动车组牵引系统接地故障检测方法及装置与流程

本发明属于故障检测技术领域，涉及轨道列车牵引系统接地故障检测技术，具体地说，涉及了一种动车组牵引系统接地故障检测方法及装置。

背景技术：

目前，动车组列车已成为我国高速铁路、快速铁路、城际铁路主力客运列车，在保障国民经济快速发展、促进社会进步和可持续发展方面发挥了巨大作用。牵引系统作为动车组列车的“心脏”，主要负载将接触网上的电能转换为列车的动能，为列车提供牵引动力。牵引系统运行过程中部件的老化、电缆的振动摩擦等可能造成接地故障。若一点接地，对牵引系统的正常工作影响较小，但两点接地或多点接地，会产生很大的短路电流，造成牵引系统组成部件烧损。

现有动车组牵引系统接地故障检测方法主要是根据电压传感器检测的接地电压值与牵引系统正常工作时的电压值比较，若两者差值超过预设值，则判断牵引系统发生接地故障，封锁牵引变流器脉冲，断开列车主断路器。现有接地故障检测方法存在以下问题：

(1)当牵引系统发生接地故障时，无法自动定位接地故障位置，需要人工对牵引系统各设备进行检修，故障处理难度大，周期长。

(2)当牵引系统发生接地故障时，无法根据不同牵引系统设备的接地故障采用不同严重程度的保护动作，保护手段单一。

公告号为106680660b的中国专利公开了一种交流电力机车牵引辅助系统接地故障检测方法，所述方法包括：获取电压传感器检测到的电压，并根据电压传感器检测到的电压判断牵引辅助系统是否发生接地故障；若发生接地故障，则将所述电压传感器检测到的电压与预先存储的接地电压进行匹配，并根据匹配出的接地电压确定对应的接地故障点，其中，所述预先存储的接地电压为所述牵引辅助系统中出现接地故障时接地故障点所对应的接地电压，该发明实现了对接地故障点的快速判定。但该接地检测方法中需要预先将牵引辅助系统中所有可能出现接地故障点所对应的接地电压存储，当匹配出接地电压时，根据接地电压与接地点位的对应关系确定处发生接地故障的位置。因此该方法需要预先存储大量的接地电压数据在本地存储芯片中，占用资源较多，匹配不同接地故障点接地电压的过程相对复杂。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的接地故障位置定位难、保护手段单一等上述不足，提供一种动车组牵引系统接地故障方法及装置，能够快速判定牵引系统接地故障，并能够准确检测到接地故障的发生位置，降低接地故障对牵引系统设备的有害影响。

为了达到上述目的，本发明提供了一种动车组牵引系统接地故障检测方法，含有以下步骤：

s1、实时获取牵引系统的接地电压和中间直流母线电压，计算接地电压平均值和接地故障标志位；

s2、通过判断中间直流母线电压是否大于预设值、接地故障标志位为“1”或“0”和封锁逆变器脉冲后的延时时间，或判断中间直流母线电压是否大于预设值和接地电压平均值与中间直流母线电压的比值是否大于接地故障高门槛值或小于接地故障低门槛值，判断牵引系统发生接地故障的位置，并根据不同接地故障封锁不同脉冲，断开不同接触器或断路器，完成检测。

优选的，步骤s1中，采用fpga计算接地电压平均值和接地故障标志位。

优选的，步骤s2中，判断牵引系统发生接地故障的位置，并根据不同接地故障封锁不同脉冲，断开不同接触器或断路器的具体方法为：

s21、当中间直流母线电压大于预设值时，若接地故障标志位为1并维持t1时间，则认为牵引系统发生接地故障，封锁牵引逆变器脉冲，跳转至步骤s22，否则返回继续判断；当中间直流母线电压大于预设值时，接地故障电压平均值与中间直流母线电压的比值大于接地故障高门槛值并维持t2时间，则认为是牵引变流器内部中间直流母线正极接地故障，封锁牵引变流器和辅助变流器脉冲，断开牵引变流器主接触器和充电接触器，完成检测；当中间直流母线电压大于预设值时，接地故障电压平均值与中间直流母线电压的比值小于接地故障低门槛值并维持t3时间，则认为是牵引变流器内部中间直流母线负极接地故障，封锁牵引变流器和辅助变流器脉冲，断开牵引变流器主接触器和充电接触器，完成检测；

s22、当牵引逆变器脉冲封锁延时t4时间，若接地故障标志位为1并维持t1时间，则封锁辅助逆变器脉冲，跳转至步骤s23；若接地故障标志位为0，则认为牵引电机侧接地，完成检测；

s23、当辅助逆变器封锁延时t5时间，若接地故障标志位为1并维持t1时间，则认为牵引变压器二次侧接地，封锁牵引变流器脉冲，断开列车主断路器vcb，完成检测；若接地故障标志位为0，则认为辅助逆变器高压侧接地，重新启动牵引逆变器脉冲，维持封锁辅助逆变器脉冲，完成检测。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种动车组牵引系统接地故障检测装置，包括：

电压采集单元，用于获取牵引系统的接地电压和中间直流母线电压；

计算模块，用于计算接地电压平均值和接地故障标志位；

判断控制模块，用于根据接地电压平均值、中间直流母线电压、接地故障标志位以及封锁脉冲后延时时间判断牵引系统发生接地故障的位置，并根据不同接地故障封锁不同脉冲，断开不同接触器或断路器。

优选的，所述电压采集单元包括用于检测接地电压的接地电压传感器和用于检测中间直流母线电压的中间直流母线电压传感器。

进一步的，还包括fpga，所述计算模块设于所述fpga内，所述接地电压传感器和中间直流母线电压传感器与所述fpga电连接。

进一步的，还包括处理器，所述判断控制模块设于所述处理器内，所述fpga与所述处理器连接。

优选的，判断控制模块判断出接地故障位置后，分为以下三种保护情况：

若牵引系统发生接地故障，封锁牵引逆变器脉冲，当牵引逆变器脉冲封锁延时t4时间，若接地故障标志位为1并维持t1时间，则封锁辅助逆变器脉冲，当辅助逆变器封锁延时t5时间，若接地故障标志位为1并维持t1时间，则认为牵引变压器二次侧接地，封锁牵引变流器脉冲，断开列车主断路器vcb；若接地故障标志位为0，则认为辅助逆变器高压侧接地，重新启动牵引逆变器脉冲，维持封锁辅助逆变器脉冲；

若牵引变流器内部正极母线接地故障，封锁牵引变流器和辅助变流器脉冲，断开牵引变流器主接触器和充电接触器；

若牵引变流器内部负极母线接地故障，封锁牵引变流器和辅助变流器脉冲，断开牵引变流器主接触器和充电接触器。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明根据中间直流母线电压及计算得到的接地电压平均值与接地故障标志位判断牵引系统是否发生接地故障，当接地故障位为1时，分时封锁牵引逆变器脉冲和辅助逆变器脉冲，通过脉冲封锁前后接地故障是否消失，来逐步判断牵引逆变器和辅助逆变器的可能故障位置，并采取不同程度的保护措施；当接地故障电压平均值与中间直流母线电压的比值超过或低于接地故障门槛值时，可直接判断出牵引变流器正极或负极母线发生接地故障。本发明接地故障检测时无需与预先存储的接地电压进行匹配，即可准确判断处接地故障点发生在变压器二次侧、牵引变流器正负极中间直流母线、辅助逆变器高压侧和电机侧，实现了牵引变流器中所有可能接地故障点的识别，并根据接地故障的严重等级采取不同的保护动作，提高了高速动车组的运营安全，同时提高了动车段检修人员的检修效率，降低了动车组列车维护成本。

(2)本发明采用fpga计算接地故障标志位，快速判断接地电压是否超过正常值，对接地故障检测电路的分压电阻阻值敏感度低，检测复杂度相对较小，检测时间缩短，检测可靠性高。

附图说明

图1为本发明实施例动车组牵引系统接地故障检测方法的流程图；

图2为本发明实施例动车组牵引系统接地故障检测装置的结构框图。

图3为本发明实施例动车组牵引系统的电气原理图；

图4a为本发明实施例未发生接地故障时的接地电压波形图；

图4b为本发明实施例牵引变压器二次侧、牵引电机侧、辅助逆变器高压侧发生接地故障时的接地电压波形图；

图4c为本发明实施例中间直流母线正极发生接地故障时的接地电压波形图；

图4d为本发明实施例中间直流母线负极发生接地故障时的接地电压波形图。

图中，100、牵引变压器，200、牵引变流器，201、四象限整流器，202、牵引逆变器，203、辅助逆变器，204、接地检测电路，205、开关部件电路，300、牵引电机，1、电压采集单元，2、接地电压传感器，3、中间直流母线电压传感器，4、计算模块，5、判断控制模块，6、fpga，7、处理器。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在现有动车组列车牵引系统接地故障检测过程中，当检测到牵引系统发生接地故障时，无法自动定位接地故障位置，且无法根据不同牵引系统设备的接地故障采取不同严重程度的保护动作，保护手段单一。

为了解决上述问题，本发明一实施例提供了一种动车组列车牵引系统故障检测方法，参见图1，其具体步骤为：

s1、获取牵引系统的接地电压和中间直流母线电压，计算接地电压平均值和接地故障标志位。

具体地，采用fpga计算接地电压平均值和接地故障标志位。使用现场可编程门阵列fpga计算接地故障标志位，能够要快速判断接地电压是否超过正常值，对接地故障检测电路的分压电阻阻值敏感度低，检测复杂程度相对较小，有效缩短检测时间，检测可靠性高。

s2、通过判断中间直流母线电压是否大于预设值、接地故障标志位为“1”或“0”和封锁逆变器脉冲后的延时时间，或判断中间直流母线电压是否大于预设值和接地电压平均值与中间直流母线电压的比值是否大于接地故障高门槛值或小于接地故障低门槛值，判断牵引系统发生接地故障的位置，并根据不同接地故障封锁不同脉冲，断开不同接触器或断路器，完成检测。具体地，判断牵引系统发生接地故障的位置，并根据不同接地故障封锁不同脉冲，断开不同接触器或断路器的具体方法为：

s21、当中间直流母线电压大于预设值时，若接地故障标志位为1并维持t1时间，则认为牵引系统发生接地故障，封锁牵引逆变器脉冲，跳转至步骤s22，否则返回继续判断；当中间直流母线电压大于预设值时，接地故障电压平均值与中间直流母线电压的比值大于接地故障高门槛值并维持t2时间，则认为是牵引变流器内部正极母线接地故障，封锁牵引变流器和辅助变流器脉冲，断开牵引变流器主接触器和充电接触器，完成检测；当中间直流母线电压大于预设值时，接地故障电压平均值与中间直流母线电压的比值小于接地故障低门槛值并维持t3时间，则认为是牵引变流器内部负极母线接地故障，封锁牵引变流器和辅助变流器脉冲，断开牵引变流器主接触器和充电接触器，完成检测。

s22、当牵引逆变器脉冲封锁延时t4时间，若接地故障标志位为1并维持t1时间，则封锁辅助逆变器脉冲，跳转至步骤s23；若接地故障标志位为0，则认为牵引电机侧接地，完成检测。

s23、当辅助逆变器封锁延时t5时间，若接地故障标志位为1并维持t1时间，则认为牵引变压器二次侧接地，封锁牵引变流器脉冲，断开列车主断路器vcb，完成检测；若接地故障标志位为0，则认为辅助逆变器高压侧接地，重新启动牵引逆变器脉冲，维持封锁辅助逆变器脉冲，完成检测。

由上述步骤可知，根据中间直流母线电压、fpga计算出接地故障标志位以及接地电压平均值与中间直流母线电压的比值能够判断牵引系统是否发生接地故障，当接地故障标志位为1时，分时封锁牵引逆变器和辅助逆变器脉冲，通过脉冲封锁前后接地故障是否消失，来逐步判断接地故障点的可能位置，并采取不同程度的保护措施，当接地电压平均值与中间直流母线电压的比值超过或低于接地故障门槛时，可判断处牵引变流器母线正极或母线负极发生接地故障。实现了牵引变流器中所有可能接地故障的识别，并根据接地故障的严重等级采取不同的保护动作，有效提高了动车组列车的运营安全，同时提高了动车段检修人员的检修效率，维护成本低。

具体地，本发明上述检测方法中，时间t1、t2、t3、t4、t5为设定时间，可以根据实际需求进行设定。例如：t1可以为0.1s，t2、t3可以为0.5s，t4、t5可以为0.2s。接地故障门槛值同样可以刚那句实际需求进行设定，例如：接地故障高门槛值可以为0.75，接地故障低门槛值可以为0.15。

本发明上述检测方法，能够快速判断牵引系统发生接地故障，并能能够准确检测到接地故障的发生位置，降低了接地故障对牵引设备的有害影响，提高了检修人员的检修效率。

参见图2，本发明另一实施例提供了一种动车组牵引系统接地故障检测装置，包括：

电压采集单元1，用于获取牵引系统的接地电压和中间直流母线电压；

计算模块4，用于计算接地电压平均值和接地故障标志位；

判断控制模块5，用于根据接地电压平均值、中间直流母线电压、接地故障标志位以及封锁脉冲后延时时间判断牵引系统发生接地故障的位置，并根据不同接地故障封锁不同脉冲，断开不同接触器或断路器。

具体地，继续参见图2，电压采集单元1包括用于检测接地电压的接地电压传感器2和用于检测中间直流母线电压的中间直流母线电压传感器3。

具体地，上述检测装置还包括fpga6，所述计算模块4设于所述fpga6内，所述接地电压传感器2和中间直流母线电压传感器3与所述fpga6电连接。采用使用现场可编程门阵列fpga计算接地故障标志位，能够要快速判断接地电压是否超过正常值，对接地故障检测电路的分压电阻阻值敏感度低，检测复杂程度相对较小，有效缩短检测时间，检测可靠性高。

具体地，上述检测装置还包括处理器7，所述判断控制模块5设于所述处理器7内，所述fpga6与所述处理器7连接。本实施例中，所述处理器采用cpu或mcu。

具体地，判断控制模块进行接地故障判断控制过程中，判断控制模块判断出接地故障位置后，分为以下三种保护情况：

若牵引系统发生接地故障，封锁牵引逆变器脉冲，当牵引逆变器脉冲封锁延时t4时间，若接地故障标志位为1并维持t1时间，则封锁辅助逆变器脉冲，当辅助逆变器封锁延时t5时间，若接地故障标志位为1并维持t1时间，则认为牵引变压器二次侧接地，封锁牵引变流器脉冲，断开列车主断路器vcb；若接地故障标志位为0，则认为辅助逆变器高压侧接地，重新启动牵引逆变器脉冲，维持封锁辅助逆变器脉冲；具体地，时间t1、t4、t5为设定时间，可以根据实际需求进行设定。例如：t1可以为0.1s，t4、t5可以为0.2s。

若牵引变流器内部正极母线接地故障，封锁牵引变流器和辅助变流器脉冲，断开牵引变流器主接触器和充电接触器；

若牵引变流器内部负极母线接地故障，封锁牵引变流器和辅助变流器脉冲，断开牵引变流器主接触器和充电接触器。

本发明上述检测装置能够准确判断出接地故障点的位置，并根据接故障的严重等级采取不同的保护动作，有效提高动车组列车的运行安全，同时提高了检修人员的检修效率，降低维护成本。

为了进一步说明本发明上述方法和装置的优点，下面结合附图和实施例对本发明做出进一步说明。

实施例：参见图3，某型动车组牵引系统包括依次连接的牵引变压器100、牵引变流器200、牵引电机300，牵引变流器200包括四象限整流器201、牵引逆变器202、辅助逆变器203、接地检测电路204、开关部件电路205。

牵引变压器100将接触网25kv交流电转换为950v交流电进入牵引变流器200中。开关部件205将950v交流电经过预充电、不控整流为1343v直流电，避免中间直流母线电路大电流冲击。四象限整流器201将950v交流电整流为1850v直流电，为牵引逆变器202和辅助逆变其203供电。牵引逆变器202将1850v直流电逆变为电压和频率均可控制的三相交流电以驱动牵引电机300。辅助逆变器203将1850v直流电逆变为550v/50hz三相交流电，然后经过辅助变压器变换为380v/50hz交流电，为列车中压负载供电。

接地检测电路204由两个阻值为1:1的电阻、滤波电容和电压传感器u33组成，用于检测牵引系统是否发生接地故障。牵引系统正常工作时，电压传感器u33检测到的接地电压理论上为中间直流母线电压一半925v，而实际上由于四象限整流器201和牵引逆变器202功率器件的快速通断，通过牵引变流器200中的分布电容和杂散电感，造成接地电压在正常值925v上下波动，参见图4a所示。当牵引系统发生接地故障时，电压传感器u33检测到的接地电压会偏离正常接地电压。

根据接地故障点在牵引系统中的发生位置，接地故障分为牵引变压器二次侧接地故障、中间直流母线正极接地故障、中间直流母线负极接地故障、辅助逆变器高压侧接地故障和牵引电机侧接地故障。继续参见图3主电路中1点、2点、3点、4点发生的接地故障属于牵引变压器二次侧接地故障，主电路中5点发生的接地故障属于中间直流母线正极接地故障，主电路中6点发生的接地故障属于中间直流母线负极接地故障，主电路中7点、8点、9点发生的接地故障属于辅助逆变器高压侧接地故障，主电路中10点、11点、12点、13点、14点、15点发生的接地故障属于牵引电机侧接地故障。

根据接地故障发生时的接地电压波形，上述5种接地故障可分为以下三类：

第一类包括牵引变压器二次侧接地故障、辅助逆变器高压侧接地故障和牵引电机侧接地故障，参见图4b，接地电压波形为pwm脉冲型，脉冲幅值为中间直流母线电压1850v，脉冲频率根据接地故障发生的接地点不同而不同。当发生牵引变压器二次侧接地故障时，接地电压脉冲频率等于四象限整流器201的开关频率；当发生辅助逆变器高压侧接地故障时，接地电压脉冲频率等于辅助逆变器203的开关频率；当发生牵引电机侧接地故障时，接地电压脉冲频率等于牵引逆变器202的开关频率。本实施例中，四象限整流器201的开关频率为350hz，辅助逆变器203的开关频率为1050hz，牵引逆变器202的开关频率在110hz-550hz范围内变化。

第二类为中间直流母线正极接地故障，接地电压等于中间直流母线电压1850v，参见图4c，接地电压波形为直线型，电压值为中间直流母线电压1850v。

第三类为中间直流母线负极接地故障，接地电压等于0v，参见图4d。

通过本发明检测方法和装置对上述动车组牵引系统的接地故障进行检测，其具体步骤为：

s1、获取接地电压传感器(即牵引系统中的电压传感器u33)检测的接地电压和中间直流母线电压传感器(即牵引系统中的电压传感器u32)检测的中间直流母线电压，利用fpga中的计算模块计算接地电压平均值和接地故障位。

本实施例中，接地电压平均值采用时间长度为20ms的滑动平均值滤波，接地故障标志位置1的条件为：接地电压大于1600v，接地故障标志位置0的条件为：接地电压小于1300v。

s2、判断牵引系统发生接地故障的位置，并根据不同接地故障封锁不同脉冲，断开不同接触器或断路器，其具体步骤为：

s21、当中间直流母线电压大于预设值时，若接地故障标志位为1并维持t1＝0.1s时间，则认为牵引系统发生接地故障，封锁牵引逆变器202脉冲，跳转至步骤s22，否则返回继续判断；当中间直流母线电压大于预设值时，接地故障电压平均值与中间直流母线电压的比值大于接地故障高门槛值0.75并维持t2＝0.5s时间，则认为是牵引变流器200内部正极母线接地故障，封锁四象限整流器201、牵引变流器202和辅助变流器203脉冲，断开开关部件电路205的主接触器和充电接触器，完成检测；当中间直流母线电压大于预设值时，接地故障电压平均值与中间直流母线电压的比值小于接地故障低门槛值0.15并维持t3＝0.5s时间，则认为是牵引变流器200内部负极母线接地故障，封锁四象限整流器201、牵引变流器202和辅助变流器203脉冲，断开开关部件电路205的主接触器和充电接触器，完成检测。

s22、当牵引逆变器202脉冲封锁延时t4＝0.2s时间，若接地故障标志位为1并维持t1＝0.1s时间，则封锁辅助逆变器203脉冲，跳转至步骤s23；若接地故障标志位为0，则认为牵引电机300侧接地，完成检测。

s23、当辅助逆变器203封锁延时t5＝0.2s时间，若接地故障标志位为1并维持t1＝0.1s时间，则认为牵引变压器二次侧接地，封锁牵引变流器脉冲，断开开关部件电路205的主接触器和充电接触器，断开列车主断路器vcb，完成检测；若接地故障标志位为0，则认为辅助逆变器203高压侧接地，重新启动牵引逆变器202脉冲，维持封锁辅助逆变器203脉冲，完成检测。

由上可知，本发明提供的检测方法和装置实现了快速判定牵引系统发生的接地故障，并能够准确检测都接地故障的发生位置，然后根据不同严重等级采取不同的保护措施，降低了接地故障对牵引系统的有害影响，无需与预先存储的接地电压进行匹配，检测过程简单，检测时间短，提高了检修人员的检修效率，且占用资源少，检测成本低。检测准确性及可靠性明显优于现有技术。

以上所举实施例仅用为方便举例说明本发明，并非对本发明保护范围的限制，在本发明所述技术方案范畴，所属技术领域的技术人员所作各种简单变形与修饰，均应包含在以上申请专利范围中。