CN113687272A - 一种电动汽车无线充电供电电缆故障定位方法 - Google Patents

一种电动汽车无线充电供电电缆故障定位方法 Download PDF

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裴文杰
李强
韩晨
武书琪
张国奇
张翔
张大上
刘嘉明
马建行
陈泽
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    • G01R31/58—Testing of lines, cables or conductors

Abstract

本发明公开了一种电动汽车无线充电供电电缆故障定位方法，其特征在于，注入幅值为±24V、频率为5Hz的周期方波信号于电动汽车无线充电供电母线中,使用剩余电流互感器收集多路无线充电支路线缆中的剩余电流，提取出剩余电流中的5Hz注入信号分量，同步通过采样电阻采集注入电压信号，将注入电压信号作为参考信号，对提取后的各个支路的电流信号依次进行矢量运算。可以依次计算出各个线缆支路当前绝缘电阻和对待分布电容的大小，本发明运用矢量计算的方式，避免了因为对地分布电容影响导致故障支路误判的问题。本发明适用于电动汽车动态无线充电和停车场电动汽车静态无线充电地下线缆的绝缘故障定位。

Description

一种电动汽车无线充电供电电缆故障定位方法
技术领域
本发明涉及电动汽车无线充电供电电缆，特别涉及一种电动汽车无线充电供电电缆故障定位方法。
背景技术
近年来，电动汽车由于其环境污染小、噪音低、效率高、结构简单等特点，受到国家的大力扶持，在市场上的占比越来越高，不过目前有很多问题掣肘着电动汽车的发展，其中充电问题已成为限制电动汽车发展的瓶颈之一。无线充电技术可以解决传统充电所面临的充电基础设施局限和安全问题，并引起研究者的高度重视，逐渐成为电动汽车充电的主要模式。
电动汽车无线充电分为静态无线充电和动态充电两种模式，静态无线充电中停车场可以为停泊的多辆电动汽车进行无线充电，动态无线充电为行驶中的车辆进行无线充电，需要多个发射单元，且发射单元之间是并联连接。这两种模式都需要将连接各个发射单元的线缆深埋地下，随着时间推移，这些线缆可能会老化、腐蚀，从而线缆对地绝缘强度下降，有必要实时检测各个支路线缆的绝缘状况，从而避免因线缆绝缘状况变差而造成的损失。
电动汽车无线充电线缆绝缘故障定位相关的文献很少，其他文献中有不少关于类似绝缘故障定位的方法，以下通过一些文献说明当前针对电动汽车无线充电线缆绝缘故障定位的研究现状。
文献《基于注入信号的舰船交流电网绝缘故障定位新方法》(陈亮，沈兵，张晓锋，低压电器，2012.No,17,1001-5531(2012)17-0013-05)中提出一种定位方法，外部注入频率为10Hz的正弦波信号，通过剩余电流互感器同时采集各支路的剩余电流和一路和注入电压同相位的电流信号，先滤除工频电流分量，再将支路剩余电流和参考电流信号相乘，随后只保留直流分量，利用直流分量的值解出各支路的绝缘电阻值。这种方法最大的缺陷在于没有考虑到注入电流大小必须要符合行业标准，所以必须要有限流电阻的存在，一旦有了限流电阻，这种方法就不适用了，通过信号相乘的方式分离不出对地分布电容的影响了。
文献《一种交流IT系统绝缘监测故障定位用信号发生器的设计》(杨涛，电器与能效管理技术，2017.No,11,2095-8188(2017)11-0051-03)中提出往电网信号中注入48V的方波信号，通过漏电流传感器观测每个支路的漏电流大小来确定每个支路的绝缘电阻大小。这种方法最大的缺陷在于线缆对地分布电容大小也会影响漏电流大小，所以对于某些对地电容较大的支路来说，并不能正确的反映出支路绝缘电阻的大小。
文献《交流注入法ITN船舶岸电系统在线绝缘阻抗监测及故障定位》(张健鹏，李绍鹏，祁康，王传斌，张群峰，黄红生，船电技术，Vol.40，No.10，2010.10，1003-4862(2020)10-0019-03)中提出一种故障选线的方法，通过变压器中性点注入低频信号，在每根并联电缆首尾端各套一个电流互感器，通过检测电缆故障后注入信号所引起的电流传感器的数值变化，比较每一根电缆故障前后传感器数值变化之和，变化值之和最大的那一根电缆为故障电缆。这种方法最大的缺陷还是无法排除支路对地电容的影响，有可能会造成误判。
文献《基于AMP测量法的低压绝缘监测与故障定位系统应用》(王新亮，电工技术，DOI：10.19768/j.cnki.dgjs.2020.02.019)中提出了一种故障定位的方法，注入自适应的脉冲信号，脉冲宽度和对地电容的大小有关系，原理是注入脉冲的时间比对地电容的充电时间长，从而电容充满电，规避了对地电容的影响，这种方法的主要缺陷是当支路的对地电容较大是，注入时间会非常的长，会很长时间都无法定位出故障支路。
可以看出，目前如何兼顾定位时间和应对电缆的对地分布电容是当前研究的不足，基于以上方法中存在的问题，本发明提出了以下的解决方案，来解决这些问题点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电动汽车无线充电供电电缆故障定位方法，能够实时准确的监测连接供电母线的各个支路供电电缆的绝缘状况，当某一个支路发生绝缘故障或者系统绝缘状况变差时，能够及时定位出发生故障的支路位置，从而节省大量检修时间。
为达上述目的，本发明的技术解决方案为：一种电动汽车无线充电供电电缆绝缘监测系统，通过注入电源往电动汽车无线充电供电母线中注入5Hz的交流±24V方波信号，各个支路线缆相互并联并和母线供电线缆相互连接。当某一支路线缆绝缘强度下降，注入信号可以通过该支路线缆、线缆对地绝缘电阻和限流电阻再回到注入源中。从而这一支路线缆中有和注入信号同频的电流流过，该电流的幅值和相位由该支路线缆对地绝缘电阻和对地分布电容大小决定。通过高精度剩余电流互感器可以测量出该支路中的剩余电流，测得的剩余电流中包含该频率的电流信号。
用剩余电流互感器测得的电流信号包含多个频率成分，先将剩余电流互感器副边的电流信号转化为电压信号，再使用带通滤波器，保留和注入信号同频的电压信号，再对这部分电压信号进行信号放大，使用STM32F407内置AD采样采集该部分电压。
本发明除了使用剩余电流互感器采集各个支路线缆中的剩余电流，还需要通过采样电阻同步采集注入源电压信号，对采集的注入源电压信号也进行带通滤波和信号放大，最后再用AD采样采集该电压。这部分信号是作为参考信号，从而得出各个支路线缆中注入电流的相对相位。
对AD采样后的所有信号都应用傅里叶算法进行滤波，只保留注入频率对应的基波信号值，滤波后再分别求解基波信号对应的幅值和相位，再依次把参考信号和各个支路的电流信号一起进行矢量运算，从而得到各个支路线缆的对地绝缘电阻和对地电容大小。
本发明的有益效果为：
1.本发明通过矢量运算的方法能够不受线缆对地电容大小的影响。
2.本发明能够实时计算出每个支路线缆的绝缘电阻，真实反映各个支路线缆的绝缘状况。
3.本发明由于硬件带通加数字带通双重滤波，不受环境干扰信号影响。
4.本发明计算结果不受外部电网电压大小影响，适用于各个范围内的电网电压。
附图说明
图1是本发明分段式动态无线充电交流母线示意图。
图2是本发明分段式动态无线充电直流母线示意图。
图3是本发明注入法交流母线故障定位等效图。
图4是本发明注入法直流母线故障定位等效图。
图5是本发明故障定位注入源作用等效图。
图6是本发明故障定位实施流程图。
图7是本发明多个支路故障定位流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。
如图1所示，为母线电压为交流电压的分布式动态无线充电网络，电网某一相电压通过两条横向电缆和多个无线充电发射网络相互连接，每个无线充电发射网络之间相互并联，通过线缆和电网交流母线相互连接。如图2所示为母线电压为直流电压的分布式动态无线充电网络，电网电压通过整流装置整流后形成直流高压，高压直流通过母线和多个无线充电发射网络相互连接。图1和图2分别是母线是交流电压和母线时直流电压的情况，两种情况下的绝缘监测原理稍微有一些区别。
图3为图1情况下的绝缘监测原理等效图，其中Ea、Eb、Ec分别为电网的三相母线输入电压，母线和多个支路相互连接，从1#支路到k#支路，以1#支路为例，则Lma1、Lmb1、Lm1c分别为1#支路三相等效电感，Reqa1、Reqb1、Req1c分别为1#支路三相等效负载，S0为可变周期的方波注入信号，频率为5Hz，R1为限流电阻，R0为采样电阻，Rfa1、Rfb1、Rfc1为1#支路三相线缆对地绝缘电阻，Cfa1、Cfb1、Cfc1为1#支路三相线缆对地分布电容，其他支路意义同上。
1#支路三相总的绝缘电阻Rf1为：
Rf1＝Rfa1+Rfb1+Rfc1 (1)
1#支路三相总的分布电容为Cf1为：
Figure BDA0003212216180000041
注入信号为±24V方波信号，当绝缘状况良好时，回路里几乎没有电流通过，当绝缘性能下降时，绝缘电阻值会减小，回路中有电流流过，从而采样电阻上有压降，通过采样电阻上电压大小可以反映各个支路总的绝缘阻抗的大小。
图3中方波注入信号会和母线中的工频交流电流信号及二倍频纹波电流信号叠加在一起，方波信号又可以表示为一系列正弦波信号之和，所以总电流信号可表示为：
Figure BDA0003212216180000042
其中I1为绝缘监测回路总电流，Uac为工频电压幅值，ω0为工频对应的角频率，θ1为工频电压初始相位角，Usq为注入方波的幅值，θ2为注入信号的相位角，Xz为绝缘监测回路总阻抗。
经过剩余电流互感器感应后，副边电流信号转换为电压信号，再经过带通滤波器滤波之后，总电压信号可表示为
Figure BDA0003212216180000051
此时电压信号只剩余注入方波信号对应的基频正弦波信号，式中kop为对应的放大系数。
图4为图2情况下绝缘监测原理等效图，其中VDC为整流之后的直流电压，Lm为输入端等效电感，Req为等效负载，其余符号意义同上，此时方波注入信号和直流信号及工频纹波信号叠加在一起，总电流信号可表示为：
Figure BDA0003212216180000052
其中U2为总电压，Udc为直流电压，Uri为工频纹波电压幅值，θ3为工频电压初始相位角，Usq为注入方波的幅值，θ2为注入信号的相位角，Xz为绝缘监测回路总阻抗。
经过剩余电流互感器感应后，副边电流信号转换为电压信号，再经过带通滤波器滤波之后，总电压信号可表示为
Figure BDA0003212216180000053
式(4)和式(6)表达式相同，可见经过剩余电流互感器及带通滤波器之后，母线为交流和母线为直流的等效电路相同，经过带通滤波器之后的电压信号已经是基频正弦波信号，不过由于经过剩余电流互感器后的信号比较弱，所以为了提升准确度，可对带通滤波之后的信号再次进行傅里叶滤波，提升计算的精确度。
如图5所示为将图3和图4简化后的绝缘监测等效图，由于经过剩余电流互感器和带通滤波之后的直流系统和交流系统等效效果一样，所以此时对于单个支路的绝缘电阻计算来说实际可以等效为图5所示，S0为5Hz的方波注入信号，Rx为R1和R0的总和，Rf和Cf分别为该支路的线缆对地等效地绝缘总电阻和总分布电容，S0信号可等效经过一个n:1的变压器，n是等效折算之后的等效匝比。
则此时存在：
Figure BDA0003212216180000061
UAB为等效变压器副边的电压，Uin为注入电压，UAB和注入信号Uin之间存在着一定的相位差。
如图5所示，采样两路电压信号，分别为UAC、Uin，由于Uin可用UAB表示即为式(8)
Figure BDA0003212216180000062
其中Rx＝R0+R1，由式(8)可得式(9)
则回路中电流为：
Figure BDA0003212216180000063
若绝缘电阻和电容并联支路阻抗为
Figure BDA0003212216180000064
则如式(10)
Figure BDA0003212216180000065
则有式(11)
Figure BDA0003212216180000066
对于并联的绝缘电阻和对地电容有式(12)、(13)、(14)
Figure BDA0003212216180000067
Figure BDA0003212216180000068
Figure BDA0003212216180000069
则并联阻抗|Z|和和阻抗角θ为：
Figure BDA00032122161800000610
tanθ＝-ωRfCf (16)
则可得
Figure BDA0003212216180000071
Figure BDA0003212216180000072
如图6，对于某一个支路，先通过剩余电流互感器采集回路中的剩余电流，再通过采样电阻采集注入电压信号，经过一个带通滤波器，滤除除注入频率以外其他频率的信号，再经过放大电路，调整两路信号至合理的电压区间，通过STM32F407内置的AD采样采集两路电压。
再将采集的两路信号进行傅里叶正变换，进行傅里叶滤波，进一步提升准确度，之后计算两信号此时的幅值和相位，结合式(8)、(9)、(11)、(17)和(18)，可计算得到该直流Rf和Cf的值。
需要注意的是，对于每一个支路来说，采集的一路是电流信号，另一路参考信号为电压信号，两者之间存在一个相位差，即相位角φ，这个角度需要根据实测效果调整。
上述流程为一个负载支路的绝缘电阻和电容的计算周期，对于其他支路的计算方法也是一样的。如图7所示，为多个支路的计算流程图，根据系统总的绝缘电阻值来确定是否需要定位，如果需要定位，则注入指定的5Hz方波信号，再同时通过剩余电流互感器采集多路剩余电流值，要尽量做到同时，并且同时采样注入电压信号，之后依次计算从1#支路到k#支路的采样电流的幅值和相位，依次对这些直流进行矢量计算，当每一个支路计算完都判断一下是否低于设定的绝缘故障值，如果低于该值，则证明该通道发生了绝缘故障，否则是正常，最后输出所有的故障支路的编号。
本发明提出了一种故障定位的方法，克服了传统故障定位只能比较电流大小，无法准确知道每个负载支路具体绝缘电阻值的弊端，同时也克服了因为某些负载支路对地分布电容较大导致的定位错误的问题，本发明在计算时能够运用矢量的方法分离出每个负载支路的绝缘电阻和分布电容值，且计算时间较短，能够实时的进行负载支路的故障定位。

Claims (6)

1.一种电动汽车无线充电供电电缆故障定位系统，其特征在于，可以同时适用于电动汽车无线充电供电电压为直流电压和交流电压时的线缆故障定位，通过注入幅值为±24V、频率5Hz的周期方波电压信号于电动汽车无线充电供电母线电缆中进行多路无线充电支路线缆故障定位。
2.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电供电电缆故障定位系统，其特征在于，使用剩余电流互感器同时收集多路无线充电支路线缆中的剩余电流。
3.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电供电电缆故障定位系统，其特征在于，通过剩余电流互感器采集各个无线充电支路线缆中的剩余电流的同时通过采样电阻采集5Hz的注入电压信号。
4.根据权利要求2所述的电动汽车无线充电供电电缆绝缘监测系统，其特征在于，经过剩余电流互感器的电流信号被转化为电压信号，对转化后的电压信号和采集的注入源电压信号进行带通滤波，滤除除去5Hz注入信号外的其他电压信号，再对电压信号进行放大；用STM32F407内置的AD采样单元采集放大后的电压信号。
5.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电供电电缆绝缘监测系统，其特征在于，对AD采样后的信号进行傅里叶滤波，保留和注入信号同频的5Hz信号，之后对由各路电流信号转化来的电压信号进行相位补偿；相位补偿后，各路经过补偿的信号同采集的注入源电压信号进行矢量运算，矢量运算的结果为各个无线充电支路线缆的绝缘电阻和对地电容。
6.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电供电电缆绝缘监测系统，其特征在于，能够实时计算出各个无线充电支路线缆的绝缘电阻和对地电容，从而客服了对地电容影响导致的故障误判；根据实施计算出的绝缘电阻的大小就可以判断出各个无线充电支路线缆的绝缘状况，能够及时发现支路故障，并准确的进行支路定位。
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