HXD3B電力機車電氣接地淺談

【摘要】本文主要介紹HXD3B型電力機車整車電氣接地的概念、種類、對干擾抑制消除的原理，以及對在二年檢中出現(xiàn)的各種因接地干擾引發(fā)的誤報信息原因進行分析，并提出相應(yīng)的修復(fù)措施。

【關(guān)鍵詞】HXD3B電力機車 接地 干擾 分析 故障信息

HXD3B電力機車是用于干線牽引的電力機車，其最高運行速度為120Km/h。HXD3B型電力機車采用大功率水冷IGBT水冷變流器，單軸控制技術(shù)，大功率交流牽引電動機，框架式承載車體。該種車型所有電氣設(shè)備幾乎都設(shè)置了接地線，很大程度上使所有設(shè)備外殼都處于同一電位，大大提高了機車抑制和消除干擾的能力。

一、接地的概念

HXD3B電力機車的接地簡單地說就是將電氣設(shè)備的金屬外殼通過金屬導(dǎo)線與接地裝置實現(xiàn)連接，最后通過軌道實現(xiàn)與大地連接。其作用就是將電氣設(shè)備產(chǎn)生的漏電流、靜電荷及雷電流引入大地，減小電磁干擾、電場干擾的危害，能避免人身觸電、火災(zāi)、爆炸等事故。是為了保證電氣設(shè)備正常工作和人生安全的一種措施。

二、接地種類

（一）保護接地：將系統(tǒng)中平時不帶電的金屬部分與地之間形成良好的導(dǎo)電連接。當(dāng)電氣設(shè)備因絕緣等級下降或絕緣層遭到外力破壞導(dǎo)致漏電時，以保護設(shè)備和人員安全。

（二）工作接地：為了使系統(tǒng)設(shè)備、微機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及相連的儀表等均能可靠運行，并保證測量和控制精度而設(shè)置的接地。

（三）防雷接地：防雷措施的一部分（如車頂、車內(nèi)避雷器）。

（四）屏蔽接地：消除電磁場對人體危害的有效措施，也是防止電磁干擾、電場干擾的有效措施。

三、連接方式

HXD3B電力機車接地方式從連接方式分單點接地、多點接地，從功能上分單端接地、雙端接地。

（一）單點接地可分為單點串聯(lián)式和單點并聯(lián)式，見圖1。HXD3B型電力機車很少采用單點串聯(lián)式。

圖1單點串聯(lián)接地與單點并聯(lián)接地

單點接地是指一個電路設(shè)備中，只有一個物理點被定義為接地參考點，而其他凡是需要接地的點都被接到這一個點上。

（二）多點接地是指系統(tǒng)中的各個接地都直接接到距它最近的接地平面上，以便使接地線的長度為最短。此接地方法適用于高頻信號較多的場合。

（三）單端接地用于模擬、數(shù)字信號屏蔽線屏蔽層接地，且用于短距離。

（四）雙端接地用于模擬、數(shù)字信號屏蔽線屏蔽層接地，且用于長距離。

四、干擾分析

（一）分析

1.電位差。HXD3B電力機車接地是作為電路電位基準點的等電位（參考電位）。但實際卻非如此，電力機車在運行中，地線上的電位并不是恒定。如果用儀器測量后，不難發(fā)現(xiàn)各點間的電位差異很大，這些電位差會造成電路工作異常。這種電位差形成的原因是地線作為信號回流源的低阻抗路徑，由于地線的阻抗不會是零，當(dāng)電流流過時，就會產(chǎn)生壓降，形成各點間的電位差。阻抗是在交流狀態(tài)下導(dǎo)線對電流的阻礙。由于導(dǎo)線都存在電阻和電感，根據(jù)公式： Z=R+XL XL=2fL我們知道，當(dāng)信號源頻率較高時，地線的阻抗遠大于電阻。實際干擾信號往往是高頻脈沖信號，就會在地線上產(chǎn)生較高的電壓。

2.接地環(huán)流。接地環(huán)流干擾是電力機車比較常見的一種干擾現(xiàn)象，通常發(fā)生在通過較長電纜連接且相距較遠的設(shè)備之間。產(chǎn)生的主要原因是設(shè)備之間的電位差。地環(huán)路干擾產(chǎn)生的原因一般有兩種：一種是兩個設(shè)備的地電位不同，形成地電壓，在這個電壓的驅(qū)動下地環(huán)路之間有電流流動。由于電路的不平衡性，各導(dǎo)線上的電流不同，因此產(chǎn)生了差模電壓，對電路造成干擾。地線的電壓也是由于功率較大的設(shè)備也用這段地線，在地線中引起較大電流，地線又有較大阻抗而產(chǎn)生的。第二種是電磁場感應(yīng)出環(huán)路電流導(dǎo)致的干擾，其過程與第一種相同。

3.公共阻抗耦合。干擾的另一種形式就是公共阻抗耦合。當(dāng)兩個電路地電流流過一個公共阻抗時，就發(fā)生了公共阻抗耦合。一個電路的地點位會受到另一個電路的電流的調(diào)制，另一個電路的信號就耦合進了前一個電路。

（二）抗干擾的方法

解決地環(huán)路干擾的基本思路有三種，一個是減小地線阻抗，衰減地線電壓，但對電磁干擾效果不良。另一個是增加地線阻抗，實際就是斷開地環(huán)路來消除地環(huán)流。第三種方法就是單點接地。減少直流電阻的措施是加大地線的截面積。HXD3B型電力機車接地線多數(shù)采用是截面積大的多股裸絞線。減少交流阻抗的措施是并聯(lián)地線，且距離不能接近。HXD3B型電力機車接地線多數(shù)采用的是多點接地，也等同于并聯(lián)接地。電力機車信號接地多采用單點并聯(lián)，不采用單點串聯(lián)是因為單點串聯(lián)方式會形式公共阻抗耦合。HXD3B電力機車抗干擾的另一種方式就是使用絞線屏蔽線。對于絞線屏蔽線的屏蔽層接地有兩種接地，就是單端接地與雙端接地。屏蔽層單端接地是在屏蔽電纜的一端將金屬屏蔽層直接接地，另一端不接地或通過保護接地。在屏蔽層單端接地情況下，非接地端的金屬屏蔽層對地之間有感應(yīng)電壓存在，但屏蔽層無電勢環(huán)流通過。單端接地就是利用抑制電勢電位差達到消除電磁干擾的目的，是很好的抑制磁場干擾的措施和抵制磁場耦合干擾的措施。雙端接地是將屏蔽電纜的金屬屏蔽層的兩端均連接接地。在屏蔽層雙端接地情況下，金屬屏蔽層不會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，但金屬屏蔽層受干擾磁通影響將產(chǎn)生屏蔽環(huán)流通過，如果地點A和地點B的電勢不相等，將形成很大的電勢環(huán)流，環(huán)流會對信號產(chǎn)生抵消衰減效果。因此，它抑制磁場耦合干擾的能力也比單端接地方式差。

五、接地不良報出的誤報信息列舉

（一）HXD3B0081顯示屏報出牽引電機6頻率傳感器速度超范圍。

HXD3B電力機車信號通信電纜大多采用雙端接地，中間通過連接器連接，屏蔽線通過連接器插針或鏈接器外殼連接。牽引電機6速度傳感器信號電纜從傳感器到DCU板線路有三組連接器，底架連接器屏蔽層通過連接器插針連接，變流柜屏蔽層通過連接器外殼連接。 “二年檢”變流柜連接器CON116重新連接，作為接地點，這時連接器表層已氧化，連接后使接觸電阻增大。由于信號通信電纜大多采用雙端接地，當(dāng)屏蔽層受干擾磁通影響將產(chǎn)生屏蔽環(huán)流。由于連接后使接觸電阻增大，就會造成兩個接地點接地電位不等，形成接地環(huán)流，對信號產(chǎn)生抵消衰減效果，干擾了速度信號，致使TCMS顯示屏報超范圍。將信號通信電纜屏蔽層從連接器CON116斷開，使其變?yōu)閱味私拥?，消除了地環(huán)流，故障信息消除。

（二）HXD3B0027微機顯示屏報出主變油溫差值高。

在機車長時間停放后，合電鑰匙后，微機顯示屏報出主變有溫差值高。通過查看顯示屏網(wǎng)絡(luò)控制界面，點擊33A/34A，微機顯示屏將顯示3組主變油溫。觀察發(fā)現(xiàn)頂部（溫度傳感器為雙通道）溫度ST1兩個通道溫差接近，且處于跳動狀態(tài)。泵出口1溫度ST2兩個通道溫差接近。泵出口2溫度ST3兩個通道溫差達4℃以上，且處于跳動狀態(tài)，其中最大值與ST2溫度接近。由于TCMS溫度差值取最小值與最大值之差（﹥10℃），而頂部溫度ST1兩個通道溫度與泵出口2溫度ST3兩個通道中最小值溫差恰好﹥10℃，故報出主變油溫差值高。但此時主變并未工作，因此并非主變壓器有問題。對溫度傳感器測量，三組傳感器阻值正常。拆解檢查33A/34A-X4插頭，發(fā)現(xiàn)插頭內(nèi)地線接線方式處于動態(tài)，只是將屏蔽線捆綁在壓線板上，而壓線板沒有固定，這樣屏蔽線接地處于接觸不良的狀態(tài)。與速度傳感器一樣，溫度傳感器信號電纜也是雙端接地，當(dāng)33A/34A-X4插頭側(cè)接地不良，就會造成兩個接地點接地電位不等，形成接地環(huán)流，對信號產(chǎn)生抵消衰減效果，干擾了溫度信號，造成溫度信號偏差，致使TCMS顯示屏報主變油溫差值高。將33A/34A-X4插頭側(cè)屏蔽線接地緊固后，觀察發(fā)現(xiàn)頂部溫度ST1兩個通道溫度大幅降低，而且相等穩(wěn)定。泵出口2溫度ST3兩個通道溫度變?yōu)橄嗟确€(wěn)定。頂部溫度ST1與泵出口2溫度ST3溫差最大值﹤4℃，故障消除。

（三）多臺機車微機顯示屏?xí)r常報司機控制器電位器<->輔助觸點，同時報蓄電池-0V接地。

司機控制器電位器<->輔助觸點所表示的意思是司機控制器電位器故障，執(zhí)行備用信號模式。

進入仿真模式，模擬機車運行狀態(tài)，將操縱臺AC42正線542/642、541/641、540/640分別挑開，查看司控器級位變化，以及網(wǎng)絡(luò)控制界面的信號亮滅狀態(tài)，在挑開負線540/640的時候出現(xiàn)司控器轉(zhuǎn)入輔助觸點模式，微機顯示屏報司機控制器電位器<->輔助觸點。從上述試驗可以看出，微機顯示屏報司機控制器電位器<->輔助觸點確實是因為司機控制器電位器對41D/51D的輸入信號發(fā)生了中斷或異常，導(dǎo)致微機執(zhí)行了備用信號模式。

原因有以下幾種可能性：

1.司機控制器電位器確實有故障，但從故障恢復(fù)時間上看，恢復(fù)時間短，所以此種可能性排除。

2.司機操作柱手柄極位轉(zhuǎn)換過快，司機控制器電位器響應(yīng)滯后，導(dǎo)致微機識別有誤，執(zhí)行了備用信號模式。但此種可能不會報出蓄電池-0V接地，因此可以排除此種可能。

3.從故障信息中可以看到，當(dāng)報司機控制器電位器<->輔助觸點的同時，還報蓄電池-0V接地。司機操作柱手柄極位轉(zhuǎn)換時，輔助觸點閉合瞬間產(chǎn)生電弧，對司機控制器電位器輸出信號產(chǎn)生了干擾，導(dǎo)致微機對信號識別有誤，執(zhí)行了備用信號模式，報司機控制器電位器<->輔助觸點。電弧干擾（實質(zhì)上也是電場干擾）不僅僅干擾了電位器的輸出信號，同時也影響了電位器的24V電源，瞬間使24V電位與地電位相同，故報出蓄電池-0V接地。之所以電弧干擾會對電位器的輸出與電源造成影響，還得從電位器屏蔽線接地方式談起。電位器的屏蔽線是三芯屏蔽線，采用的是雙端接地，一端接在42D/52D的插頭外殼上，一端接在司機控制器的金屬骨架上。但司機控制器安裝在操縱臺玻璃鋼面板上，司機控制器的金屬骨架實質(zhì)上與機車車體是絕緣的，而且沒有與操縱臺骨架相連的地線?？梢钥隙ǖ闹v，電位器的屏蔽線的雙端接地，實際上是單端接地。單端接地只對電磁干擾具有抗干擾能力，對電場干擾的抑制能力差，所以才會同時報出司機控制器電位器<->輔助觸點，蓄電池-0V接地。

HXD3B電力機車因接地線的原因報出的故障信息還有蓄電池110V-接地、充電單元1（UR1）/2（UR2）不工作等，其他就不一一例舉了。但要判斷故障信息是真實的還是干擾的，則需要通過仔細觀察環(huán)境數(shù)據(jù)、人員操作、運行狀態(tài)進行確認。

從上述的分析和例舉可以看出接地對HXD3B電力機車的重要性，其關(guān)乎著機車的運行狀態(tài)。根據(jù)機車的實際運行狀態(tài)選擇合理的接地方式是必要的，只要能達到消除干擾的功效，無論采用何種方式接地都是合理的，切忌呆板的執(zhí)行無效的設(shè)計。

參考文獻：

1 王兆安.電力電子技術(shù).機械工業(yè)出版社，2009.3

2 張永瑞、王松林.電路基礎(chǔ)教程，2005.9