿和未击穿两种情况，因此在进行电路分析时，各部分都用阻抗表示。
图7为图6所示的漏电流回路等效电路模型的等效电路图，如图7所示，图中的Ucom表示电机共模电压；Z1表示定子绕组和牵引电机机壳之间的杂散电容Cwf的等效阻抗，其大小为
Figure BDA0002758973170000131
其中J为复数中的符号，W＝2πf，其中，f表示频率；Z2表示定子绕组和转子之间的耦合电容Cwr的等效阻抗，其大小为
Figure BDA0002758973170000132
Z3表示转子和牵引电机机壳之间的耦合电容Crf的等效阻抗，其大小为
Figure BDA0002758973170000133
Z4表示轴承的等效阻抗；Z5表示联轴节的等效阻抗；Z6表示齿轮箱的等效阻抗，其大小为
Figure BDA0002758973170000134
Z7表示保护电阻和碳刷接触电阻串联总阻抗，其大小为R1＝Rt+Rd。
I1、I2、I3、I4、I5、I7分别为通过相应阻抗的电流大小；具体的说，I1是定子绕组和牵引电机机壳之间的感应电流；I2是定子绕组和转子之间的感应电流；I3是转子和牵引电机机壳之间的感应电流；I4为轴承漏电流，I5为联轴节漏电流；I7是经接地线流入大地的感应电流。
由电路原理可得：
I5(Z5+Z6)＝I4Z4+I7Z7；
I7＝I1+I3+I4；
Figure BDA0002758973170000141
Figure BDA0002758973170000142
I2＝I3+I4+I5。
在上述的电流计算公式中，由于Z1-Z7在之前已经计算完成，因此只要计算测试其中的某些电流值，就可以得到其余的电流值。
步骤103、检测第一漏电流的值。
牵引电机安装在轨道车辆上之后，由于安装位置、机械结构等外部因素的影响，有些部件的漏电流可以通过漏电流传感器直接测量得到，在本发明实施例中，将这些漏电流称为第一漏电流。有些部件的漏电流无法通过漏电流传感器直接测量得到，需要借助前述漏电流回路等效电路模型中的漏电流之间的关系式计算得到，在本发明实施例中，将这些漏电流称为第二漏电流。
例如，牵引电机传动端与联轴节之间的间隔较小，不具备用于固定传感器的位置，因此无法安装漏电流传感器。而联轴节与齿轮箱之间有间隙可以利用，且齿轮箱端盖上的螺栓孔可以用于固定传感器。因此，最佳的传感器安装点为联轴节与齿轮箱之间，利用端盖上螺栓进行固定。在这一安装点所能检测到的电流为联轴节漏电流，因此联轴节漏电流为第一漏电流。
图8为本发明实施例所涉及的牵引系统漏电流测试示意图，参考图8，具体的说，在进行测试时，可在轨道车辆上安装牵引电机输入相电流传感器、联轴节漏电流传感器以及接地电流传感器，从而直接测得牵引电机输入三相电流801、联轴节漏电流802、牵引电机接地电流803。
与图7进行对照可以知道，联轴节漏电流802也就是图7中的I5；牵引电机接地电流803也就是图7中的I7。结合前述的电流计算公式可以知道，在Z1-Z7已知，I5和I7可以测量得到的前提下，I1、I2、I3和I4可以通过计算公式计算得到。
在测试时，可在轨道车辆的不同工况下获得多次测试电流数据，如不同加速过程、匀速过程、减速过程等。
在得到测试电流数据之后，可对测试电流数据进行滤波处理、频谱变换、相关分析，得出相电流、联轴节漏电流、接地电流的幅值频率分布情况，以及彼此之间的相关性。具体包括：
在时域分析方面，对电机三相电流幅值、相位进行计算，联轴节漏电流幅值、接地电流幅值进行计算，根据不同的工况作趋势关系对比分析；
在频域分析方面，对所有的相电流和漏电流、接地电流作频谱计算，将所有频率点和对应的幅值进行统计，计算各频率成份的占比关系，根据不同的工况作趋势关系对比分析；
在相关性分析方面，对比牵引电机输入相电流与漏电流的主频峰值关系，以及与工况的对应关系，分析联轴节漏电流主频成分的相关因素。
步骤104、根据所述第一漏电流的值、所述电气元件的参数值以及所述漏电流回路等效电路模型中的各个回路的电流值之间的换算关系，确定第二漏电流的值。
在之前的步骤中，已经检测得到第一漏电流的值，已经通过仿真、测试等多种方式得到电气元件的参数值，也已经得到了漏电流回路等效电路模型中的各个回路的电流值之间的换算关系，因此，可以计算出第二漏电流的值。
一种典型的第二漏电流为轴承漏电流，根据电流值之间的如下换算关系：
I5(Z5+Z6)＝I4Z4+I7Z7；
I7＝I1+I3+I4；
Figure BDA0002758973170000151
Figure BDA0002758973170000152
I2＝I3+I4+I5。
由于Z1-Z7(即电气元件的参数值)在之前已经计算完成，联轴节漏电流I5、牵引电机接地电流I7在步骤103中可直接测量得到，因此基于上述公式可以计算出轴承漏电流I4。采用类似的方法，还可以进一步计算出定子绕组和牵引电机机壳之间的感应电流I1；定子绕组和转子之间的感应电流I2；转子和牵引电机机壳之间的感应电流I3。
本发明实施例提供的轨道车辆牵引系统漏电流检测方法根据轨道车辆牵引系统中的部件的实时工况，确定漏电流回路等效电路模型中的电气元件的参数值；根据所述电气元件之间的连接关系，确定漏电流回路等效电路模型中的各个回路的电流值之间的换算关系；检测第一漏电流的值；根据所述第一漏电流的值、所述电气元件的参数值以及所述漏电流回路等效电路模型中的各个回路的电流值之间的换算关系，确定第二漏电流的值，从而能够较为准确地得到轨道车辆牵引系统内的漏电流值。
基于上述任一实施例，在本发明实施例中，方法还包括：
确定轨道车辆牵引系统中的漏电流回路，为所述漏电流回路建立漏电流回路等效电路模型。
在本发明的前一实施例中，漏电流回路等效电路模型是预先设置的。在本发明实施例中，对该模型的创建过程进行说明。
首先，根据轨道车辆牵引系统的结构以及轨道车辆牵引系统中的部件之间的连接关系，确定轨道车辆牵引系统中的第一漏电流回路与第二漏电回路。
具体的说，第一漏电回路包括：牵引电机转轴、牵引电机内的轴承以及牵引电机机壳；
第二漏电回路包括：牵引电机转轴、联轴节、齿轮箱以及大地。
接着，基于已确定的漏电流回路，建立对应的漏电流回路等效电路模型。
在建立漏电流回路等效电路模型时，需要将漏电流回路中的部件等效为相应类型的电气元件。
具体的说，在牵引电机内的轴承的油膜被击穿前，将所述轴承等效为电容，在牵引电机内的轴承的油膜被击穿后，将所述轴承等效为电阻；
在联轴节的油膜被击穿前，将所述联轴节等效为电容，在联轴节的油膜被击穿后，将所述联轴节等效为电阻；
将所述齿轮箱等效为电容。
将牵引电机的输入三相电压、牵引电机的三相阻抗、牵引电机内的耦合电容和杂散电容、牵引电机内的轴承所对应的等效电容与等效电阻、联轴节所对应的等效电容与等效电阻、保护接地电阻、碳刷接触电阻以及齿轮箱所对应的等效电容，按照轨道车辆牵引系统中的部件之间的连接关系连接起来，形成漏电流回路等效电路模型。
本发明实施例提供的轨道车辆牵引系统漏电流检测方法通过为漏电流回路建立漏电流回路等效电路模型，进而根据轨道车辆牵引系统中的部件的实时工况，确定漏电流回路等效电路模型中的电气元件的参数值；根据所述电气元件之间的连接关系，确定漏电流回路等效电路模型中的各个回路的电流值之间的换算关系；检测第一漏电流的值；根据所述第一漏电流的值、所述电气元件的参数值以及所述漏电流回路等效电路模型中的各个回路的电流值之间的换算关系，确定第二漏电流的值，从而能够较为准确地得到轨道车辆牵引系统内的漏电流值。
基于上述任一实施例，在本发明实施例中，方法还包括：
对轨道车辆牵引系统中的部件处于不同工况下的第一漏电流值和/或第二漏电流值进行比较，获得漏电流的动态变化规律。
在本发明之前的实施例中，已经对如何检测第一漏电流值以及计算第二漏电流值的过程做了说明。
在本发明实施例中，可以改变轨道车辆牵引系统中的部件的实时工况，即改变电路模型中的参数，如改变联轴节接触关系(啮合面积、偏转角度等)，其等效电容电阻参数随之改变，重新进行各回路电流关系计算，则可获得联轴节参数变化带来的漏电流变化关系，以此类推，可获得不同状态下漏电流的动态变化规律。
本发明实施例提供的轨道车辆牵引系统漏电流检测方法通过对不同工况下漏电值的检测与计算，获得不同状态下漏电流的动态变化规律。
基于上述任一实施例，图9为本发明另一实施例提供的轨道车辆牵引系统漏电流检测装置的示意图，如图9所示，该装置包括：
参数值确定模块901，用于根据轨道车辆牵引系统中的部件的实时工况，确定漏电流回路等效电路模型中的电气元件的参数值；其中，所述漏电流回路等效电路模型用于描述轨道车辆牵引系统中的部件所对应的电气元件以及所述电气元件之间的连接关系；
电流值换算关系确定模块902，用于根据所述电气元件之间的连接关系，确定漏电流回路等效电路模型中的各个回路的电流值之间的换算关系；
漏电流值检测模块903，用于检测第一漏电流的值；其中，所述第一漏电流为轨道车辆牵引系统中能够被直接检测到的漏电流；
漏电流值计算模块904，用于根据所述第一漏电流的值、所述电气元件的参数值以及所述漏电流回路等效电路模型中的各个回路的电流值之间的换算关系，确定第二漏电流的值；其中，所述第二漏电流为轨道车辆牵引系统中无法被直接检测到的漏电流。
本发明实施例提供的轨道车辆牵引系统漏电流检测装置根据轨道车辆牵引系统中的部件的实时工况，确定漏电流回路等效电路模型中的电气元件的参数值；根据所述电气元件之间的连接关系，确定漏电流回路等效电路模型中的各个回路的电流值之间的换算关系；检测第一漏电流的值；根据所述第一漏电流的值、所述电气元件的参数值以及所述漏电流回路等效电路模型中的各个回路的电流值之间的换算关系，确定第二漏电流的值，从而能够较为准确地得到轨道车辆牵引系统内的漏电流值。
基于上述任一实施例，在本发明另一实施例中，还提供了一种轨道车辆，包括：
轨道车辆牵引系统漏电流检测装置。
本发明实施例提供的轨道车辆根据轨道车辆牵引系统中的部件的实时工况，确定漏电流回路等效电路模型中的电气元件的参数值；根据所述电气元件之间的连接关系，确定漏电流回路等效电路模型中的各个回路的电流值之间的换算关系；检测第一漏电流的值；根据所述第一漏电流的值、所述电气元件的参数值以及所述漏电流回路等效电路模型中的各个回路的电流值之间的换算关系，确定第二漏电流的值，从而能够较为准确地得到轨道车辆牵引系统内的漏电流值。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (11)

1.一种轨道车辆牵引系统漏电流检测方法，其特征在于，包括：
根据轨道车辆牵引系统中的部件的实时工况，确定漏电流回路等效电路模型中的电气元件的参数值；其中，所述漏电流回路等效电路模型用于描述轨道车辆牵引系统中的部件所对应的电气元件以及所述电气元件之间的连接关系；
根据所述电气元件之间的连接关系，确定漏电流回路等效电路模型中的各个回路的电流值之间的换算关系；
检测第一漏电流的值；其中，所述第一漏电流为轨道车辆牵引系统中能够被直接检测到的漏电流；
根据所述第一漏电流的值、所述电气元件的参数值以及所述漏电流回路等效电路模型中的各个回路的电流值之间的换算关系，确定第二漏电流的值；其中，所述第二漏电流为轨道车辆牵引系统中无法被直接检测到的漏电流。
2.根据权利要求1所述的轨道车辆牵引系统漏电流检测方法，其特征在于，所述轨道车辆牵引系统中的部件包括：牵引电机、联轴节、齿轮箱、保护接地电阻和碳刷接触电阻；
相应的，所述漏电流回路等效电路模型，包括：
牵引电机的输入三相电压、牵引电机的三相阻抗、牵引电机内的耦合电容和杂散电容、牵引电机内的轴承所对应的等效电容与等效电阻；
保护接地电阻和碳刷接触电阻；
联轴节所对应的等效电容与等效电阻；
齿轮箱所对应的等效电容。
3.根据权利要求2所述的轨道车辆牵引系统漏电流检测方法，其特征在于，所述根据轨道车辆牵引系统中的部件的实时工况，确定漏电流回路等效电路模型中的电气元件的参数值，包括：
根据直流母线电压以及牵引变流器中的IGBT开关状态，确定牵引电机的输入三相电压的值；
确定牵引电机的三相阻抗的值；
通过仿真实验确定牵引电机内部的耦合电容的值与杂散电容的值；
通过仿真实验确定牵引电机中的轴承所对应的等效电容的值与等效电阻的值；
确定保护接地电阻的值和碳刷接触电阻的值；
通过仿真实验确定联轴节油膜被击穿前联轴节所对应的等效电容的值，通过仿真实验确定联轴节油膜被击穿后联轴节所对应的等效电阻的值；
通过仿真实验确定齿轮箱所对应的等效电容的值。
4.根据权利要求3所述的轨道车辆牵引系统漏电流检测方法，其特征在于，所述漏电流回路等效电路模型中的各个回路的电流值之间的换算关系，包括：
I5(Z5+Z6)＝I4Z4+I7Z7；
I7＝I1+I3+I4；
Figure FDA0002758973160000021
Figure FDA0002758973160000022
I2＝I3+I4+I5；
其中，Z1表示牵引电机内的定子绕组和牵引电机机壳之间的杂散电容的等效阻抗；Z2表示牵引电机内的定子绕组和转子之间的耦合电容的等效阻抗；Z3表示牵引电机内的转子和牵引电机机壳之间的耦合电容的等效阻抗；Z4表示牵引电机内的轴承的等效阻抗；Z5表示联轴节的等效阻抗；Z6表示齿轮箱的等效阻抗；Z7表示保护电阻和碳刷接触电阻串联总阻抗；I1为牵引电机内的定子绕组和牵引电机机壳之间的感应电流；I2为牵引电机内的定子绕组和转子之间的感应电流；I3为牵引电机内的转子和牵引电机机壳之间的感应电流；I4为轴承漏电流，I5为联轴节漏电流；I7是经接地线流入大地的感应电流。
5.根据权利要求1所述的轨道车辆牵引系统漏电流检测方法，其特征在于，所述第一漏电流为联轴节漏电流，所述第二漏电流为轴承漏电流。
6.根据权利要求1至5任一项所述的轨道车辆牵引系统漏电流检测方法，其特征在于，方法还包括：
确定轨道车辆牵引系统中的漏电流回路，为所述漏电流回路建立漏电流回路等效电路模型。
7.根据权利要求6所述的轨道车辆牵引系统漏电流检测方法，其特征在于，所述确定轨道车辆牵引系统中的漏电流回路，包括：
根据轨道车辆牵引系统的结构以及轨道车辆牵引系统中的部件之间的连接关系，确定轨道车辆牵引系统中的第一漏电流回路与第二漏电回路；其中，
所述第一漏电回路包括：牵引电机转轴、牵引电机内的轴承以及牵引电机机壳；
所述第二漏电回路包括：牵引电机转轴、联轴节、齿轮箱以及大地。
8.根据权利要求7所述的轨道车辆牵引系统漏电流检测方法，其特征在于，所述为所述漏电流回路建立漏电流回路等效电路模型，包括：
在牵引电机内的轴承的油膜被击穿前，将所述轴承等效为电容，在牵引电机内的轴承的油膜被击穿后，将所述轴承等效为电阻；
在联轴节的油膜被击穿前，将所述联轴节等效为电容，在联轴节的油膜被击穿后，将所述联轴节等效为电阻；
将所述齿轮箱等效为电容；
将牵引电机的输入三相电压、牵引电机的三相阻抗、牵引电机内的耦合电容和杂散电容、牵引电机内的轴承所对应的等效电容与等效电阻、联轴节所对应的等效电容与等效电阻、保护接地电阻、碳刷接触电阻以及齿轮箱所对应的等效电容，按照轨道车辆牵引系统中的部件之间的连接关系连接起来，形成漏电流回路等效电路模型。
9.根据权利要求1至5任一项所述的轨道车辆牵引系统漏电流检测方法，其特征在于，方法还包括：
对轨道车辆牵引系统中的部件处于不同工况下的第一漏电流值和/或第二漏电流值进行比较，获得漏电流的动态变化规律。
10.一种轨道车辆牵引系统漏电流检测装置，其特征在于，包括：
参数值确定模块，用于根据轨道车辆牵引系统中的部件的实时工况，确定漏电流回路等效电路模型中的电气元件的参数值；其中，所述漏电流回路等效电路模型用于描述轨道车辆牵引系统中的部件所对应的电气元件以及所述电气元件之间的连接关系；
电流值换算关系确定模块，用于根据所述电气元件之间的连接关系，确定漏电流回路等效电路模型中的各个回路的电流值之间的换算关系；
漏电流值检测模块，用于检测第一漏电流的值；其中，所述第一漏电流为轨道车辆牵引系统中能够被直接检测到的漏电流；
漏电流值计算模块，用于根据所述第一漏电流的值、所述电气元件的参数值以及所述漏电流回路等效电路模型中的各个回路的电流值之间的换算关系，确定第二漏电流的值；其中，所述第二漏电流为轨道车辆牵引系统中无法被直接检测到的漏电流。
11.一种轨道车辆，其特征在于，包括：
权利要求10所述的轨道车辆牵引系统漏电流检测装置。
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