電力機(jī)車(chē)列車(chē)供電系統(tǒng)接地研究

蔡 杰 林 波

（株洲南車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

自鐵路第五次大提速以來(lái)，基于集中供電、分散變流的DC600V 列車(chē)供電系統(tǒng)正逐步取代空調(diào)發(fā)電車(chē)的作用，成為空調(diào)列車(chē)新型供電方式的主要發(fā)展方向[1-2]。DC600V 列車(chē)供電系統(tǒng)采用集中整流分散變流的方式，客車(chē)進(jìn)行分散變流。電力機(jī)車(chē)主變壓器副邊設(shè)置2 個(gè)獨(dú)立的列車(chē)供電繞組,輸出單相AC860V 電壓到DC600V 列車(chē)供電系統(tǒng)，經(jīng)整流后輸出獨(dú)立的2 路DC600V 電源提供給客車(chē)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量為2×400kW[3]?？蛙?chē)上裝有逆變器和充電機(jī),逆變器將DC600V 電壓逆變成三相AC380V 電壓后供給空調(diào)機(jī)組、通風(fēng)機(jī)等負(fù)載，同時(shí)充電機(jī)將DC600V 電壓變換成DC110V 電壓后供蓄電池充電、照明和其他控制系統(tǒng)用電[4]。因此DC600V 列車(chē)供電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性對(duì)旅客列車(chē)安全運(yùn)行和正常的服務(wù)工作具有極其重要的作用。

根據(jù)《TB/T 3063—2011 旅客列車(chē)DC600V 供電系統(tǒng)技術(shù)要求及試驗(yàn)》，電力機(jī)車(chē)列車(chē)供電系統(tǒng)的接地保護(hù)電路已在標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行了統(tǒng)一規(guī)定[5]。為了更好地保證電力機(jī)車(chē)列車(chē)供電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，在接地方式統(tǒng)一的基礎(chǔ)上[6]，如何有效地進(jìn)行列車(chē)供電系統(tǒng)直流輸出側(cè)和交流輸入側(cè)的接地判斷就成了關(guān)鍵問(wèn)題[7-8]，既要保證系統(tǒng)發(fā)生接地時(shí)能可靠動(dòng)作，又要保證系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)不誤動(dòng)作影響正常列車(chē)供電，因此急需進(jìn)一步深入研究。

1 列車(chē)供電系統(tǒng)

電力機(jī)車(chē)列車(chē)供電系統(tǒng)由兩套完全獨(dú)立的供電回路組成，其電路結(jié)構(gòu)完全相同，其主電路形式如圖1所示：?jiǎn)蜗嘟涣鬏斎耄╝7-x7），經(jīng)真空接觸器KM 與快速熔斷器FU 到單相整流橋（V1、V2 為二極管，V3、V4 為晶閘管），通過(guò)平波電抗器L 和支撐電容器C 輸出直流600V，同時(shí)設(shè)有控制用電壓傳感器SV1[9]。根據(jù)TB/T 3063—2011 第4 節(jié)規(guī)定，列車(chē)供電系統(tǒng)必須采用電阻中點(diǎn)接地的方式，因此系統(tǒng)直流側(cè)還設(shè)有接地檢測(cè)用電阻網(wǎng)絡(luò)（由R1、R2和R3 組成）和接地檢測(cè)用電壓傳感器SV2。

圖1 列車(chē)供電回路主電路原理圖

2 系統(tǒng)模型構(gòu)建

根據(jù)圖1所示，在Matlab/Simulink 中創(chuàng)建電力機(jī)車(chē)列車(chē)供電系統(tǒng)模型（如圖2所示）[10]，并利用其進(jìn)行接地的仿真研究。仿真模型中的元器件參數(shù)和實(shí)物參數(shù)完全一致，并可設(shè)置觀察窗查看、比較接地發(fā)生時(shí)接地電壓傳感器SV2 的波形。

圖2 列車(chē)供電系統(tǒng)模型

3 直流側(cè)接地

在電力機(jī)車(chē)列車(chē)供電系統(tǒng)正常工作無(wú)接地的情況下，電壓傳感器SV2 的反饋值Ujd應(yīng)在300V 左右。而一旦列車(chē)供電系統(tǒng)的直流側(cè)出現(xiàn)負(fù)載接地或者連接線纜絕緣等級(jí)下降的情況，Ujd會(huì)逐漸偏離300V。

根據(jù)圖1所示，當(dāng)列車(chē)供電系統(tǒng)的輸出正線（第4 點(diǎn)）或者輸出負(fù)線（第5 點(diǎn)）發(fā)生接地故障時(shí)，此時(shí)的系統(tǒng)相當(dāng)于對(duì)地接入了一個(gè)電阻Rjd，其等效電路如圖3所示，RX代表客車(chē)負(fù)載。

輸出正線接地時(shí)Ujd和Rjd的函數(shù)關(guān)系滿足式

輸出負(fù)線接地時(shí)Ujd和Rjd的函數(shù)關(guān)系滿足式

圖3 列車(chē)供電系統(tǒng)直流側(cè)接地等效電路

如圖4所示為DC 600V 輸出正線/負(fù)線在不同接地電阻阻值時(shí)的仿真波形圖（Utb表示交流輸入電壓，Ujd表示傳感器SV2 電壓，以下的接地仿真波形中均相同）。隨著接地電阻的不斷減小，Ujd的輸出值也逐漸偏離300V，且系統(tǒng)空載和負(fù)載時(shí)波形一致，與RX大小無(wú)關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖4 輸出接地時(shí)仿真波形圖

4 交流側(cè)接地

根據(jù)圖1所示的電路結(jié)構(gòu)圖，電力機(jī)車(chē)列車(chē)供電系統(tǒng)交流側(cè)主要是指輸入的a7 端（第1 點(diǎn)）、x7端（第2 點(diǎn)）以及電抗器前端（第3 點(diǎn)）。這三個(gè)位置無(wú)論哪一點(diǎn)發(fā)生接地，疊加在接地電壓傳感器SV2 上的電壓Ujd既包括交流分量，也包括直流分量，電路計(jì)算還需要考慮晶閘管、整流管、平波電抗器、電容、電阻等因素，直接推導(dǎo)Ujd和Rjd之間的函數(shù)較為復(fù)雜，因此可借助Matlab 仿真進(jìn)行深入分析。

通過(guò)仿真模型考察發(fā)現(xiàn)，列車(chē)供電系統(tǒng)在不同負(fù)載工況下，a7 端、x7 端以及電抗器前端發(fā)生交流接地時(shí)，Ujd電壓均發(fā)生了較大畸變，情況各不相同，且隨著Rjd阻值的不斷減小，畸變程度越來(lái)越嚴(yán)重。

根據(jù)圖1所示，當(dāng)列車(chē)供電系統(tǒng)的a7 端（第1點(diǎn)）、x7 端（第2 點(diǎn)）以及電抗器前端（第3 點(diǎn)）發(fā)生接地故障時(shí)，接地等效電路如圖5所示，其中US為交流輸入電源，L1為電源短路阻抗，Rjd為交流接地時(shí)等效電阻，RX為客車(chē)負(fù)載。

圖5 列車(chē)供電系統(tǒng)交流側(cè)接地等效電路

利用仿真模型考察a7/x7/電抗器前端在不同負(fù)載工況下不同阻值Rjd時(shí)Ujd電壓波形，具體如下：

當(dāng)RX等效負(fù)載大于10Ω左右時(shí)，系統(tǒng)維持空載運(yùn)行或者小電流時(shí)，其Ujd的典型波形如圖6所示（Utb表示交流輸入電壓，Ujd表示傳感器SV2 電壓）。

圖6 輕載時(shí)交流接地仿真波形圖

隨著RX等效負(fù)載從10Ω逐漸減小，系統(tǒng)負(fù)載電流逐漸增大，其Ujd的典型波形如圖7所示。

圖7 負(fù)載時(shí)交流接地仿真波形圖

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)電力機(jī)車(chē)列車(chē)供電系統(tǒng)接地分析，考察了不同負(fù)載和不同接地電阻工況下的直流側(cè)接地和交流側(cè)接地波形，歸納出相應(yīng)的等效電路及仿真模型，總結(jié)出Ujd的輸出規(guī)律：

1）直流側(cè)接地時(shí)Ujd電壓輸出平穩(wěn)，且隨著Rjd不斷減小，其電壓逐漸偏離300V。直流正線接地時(shí)Ujd電壓變化范圍在0～300V 之間，直流負(fù)線接地時(shí)Ujd電壓變化范圍在300～600V 之間。

2）交流側(cè)接地時(shí)Ujd輸出波形出現(xiàn)畸變，且隨著交流輸入電壓的變化而出現(xiàn)周期性振蕩。隨著Rjd不斷減小，Ujd電壓峰-峰值越來(lái)越大，且會(huì)出現(xiàn)超過(guò)600V 以上的電壓或者負(fù)電壓的情況。

根據(jù)以上規(guī)律提出了系統(tǒng)接地判斷的工程化實(shí)現(xiàn)方法，并通過(guò)電力機(jī)車(chē)高壓試驗(yàn)，其接地判斷方法準(zhǔn)確可靠，目前已經(jīng)應(yīng)用于數(shù)百臺(tái)的HXD3C、HXD3D 和HXD1D 客運(yùn)電力機(jī)車(chē)的列車(chē)供電系統(tǒng)中。

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