基于中性点电压的高压交流传动直流母线接地故障检测多路径架构

《Journal of Marine Science and Engineering》：Multipath Architecture for Ground Fault Detection in DC-Links of High-Voltage AC Drives Using Neutral-Point Voltage

　　

高压交流传动直流母线中的接地故障检测具有挑战性，因为故障可能不会产生大电流，同时在近乎平衡的极对地电导条件下，中性点电压监测可能丧失灵敏度。研究人员针对GE MV7306变频器（drive）的5 kV直流母线（DC-link），建立了基于物理原理的数学模型和多路径检测框架。利用基尔霍夫电流定律（Kirchhoff's current law, KCL），以等效极对地电导推导出中性点电压V_DC0的闭式表达式。归一化电导不对称指数表征了近平衡状态，对数电阻灵敏度识别出特征转变条件G_fault=G_ref，超过该条件后中性点电压趋于饱和。该解析模型还被用于将固定电压阈值与相应的故障电导和故障电阻边界关联起来。随后开发了一种结合固定阈值路径与鲁棒自适应阈值路径的多路径架构。基于电路模型的仿真考虑了退化–恢复、变电阻表面泄漏和近对称电导振荡三类场景。所提方法分别以1.213 s、0.031 s和0.141 s的延迟检测出全部三类场景。对于所提方法与固定阈值基线均能检测的两类场景，平均检测延迟由0.822 s降至0.622 s，降低了24.3%。研究结果在电导模型、非线性灵敏度特性与多路径接地故障检测之间建立了直接联系。

**基于中性点电压的高压交流传动直流母线接地故障多路径检测架构——论文解读**

**一、研究背景与问题**

近年来，电压源逆变器（voltage source inverter, VSI）型交流传动系统已广泛用于大型高压船舶推进系统，需同时满足高功率密度、冗余性和故障容错性要求。直流母线（DC-link）作为高功率变换系统的中央能量缓冲环节，通常采用浮空或高阻抗接地参考配置（IT型接地系统），使得单极接地故障不会立即产生大故障电流，从而支持故障连续运行。然而，若首次接地故障未被检测，健全相对地电位升高与绝缘应力增大可能扩展泄漏路径，诱发二次接地故障或电弧故障。既有研究多聚焦于配电或系统级保护，对电力电子型交流传动内部直流母线中性点电压行为的数学建模、以及与极对地电导变化相关的非线性响应和灵敏度特性研究有限。为此，研究人员以GE MV7306高压交流变频器（GE Power Conversion, Massy, France）的5 kV直流母线为对象开展本研究，试图建立中性点电压与等效极对地电导结构之间的解析关联，并据此发展不依赖额外传感器的检测方法。

**二、研究内容与主要结论**

研究人员基于该变频器的实际物理结构建立等效电导模型，利用基尔霍夫电流定律（KCL）推导出中性点电压V_DC0的闭式表达式，证明V_DC0由正、负极相对地电导的不平衡程度与总接地电导之比决定。引入归一化电导不对称指数表征平衡与近平衡状态；通过对数电阻灵敏度分析，识别出特征转变条件G_fault=G_ref，超过该条件后V_DC0趋于饱和。进一步将固定电压阈值与故障电导和故障电阻边界解析关联，并据此开发了由固定阈值保护路径与基于鲁棒统计的自适应阈值路径并行组成的多路径检测架构。基于电路模型的仿真覆盖退化–恢复、变电阻表面泄漏（variable-resistance surface leakage, VRSL）和近对称电导振荡三类物理场景。结果显示，所提方法以1.213 s、0.031 s和0.141 s的延迟检测出全部三类故障；在两类方法均能检测的场景中，平均检测延迟由0.822 s降至0.622 s，降低24.3%，且在295 s健康工况评估中无误报警。该研究在电导模型、非线性灵敏度特性与多路径接地故障检测之间建立了直接联系，为仅利用已有中性点电压信号实现内部直流母线接地故障检测提供了理论基础和工程实现途径。

**三、主要关键技术方法**

研究人员采用以下关键技术方法：（1）基于MV7306变频器实际直流母线结构建立等效极对地电导电路模型，DC0对地通过125 kΩ高阻抗参考电阻R_ref连接；（2）应用KCL推导中性点电压闭式表达式，定义归一化电导不对称指数和对数电阻灵敏度；（3）构建固定阈值与自适应阈值并行多路径架构，自适应阈值基于300样本滑动窗口的样本中位数（median）与绝对中位差（median absolute deviation, MAD）鲁棒统计估计，并引入冻结–跟踪（freeze–track）切换逻辑、50 ms去抖（debounce）验证与0.1 s锁存（latch）保持；（4）采用电路模型仿真验证，仿真时长15 s，故障区间为1.0–2.5 s，背景泄漏电阻固定为1 MΩ，高斯测量噪声标准差为50 V，随机种子设为7以保证可重复性。该研究为基于实际变频器参数的仿真研究，不涉及临床样本队列。

**四、研究结果**

**4.1 退化–恢复故障（均值偏移主导场景）**
该场景模拟DC+侧绝缘逐渐退化并恢复的过程，R_DC+在故障起始后按指数衰减、在恢复阶段按指数回升。仿真显示，V_DC0均值偏移逐渐累积，“Fixed: Latch”路径最早触发，检测延迟为1.213 s；“Fixed: Debounce”与“Adaptive: Debounce”几乎同时触发；自适应阈值随均值偏移上升并受上限约束饱和，强事件指示器仅在孤立时刻激活。

**4.2 变电阻表面泄漏（方差主导场景）**
该场景模拟湿气或导电污染引起的时变表面泄漏，R_DC+由一阶相关随机分量与间歇性下陷事件组合生成，具有显著统计方差和间歇高幅值峰值。结果显示，“Adaptive: Debounce”路径最先触发，检测延迟为0.031 s；固定阈值锁存路径对短暂高幅值事件响应，而去抖路径对瞬态波动不敏感；自适应阈值受下限约束和冻结逻辑共同作用，验证了方差驱动故障签名下两路径的互补运行。

**4.3 近对称电导振荡（灵敏度退化场景）**
该场景设置正负极参考故障电阻均为10 MΩ，在故障区间施加1.2 Hz反相正弦调制（幅度A=0.9），使电导不平衡趋近于零，V_DC0均值偏移被结构性抑制。仿真显示，固定阈值路径全程不激活，而故障期间统计变异性增大，鲁棒标准差和自适应阈值随之上升，幅值特征反复越过自适应阈值并满足去抖条件，“Adaptive: Debounce”激活全局报警，共产生4次报警时段、总持续时间0.391 s，检测延迟为0.141 s。该结果验证了在所评估的近对称条件下，尽管中性点电压响应结构性减弱，基于统计变异性的自适应路径仍保持检测能力。

**4.4 功率电子扰动鲁棒性**
在Case 3基础上叠加12脉波整流纹波（720 Hz、1440 Hz分量，经直流母线电压引入）和开关相关高频耦合扰动（2460、2670、2790 Hz），设定中度和严重两种扰动剖面。仿真表明，在1 kHz采样下各扰动分量经混叠后位于210–460 Hz，级联滤波器对其衰减量为41.20–75.84 dB；严重扰动下“Adaptive: Debounce”仍保持4次报警时段，全局报警行为不变，检测延迟仍为0.141 s，冻结模式未被虚假触发。

**4.5 参数灵敏度与鲁棒性**
固定阈值V_th在50–450 V范围内评估，250 V时健康工况误报警占比为零，300 V时归一化平均延迟升至1.306，≥350 V时Case 1漏检。自适应参数单变量分析显示，统计裕度系数（1.5–3.3）和统计窗口时长（0.10–0.50 s）影响较小；物理下限缩放系数（0.10–0.90）依赖最强，过小增大去抖前阈值穿越敏感性、过大显著延迟近对称场景检测；冻结窗口（0.02–0.10 s）影响有限。所有参数设置在295 s健康运行评估中均未出现误报警。

**4.6 与代表性接地故障检测方法的对比**
与主动信号注入法（Pe?a-Alzola等、Liu等、Park）、基于模型的MVDC分散方法及基于接地电压的换流器接口直流系统方法相比，所提框架仅利用MV7306变频器已有的V_DC0信号，无需额外传感器或注入硬件，代价是无法实现故障定位。与固定阈值基线的受控定量对比表明，基线未检测出Case 3，而所提方法三个场景全部检测；两者均能检测的两个场景平均延迟由0.822 s降至0.622 s，降低24.3%。

**五、讨论总结与结论翻译**

讨论部分指出，固定阈值路径提供基于幅值的确定性保护，自适应路径通过鲁棒统计估计对均值偏移、方差增大和近对称灵敏度退化三类不同时序与统计特征的故障签名形成互补响应；逻辑或融合不引入额外判定准则。结论部分的核心内容如下：本研究通过KCL推导出V_DC0闭式表达式，证明其由正负极对地电导不平衡与总接地电导之比决定；归一化电导不对称指数刻画了近平衡条件下的结构性抑制；对数电阻灵敏度最大值对应特征转变条件G_fault=G_ref，其后V_DC0渐近趋于饱和。所提多路径架构仅利用已有的V_DC0信号即实现了三类场景全部检测，检测延迟分别为1.213 s、0.031 s和0.141 s，两场景平均延迟降低24.3%。需要指出的是，当正负极存在多个等效电导相近的接地路径时，电导不平衡减小将压缩检测裕度，且仅凭V_DC0无法唯一识别接地点位置；实验验证、完整传动运行暂态分析和融合额外信息以实现故障方向判别与定位是未来研究方向。