HXD1C型機車主電路接地保護改進分析

林 輝

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710014)

HXD1C型機車主電路接地保護改進分析

林 輝

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710014)

對HXD1C型電力機車主電路接地保護原理進行了分析，針對主電路接地保護設(shè)計的不足提出了改進措施，并從理論上對改進HXD1C型電力機車主電路接地保護原理進行了分析，為HXD1C型電力機車主電路接地保護的準(zhǔn)確處理提供了明確的思路和方法。

HXD1C型電力機車；主電路；接地；改進

HXD1C型電力機車是南車株洲電力機車有限公司設(shè)計制造的7 200 kW新型大功率交流傳動機車。該機車主要用于鐵路牽引重載列車，具有牽引性能優(yōu)越、功率大、黏著利用率高、起動加速性能好、可靠性高和節(jié)能等優(yōu)點，可滿足我國干線鐵路運輸?shù)男枨?。HXD1C型電力機車自2009年運用以來，主電路接地故障偶有發(fā)生，曾出現(xiàn)過主回路活接地故障，機車回段后故障現(xiàn)象消失。由于該機車控制系統(tǒng)沒有相關(guān)的參數(shù)分析、記錄和存儲，因而造成故障查找困難，對機車運用產(chǎn)生不利影響[1]。

本文對HXD1C型電力機車主電路進行了分析，通過改進設(shè)計來消除主電路接地故障，進而降低了機車接地故障，提高了機車運用效率。

1 主電路接地保護設(shè)計原理分析

1.1 主電路接地保護設(shè)計原理

HXD1C型電力機車主電路原理圖如圖1所示。阻值為10 kΩ的電阻R1和R2串聯(lián)在直流回路的兩端，中間點接地。正常時，電壓傳感器VH1檢測電阻R1的電壓是直流回路端電壓的一半，電壓傳感器VH2和VH3檢測的是直流回路的端電壓。主電路出現(xiàn)接地故障時，電阻R1上的電壓就會發(fā)生改變，電壓傳感器VH2和VH3檢測的直流電路的端電壓作為基準(zhǔn)電壓對電阻R1上的電壓進行比較判斷：當(dāng)電阻R1上的電壓變化超過正常值的80%時，就認(rèn)為主電路接地，機車跳主斷進行保護[2]。

圖1 HXD1C型電力機車主電路原理圖

1.2 主電路接地保護設(shè)計不足

主電路接地保護的設(shè)計存在下述不足。

1)當(dāng)進行接地保護時，并沒有進行相對接地范圍的判斷和指示，給檢修人員查找故障帶來困難。

2)當(dāng)電阻R1和R2的中間點接地后，主回路中存在的很多干擾能量(主要為高次諧波能量)就會通過電阻R1和R2對地進行釋放，這些干擾能量的釋放將會在電阻R1和R2上產(chǎn)生干擾電壓，即會造成電阻R1上的電壓波動。為了避免干擾電壓帶來的誤判，設(shè)計為當(dāng)電阻R1的電壓變化超過正常值的80%時，判斷為主回路接地，跳主斷進行保護，即干擾電壓幅值在正常電壓的80%內(nèi)都不會造成誤判，但電路中沒有考慮濾除在電阻R1上干擾電壓的設(shè)計。

3)主電路接地保護存在盲區(qū)，從理論上分析交流繞組的大部分接地都得不到有效保護[3]。

2 改進后的主電路接地保護分析

2.1 改進后的主電路接地保護原理

改進后的HXD1C型電力機車主電路原理圖如圖2所示。

圖2 改進后的HXD1C型電力機車主電路原理圖

主電路接地保護的原理改進主要在下述3個方面(圖2中虛線框部分)。

1)硬件部分。阻值為10 kΩ的電阻R1和阻值為30 kΩ的電阻R2串聯(lián)在直流回路的兩端，兩電阻之間的點接地。正常時，電壓傳感器VH1檢測電阻R1的電壓是直流回路端電壓的1/4，電壓傳感器VH2和VH3檢測的是直流回路的端電壓。當(dāng)電路中出現(xiàn)接地故障時，電阻R1上的電壓就會發(fā)生改變，電壓傳感器VH2和VH3檢測的直流回路的端電壓作為基準(zhǔn)電壓對電阻R1上的電壓進行比較判斷：當(dāng)電阻R1上的電壓變化超過正常值的100%時，認(rèn)為主電路接地，機車跳主斷進行保護。

2)程序部分。通過編程對電壓傳感器VH1檢測電阻R1電壓的信號進行進一步的分析：若識別出存在50 Hz的固定頻率的交流分量信號，則可判斷為供電繞組部分有接地點；若識別出存在200 Hz以內(nèi)的交流分量信號，但不是50 Hz固定頻率，則可判斷為電動機繞組部分有接地點；若識別沒有200 Hz以內(nèi)的交流分量信號，且電壓為0，則可判斷為直流回路的“+”極部分有接地點；若識別沒有200 Hz以內(nèi)的交流分量信號，且電壓為最大端電壓時，則可判斷為直流回路的“-”極部分有接地點。

3)關(guān)鍵參數(shù)記憶存儲部分。通過程序?qū)﹄妷簜鞲衅鱒H1檢測電阻R1電壓波形和電壓傳感器VH2檢測的全電壓波形進行跟蹤和部分的記憶存儲。對接地故障發(fā)生時前、后各短時間(如1 s)內(nèi)的波形進行記憶存儲，通過查看和分析故障發(fā)生時間的相關(guān)波形來相對精確地判斷故障點。

2.2 改進后的主電路接地保護電路分析

2.2.1 改進后的供電繞組正半波電路分析

a1x1繞組供電，當(dāng)a1端為“+”，x1端為“-”，并且為最大值時，四象限工作的等效電路如圖3所示。圖3中的D1、D2二極管為四象限的等效情況，a1x1繞組中的0點為繞組的中心點，a0.5點為中心點0到a1端點0.5倍的地方，x0.5點為中心點0到x1端點0.5倍的地方，虛線分別為具有電路特性點處的假設(shè)接地回路。

圖3 改進后正半波供電繞組接地保護等效電路圖

當(dāng)a0.5點接地時，即假設(shè)的虛線2接通，供電繞組a0.5點到a1點的電壓加到電阻R1上。由于a0.5點到a1點的電壓等于1/4的a1x1端電壓，也等于電阻R1上的電壓，所以不會給電阻R1上的電壓帶來變化，即電阻R1上的電壓還是維持1/4的直流回路端電壓，保護電路不動作。當(dāng)0點接地時，即假設(shè)的虛線1接通，可以看到供電繞組a1點到x1點的端電壓加在電阻R1上了，使電阻R1上的電壓從1/4端電壓變成了1/2端電壓，電阻R1上的電壓發(fā)生了100%的變化，正好處于保護設(shè)計的臨界狀態(tài)。當(dāng)a1點接地時，即假設(shè)的虛線3接通，可以看到供電繞組a1點到0點的端電壓全部加在電阻R2上了，電阻R1上的電壓從1/4端電壓變成了零，電阻R1上的電壓發(fā)生了100%的變化，也正好處于保護設(shè)計的臨界狀態(tài)。當(dāng)x1點接地時，即假設(shè)的虛線5接通，可以看到供電繞組a1x1的端電壓全部加在電阻R1上了，電阻R1上的電壓從1/4端電壓變成了全部的端電壓，電阻R1上的電壓發(fā)生了300%的變化，接地保護電路將保護動作。

綜上所述，供電繞組a1x1中，當(dāng)a1端為“+”，x1端為“-”，并且為最大值，四象限工作的情況下， a1到0段繞組接地不保護，0到x1段繞組接地起保護。

2.2.2 改進后的供電繞組負(fù)半波電路分析

a1x1繞組供電，當(dāng)x1端為“+”，a1端為“-”，并且為最大值時，四象限工作的等效電路如圖4所示。圖4中的D3、D4二極管為四象限的等效情況，a1x1繞組中的0點為繞組的中心點，a0.5點為中心點0到a1端點0.5倍的地方，x0.5點為中心點0到x1端點0.5倍的地方，虛線分別為具有電路特性點處的假設(shè)接地回路。同理分析得出，供電繞組a1x1中，當(dāng)x1端為“+”，a1端為“-”，并且為最大值，四象限工作的情況下，x1到0段繞組接地不保護，0到a1段繞組接地起保護[4]。

圖4 改進后負(fù)半波供電繞組接地保護等效電路圖

2.2.3 改進后的供電繞組全波電路分析

綜上所述，在1個周波的電壓變化內(nèi)，供電繞組a1x1的接地全部能夠判斷和保護。進一步分析可知，供電繞組a1x1內(nèi)的1點接地，造成電阻R1電壓的變化，是隨著供電繞組a1x1輸出電壓的大小和極性的變化而改變，呈現(xiàn)出與a1x1供電繞組輸出電壓相同的周期性，所以若識別出電阻R1存在50 Hz的固定頻率的交流分量信號，則可相對判斷為供電繞組部分有接地點。

3 結(jié)語

通過對HXD1C型電力機車主電路接地保護改進分析可知，改進后的主電路接地保護可實現(xiàn)可靠的、全回路的接地保護范圍，相對準(zhǔn)確的故障范圍判斷，以及高次干擾諧波的濾除電路，對判斷和查找主電路接地故障提供了方便。主電路接地保護的改進具有可行性，硬件設(shè)備和參數(shù)記憶存儲部分的改進實現(xiàn)相對比較容易，并且起到關(guān)鍵性的作用，程序改進部分的實現(xiàn)相對比較困難，可在研究成熟后實施。

[1] 康明明,樊運新.HXD1C型大功率交流傳動電力機車概述[J].電力機車與城軌車輛,2011(3):5-8.

[2] 徐培剛,彭軍華,羅鐵軍. HXD1C型機車主電路接地故障分析[J].機車電傳動,2013(3):103-107.

[3] 龔菊芳,彭軍華,任小冬. HXD1C型機車輔助電路接地故障分析及處理[J].機車電傳動, 2013(4):105-106.

[4] 高首聰,劉可安,李鵬. HX_D1C型電力機車電傳動系統(tǒng)設(shè)計及運用[J].機車電傳動,2012(2):70-74.

責(zé)任編輯馬彤

AnalysisofMainCircuitGroundingFaultProtectionImprovementsofHXD1CLocomotive

LIN Hui

(Xi′an Railway Vocational & Technical Institute, Xi′an 710014, China)

HXD1C electric locomotive circuit ground protection principle was analyzed, the main circuit ground protection against inadequate design recommendations for improvement was presented, and improvement of HXD1C electric locomotive circuit grounding protection was theoretically analyzed, it provided ideas and methods for the accurate processing of explicit type HXD1C electric locomotive main circuit grounding protection.

HXD1C electric locomotive, main circuit, grounding, improvement

U 269.6

：B

林輝(1975-)，男，副教授，主要從事控制理論與控制工程等方面的研究。

2014-09-18