一篇关于交流驱动侧接地故障定位新方法的学术研究报告
本报告旨在详细介绍于2022年5月/6月发表在 IEEE Transactions on Industry Applications 期刊（第58卷，第3期）上的一篇原创性研究论文。该论文题为《基于交流相电压与接地电阻电压的直流/交流系统交流驱动侧接地故障定位》，作者团队来自西班牙马德里理工大学和西班牙能源、环境与技术研究中心，包括 José M. Guerrero、Gustavo Navarro、Kumar Mahtani 以及通讯作者 Carlos A. Platero。
一、研究背景与目的
该研究的核心科学领域属于电力电子与电力系统保护，具体聚焦于变频驱动系统的故障诊断。随着电力电子技术的普及，由电网侧整流、直流母线、以及交流驱动侧逆变构成的变频驱动系统已广泛应用于工业过程优化与电机控制。然而，此类系统中同时存在交流与直流电流，使得针对其的保护和故障诊断变得复杂。
接地故障是电气设备中最常见的故障类型。在变频驱动系统中，一旦发生接地故障，特别是高阻值接地故障，常规的保护装置可能无法精确检测或定位，导致故障升级，引发设备损坏甚至系统崩溃。因此，开发一种能够准确定位变频驱动系统交流驱动侧接地故障位置的方法，对于提升系统可靠性与实现预测性维护具有重要意义。
本文的研究目标正是提出并验证这样一种新的接地故障定位方法。该方法旨在不依赖难以精确测量的接地电弧电阻的前提下，不仅能够识别故障相，还能估计故障点沿故障相阻抗的百分比位置。
二、研究详细流程
本研究遵循了典型的工程方法验证流程，包括理论推导、计算机仿真和实验验证三个阶段。
第一阶段：理论模型与方法构建 研究的出发点是一个已获专利的接地故障检测装置，该装置在直流母线的中点与地之间连接一个高阻值接地电阻（RGND）。本方法作为该检测装置的“附加”功能进行开发。 1. 研究对象与建模： 研究对象为一个典型的直流/交流系统（如电动汽车驱动系统或工业变频器）。系统模型包括直流电源（或电池）、电容、三相逆变器以及交流驱动侧的三相负载（以星形连接的RL阻抗Za, Zb, Zc模拟电机）。RGND连接在直流母线中点。 2. 故障建模与公式推导： 当故障发生在某一相（例如C相）时，该相的阻抗Zc被故障点分割为上游部分（(1-k)Zc）和下游部分（kZc），其中k（0 ≤ k ≤ 1）即为表征故障位置的百分比因子。基于基尔霍夫定律和电路模型，作者推导出核心公式(9)。 3. 核心定位原理： 公式(9)表明，k值可以通过测量三相负载的相-中性点电压（Uan, Ubn, Ucn）、已知的负载阻抗（Za, Zb, Zc）、接地电阻RGND以及其两端电压Ugnd的相量计算得出。特别地，通过相位比较，故障相电压的相量与Ugnd的相量近似呈180度反相，这为快速识别故障相提供了依据。
第二阶段：计算机仿真验证 为了初步验证理论方法的有效性，研究团队在MATLAB/Simulink环境中建立了详细的仿真模型。 1. 仿真对象与参数： 模型包含直流电源、逆变器、滤波环节、对地寄生电容以及一个三相RL负载（50Ω + jω·2×10⁻⁵ Ω）。接地电阻RGND设为4.7 kΩ。 2. 仿真方案： 进行了大量仿真。设置了不同严重程度的故障：接地故障电阻（RF）值分别为0 Ω（直接接地）、2.3 kΩ、4.7 kΩ和10 kΩ；同时，故障位置k设定为0%（负载中性点）、25%、50%、75%和100%（负载终端）。这旨在全面测试方法在不同故障条件和位置下的性能。 3. 数据处理流程： 从仿真中获取各电压的时域波形，然后通过正弦和余弦滤波器（公式(10)-(12)）提取其基波分量，转换为相量。随后，将相量代入公式(9)计算k值，并与设定值进行比较。 4. 仿真结果与初步分析： 仿真结果（见表II）验证了理论预测。首先，成功通过相位比较识别出故障相（故障相电压与Ugnd反相）。其次，计算出的k值估计与预设值高度吻合，证明了方法的理论准确性。但作者也注意到，当故障接近负载中性点（k接近0）时，估计误差相对较大，原因是此时故障电流减小，测量分辨率降低。
第三阶段：实验测试验证 为了在真实硬件上验证该方法的实际可行性，研究团队搭建了一个140 kW功率等级的实验平台。 1. 实验对象： 实验系统包括一个480 V直流电池组（中点可接入）、一台140 kW六脉冲IGBT功率逆变器，以及一个由电阻和电感滤波器构成的三相星形连接负载。RGND同样为4.7 kΩ。 2. 关键步骤——阻抗精确测量： 为保证定位精度，负载阻抗不能简单使用标称值。研究团队采用了频率响应分析技术，在50 Hz频率下精确测量了各相阻抗的幅值和相角（例如，Za=51.21e^(j0.1°) Ω）。 3. 实验方案： 在C相负载上，手动设置了与仿真中对应的各种故障情况（RF = 0, 2.3k, 4.7k, 10k Ω；k = 0%, 25%, 50%, 75%, 100%）。使用示波器记录健康状态和所有故障状态下的Uan, Ubn, Ucn和Ugnd波形。 4. 数据处理与分析： 对采集到的实验波形进行与仿真中相同的信号处理：提取基波相量，进行相位比较以识别故障相，然后代入精确测得的阻抗值，利用公式(9)计算k值。
三、主要研究结果
仿真结果（表II）充分证明了理论方法的有效性。在所有测试的RF和k值组合下，故障相均被正确识别（Ucn与Ugnd相位差约180度）。k值的计算估计非常精确，尤其是在RF较低（故障较严重）且k值远离0%时。这为方法的工程应用提供了理论信心。
实验结果（表IV）则展示了方法在实际系统中的性能。 1. 故障相识别： 在所有实验案例中，均能通过相位比较成功识别出故障相（C相）。 2. 故障定位精度： 定位精度与故障电阻RF密切相关。对于直接接地故障（RF = 0 Ω），定位误差最大为3.94%，表现出色。随着RF增大，误差也随之增加。例如，当RF = 10 kΩ时，最大误差达到15.80%。这与理论分析一致：高阻故障产生的故障电流小，导致Ugnd信号幅度小，易受测量噪声和系统非理想因素影响。 3. 方法比较优势： 尽管在高阻情况下绝对误差增加，但作者指出，与现有文献中的其他接地故障定位方法相比，本方法能够检测和定位的故障电阻值（高达10 kΩ）远高于其他方法（其他方法通常在数百欧姆以下）。这意味着本方法具有更高的灵敏度，能够更早地发现处于初期绝缘劣化阶段的高阻接地故障，从而实现早期预警。 4. 局限性分析： 实验结果明确揭示了方法的两个主要局限：一是对负载中性点附近的故障（k≈0%）定位不准确；二是定位精度对负载阻抗的精确测量非常敏感（图22展示了阻抗测量误差对定位误差的影响）。
四、研究结论与价值
本研究成功提出并验证了一种针对直流/交流系统交流驱动侧接地故障的新型定位方法。科学价值在于提供了一种不依赖未知接地电弧电阻、基于相量运算和简单电压测量的故障定位解析方案。它深化了对含有电力电子变换器的混合交直流系统故障特性的理解。
其应用价值尤为突出： 1. 实用性强： 该方法可作为现有接地故障检测装置的附加模块，硬件上仅需在直流母线中点已有的接地电阻两端以及交流侧增加电压测量，易于集成。 2. 早期诊断： 对高阻接地故障的高灵敏度是其突出优点，有助于在故障发展成严重短路前进行预警和维护。 3. 双重功能： 既能快速识别故障相，又能提供故障位置的百分比估计，为维修人员提供了更精确的指导。
五、研究亮点
六、其他有价值内容
论文在引言和第二章中对交直流系统接地故障诊断的现有技术进行了全面综述，涵盖了交流输电线路的距离保护、行波法，以及针对电机、直流系统的多种诊断方法。这为读者理解本研究的创新点和在领域中的位置提供了清晰的背景。此外，作者在讨论部分坦率地分析了方法的局限性，并提出了未来可进一步研究的方向（例如，通过分析其他频率分量来解决近中性点故障定位不准的问题），体现了严谨的科研态度。