儲能式有軌電車充電電纜漏電檢測方法

胡潤文，張偉先

（中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南株洲 412001）

引言

儲能式有軌電車地面充電系統(tǒng)屬于大功率充電系統(tǒng)，其較高的工作電壓對系統(tǒng)正負(fù)極間的絕緣性能提出了更高的要求。特別是在復(fù)雜的應(yīng)用場景下，一旦輸出充電電纜出現(xiàn)老化現(xiàn)象，導(dǎo)致絕緣性能下降，不僅影響充電系統(tǒng)和車載設(shè)備正常運(yùn)行，還會導(dǎo)致漏電回路產(chǎn)生熱積累效應(yīng)，發(fā)生起火燃燒事故[1]。因此從安全性上考慮，必須增加對充電系統(tǒng)絕緣狀態(tài)的檢測。

本文針對目前儲能式有軌電車地面充電系統(tǒng)中充電電纜絕緣檢測方法的不足，提出一種簡單快速的充電電纜漏電檢測方法。該方法通過計算車載超級電容的電壓上升率，實現(xiàn)對充電系統(tǒng)充電回路狀態(tài)的檢測。該方法無需增加附加電路，僅需在軟件上對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，試驗證明對充電系統(tǒng)無干擾。

1 儲能式有軌電車地面充電方式

儲能式有軌電車?yán)密囕d超級電容作為主動力源，全線無接觸網(wǎng)，車輛在乘客上下車的短時間內(nèi)，通過地面充電裝置進(jìn)行充電。由于車載超級電容具有較大的功率密度，因此充電裝置能在較短的時間內(nèi)將其充滿[2]。如圖1所示，充電系統(tǒng)主要由控制單元、變流單元、輸出熔斷器等組成。充電系統(tǒng)輸出正極通過電纜與充電軌相連，負(fù)極通過電纜與鋼軌相連。車載儲能電源正極與受電器相連，負(fù)極與軸端接地裝置相連。儲能式車輛駛?cè)胪Ｕ緟^(qū)間后，受電器與充電軌接觸，充電系統(tǒng)控制單元通過電壓傳感器檢測到車載儲能電源兩端電壓，充電系統(tǒng)開始為車載儲能電源充電。

2 充電系統(tǒng)漏電等效分析

常規(guī)的直流系統(tǒng)母線絕緣檢測方法有“星矩”橋式檢測方法和“接地”檢測方法[3]。儲能式有軌電車地面充電系統(tǒng)輸出負(fù)極與車輛行走鋼軌等電位。等效來說，正極電纜破損對地放電，相當(dāng)于正負(fù)極電纜之間阻抗減小。如圖2a和圖2b所示，當(dāng)出現(xiàn)上述情況時，正極部分電流會通過大地阻抗回流到負(fù)極，但對于充電系統(tǒng)而言，正極與負(fù)極電流還是相等的，不會有任何電流差，固然也無法通過電流差識別。因此，以上兩種檢測方法（基于絕緣檢測和電流差檢測）均不適用于本系統(tǒng)。

圖1 儲能式有軌電車地面充電示意圖

圖2 正常情況和漏電情況下充電示意圖

3 電容充電理論計算

電容充電原理如圖3所示。

圖3 電容充電原理

設(shè)充電回路輸入端電動勢為ξ，充電的某一時刻電流為I，電容的電量為Q，電容為C，電容兩端電壓為U，電阻值為R，則在此時刻，根據(jù)基爾霍夫定律，整個回路以電流方向為正方向滿足方程[4]

在充電過程中，電容器上的電量Q的增加是電流輸入電荷的結(jié)果，而且在單位時間內(nèi)電量的增加就等于電流，即

電容電壓U與電量Q的關(guān)系為

根據(jù)式(1)～(3)，有

4.2 加強(qiáng)福山大櫻桃的物流設(shè)施建設(shè) 福山大櫻桃的物流基礎(chǔ)設(shè)施是支持福山大櫻桃發(fā)展的基礎(chǔ)，福山目前物流基礎(chǔ)設(shè)施相對比較薄弱，在城市化建設(shè)中迫切需要加強(qiáng)物流基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以及福山大櫻桃物流供應(yīng)鏈規(guī)劃和整合。富山大櫻桃物流供應(yīng)鏈的瓶頸問題需要充分解決。由于福山大櫻桃物流規(guī)模化水平不高，推進(jìn)福山大批發(fā)市場和福山大櫻桃的建設(shè)的一個重要突破點(diǎn)是福山物流管理水平，即從一個宏觀的合理角度來進(jìn)行規(guī)劃和布局。另外，必須繼續(xù)加大對農(nóng)村基礎(chǔ)交通設(shè)施的建設(shè)力度，尤其是加強(qiáng)農(nóng)村公路的建設(shè)和重要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)基地，同時積極引進(jìn)先進(jìn)收割裝置和產(chǎn)品設(shè)備設(shè)施，改善福山大櫻桃冷的鏈運(yùn)輸比例[8]。

4 漏電檢測方法構(gòu)建與分析

4.1 電壓信號采集

充電裝置輸出端正負(fù)極電壓U通過內(nèi)置電阻將電流限制在較小范圍內(nèi)，電流經(jīng)過線圈感應(yīng)出相應(yīng)電動勢，該電動勢經(jīng)過電路調(diào)整后反饋給補(bǔ)償線圈，該補(bǔ)償線圈產(chǎn)生的磁通與原邊電流產(chǎn)生的磁通大小相等、方向相反，此時通過次邊電流來精確測量原邊電壓U。原理圖如圖4所示。

圖4 電壓檢測原理圖

4.2 正常工況輸出電壓變化

充電系統(tǒng)在正常充電的情況下，正極電纜對地絕緣，阻抗無限大，充電系統(tǒng)充電電流與車載儲能電源輸入電流相等[5]；當(dāng)出現(xiàn)正極電纜破損的情況時，正極電纜對地阻抗減小，充電系統(tǒng)輸出電流一部分通過破損處對地放電，產(chǎn)生了漏電流，則充電系統(tǒng)充電電流I為車載儲能電源電流I1與漏電流I2之和，即

儲能式有軌電車車載儲能電源由超級電容串并聯(lián)組成，地面充電裝置通常采用恒流限壓方式充電。根據(jù)超級電容充電特性，車載儲能電源增加的電量Q等于充電系統(tǒng)輸出的電量，即

車載儲能電源電壓上升率k滿足

因此，在充電電流I、電容C一定[6]的情況下，電壓上升率是基本固定在某一個范圍的（車輛負(fù)載消耗電量相對于充電電流可以忽略不計）。

在不存在漏電流的情況下，車載儲能電源兩端電壓會隨著充電電流上升，因此正常情況下，在一段時間內(nèi)（預(yù)設(shè)值dt）的電壓變化為

4.3 異常工況輸出電壓變化

4.4 漏電檢測分析

根據(jù)章節(jié)4.1～4.3的探討，充電裝置控制單元可以通過實時監(jiān)測充電過程中輸出負(fù)載電壓的變化來判斷負(fù)載是否異常。

在相同時間內(nèi)，實際電壓上升值與預(yù)設(shè)值的比值為

充電系統(tǒng)控制單元通過輸出端電壓傳感器檢測得到電壓值U1，一段時間Δt后，再檢測得到電壓值U2，求取差值得出電壓上升值，并計算其與預(yù)期值的比值，即得到k0。

（1）當(dāng)k0≥a時，判定充電系統(tǒng)充電正常，繼續(xù)充電。考慮車輛充電時空調(diào)等輔助系統(tǒng)會消耗一部分能量，因此車載儲能電源電壓變化值會略小于預(yù)期值，臨界值的選取可根據(jù)車輛實際運(yùn)行情況確定。理想情況下a=1，車輛輔助用電和損耗越小，a越接近1。

（2）當(dāng)b＜k0＜a時，判定充電系統(tǒng)輸出端漏電，停止充電并報警。此時有漏電流，但未完全對地短路，因此正極對地存在一定電阻，車載儲能電源實際電壓變化值會小于預(yù)期值。

（3）當(dāng)k0≤b時，判定充電系統(tǒng)輸出端短路，停止充電并報警。此時車載儲能電源電壓變化較小或沒有變化，充電系統(tǒng)輸出端對地短路。在完全對地短路的情況下，車載儲能電源充電電流為0，電壓基本無變化，此時b接近于0。

在以上情況下，a、b的取值應(yīng)根據(jù)實際電流大小、充電時間等來綜合確定。

5 充電系統(tǒng)控制單元數(shù)據(jù)處理

充電系統(tǒng)控制單元在充電啟動后監(jiān)測電壓上升情況，一段時間Δt（預(yù)定值）后，若檢測到電壓上升情況低于預(yù)期，則認(rèn)為存在漏電情況，停止充電輸出，并在顯示屏上提示相應(yīng)故障信息。

充電系統(tǒng)控制單元數(shù)據(jù)處理流程如圖5所示。

圖5 充電系統(tǒng)控制單元數(shù)據(jù)處理流程

6 結(jié)束語

儲能式有軌電車地面充電裝置通常為大功率充電裝置，且一般采用恒流充電方式。本文介紹的漏電檢測方法，能夠在充電電纜破損放電等情況下，快速、簡單地發(fā)現(xiàn)異常情況并報警，防止異常進(jìn)一步擴(kuò)大。同時，該方法完全通過軟件實現(xiàn)，無需增加其他檢測電路，耗費(fèi)成本較低，技術(shù)上也容易實現(xiàn)。