牽引系統(tǒng)電氣保護(hù)

劉詩佳， 陸　陽

(1　北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100094；2　中國鐵道科學(xué)研究院　機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

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牽引系統(tǒng)電氣保護(hù)

劉詩佳1， 陸陽2

(1北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100094；2中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

首先介紹了常見電氣故障的種類及產(chǎn)生機(jī)理，并對保護(hù)與故障診斷進(jìn)行說明，重點闡述了保護(hù)試驗的目的、試驗流程及試驗方法，將保護(hù)試驗按照故障設(shè)置的難易程度分為實際故障的保護(hù)和模擬故障的保護(hù)，并對模擬故障的兩種實現(xiàn)方式，即軟件修改保護(hù)值和信號源模擬保護(hù)值兩種方法進(jìn)行對比。最后介紹了牽引系統(tǒng)主要故障的保護(hù)邏輯，并對系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計提出期望。

電氣故障； 保護(hù)試驗； 保護(hù)邏輯

牽引系統(tǒng)由大量電氣設(shè)備構(gòu)成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其故障發(fā)生具有一定的隨機(jī)性，牽引系統(tǒng)設(shè)置了各種故障檢測和保護(hù)功能，其目的是在系統(tǒng)發(fā)生故障后能夠及時地發(fā)現(xiàn)和定位，實現(xiàn)故障的隔離，防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大，從而保證列車能夠安全、可靠地運行，同時對保護(hù)牽引系統(tǒng)設(shè)備、提高設(shè)備的利用率也具有重要意義。

1　電氣故障與保護(hù)

按照電氣裝置的構(gòu)成特點，電氣故障可分為3類：電源故障、電路故障、設(shè)備和元件故障。常見的故障種類包括：短路、過流、過載、失壓、欠壓、過壓、過熱等。短路主要發(fā)生在電氣控制線路中的電器或配線絕緣遭到損壞、負(fù)載短路、接線錯誤時；過流是指設(shè)備或電氣元件超過其額定電流的運行狀態(tài)，多發(fā)生在負(fù)載短路時；過載屬于過流的一種特殊情況，指負(fù)載運行電流超過其額定電流但小于一定倍數(shù)額定電流的運行狀態(tài)；失壓發(fā)生在電源電壓突然消失，導(dǎo)致負(fù)載停止工作，一旦電源電壓恢復(fù)正常，負(fù)載有可能自行起動，從而造成機(jī)械設(shè)備損壞；欠壓是指設(shè)備或電氣元件在電源電壓降至一定百分比(如60%～80%)額定電壓時的運行狀態(tài)，會導(dǎo)致設(shè)備因過載而燒毀；過壓是指電磁鐵、電磁吸盤等大電感負(fù)載及直流電磁機(jī)構(gòu)、直流繼電器等，在通斷時會產(chǎn)生較高感應(yīng)電動勢造成電磁線圈擊穿而損壞；過熱是由于電氣設(shè)備絕緣損壞、長時間過壓或散熱不良引起的。

保護(hù)是建立在故障診斷的基礎(chǔ)之上的，故障診斷的職能首先是對系統(tǒng)正常運行過程中可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行檢測和辨識、區(qū)分故障模式，此外，故障診斷可以通過故障分析算法查找和確定導(dǎo)致相應(yīng)故障模式的故障元件組，并提出合理的故障隔離和故障處理方案。

保護(hù)就其功能上講與故障診斷大致相當(dāng)，主要包括故障檢測、故障辨識與評估、故障決策等。但是保護(hù)更側(cè)重于在檢測到某個具體故障時，能在預(yù)定的時間內(nèi)、采取預(yù)定的措施對故障進(jìn)行隔離，以保護(hù)其可能損壞的元件、防止故障范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。因此保護(hù)更注重的是故障檢測的靈敏性、準(zhǔn)確性和隔離故障元件過程中的快速性和可靠性方面。

2　保護(hù)試驗

2.1保護(hù)試驗流程

這里的保護(hù)試驗是指電力機(jī)車、電動車組整車組裝完后投入運行前的試驗。保護(hù)試驗的目的是檢驗牽引系統(tǒng)主電路、輔助電路的保護(hù)功能是否符合技術(shù)規(guī)范的要求，在發(fā)生電氣故障時，能否及時正確動作，有效地保護(hù)電路避免發(fā)生損壞。

進(jìn)行保護(hù)試驗前，首先要制定試驗大綱，先由廠家擬定，再由檢驗單位提出修改意見，最終共同討論確定。大綱應(yīng)明確需要檢驗的故障類型、故障方法和評定標(biāo)準(zhǔn)。故障類型取決于車輛種類及設(shè)計，試驗方法要詳細(xì)寫出故障如何實施，評定標(biāo)準(zhǔn)要明確列出具體的保護(hù)動作，以及具體保護(hù)限值。

試驗時，要嚴(yán)格按照試驗方法設(shè)置故障，詳細(xì)記錄整個試驗過程中的操作和車輛保護(hù)動作，對司機(jī)顯示屏上報出的故障信息、指示等進(jìn)行拍照記錄。在故障存在的情況下，按照信息提示，進(jìn)行故障復(fù)位，檢驗系統(tǒng)的工作情況及保護(hù)邏輯。將故障恢復(fù)后，還應(yīng)驗證系統(tǒng)功能的恢復(fù)情況。最后將試驗過程與評定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，判定試驗結(jié)果是否合格。

2.2保護(hù)試驗方法及分析

保護(hù)試驗可以按照試驗狀態(tài)分為：靜態(tài)保護(hù)試驗和動態(tài)保護(hù)試驗。大部分保護(hù)試驗為靜態(tài)保護(hù)試驗，個別保護(hù)試驗需要低速動車，如電機(jī)缺相、電機(jī)接地和速度信號丟失故障等，具體試驗項目根據(jù)車輛的設(shè)計不同而不同。

保護(hù)試驗按照故障設(shè)置的難易程度可分為：實際故障的保護(hù)和模擬故障的保護(hù)。對于故障設(shè)置較容易的，可以直接對設(shè)備硬件操作實現(xiàn)故障設(shè)置，如：電機(jī)缺相故障，可采用工具直接拆下變流器輸出至電機(jī)的其中一相線纜，并對斷開的線纜做好絕緣處理；牽引變流器輸出短路故障，可通過短路電纜將一臺牽引變流器其中兩相輸出至電機(jī)的大線短接；中間直流環(huán)節(jié)接地故障，可通過短路電纜分別將一臺牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)正、負(fù)極接地；油泵停止運行故障，直接手動斷開牽引變壓器油泵保護(hù)空氣開關(guān)等。

對于有些故障，在實際運用中發(fā)生的概率非常低，保護(hù)試驗的試驗條件也很難或不能滿足故障的設(shè)置，如：牽引繞組過流、變流器輸出過流等，則可以通過間接方法，即通過軟件模擬該類故障，模擬的故障雖不是實際故障，但對保護(hù)邏輯和保護(hù)動作可以實現(xiàn)有效的驗證。

模擬故障還可以通過兩種方式實現(xiàn)，即軟件修改保護(hù)值和信號源模擬保護(hù)值。軟件修改保護(hù)值可通過計算機(jī)直接修改傳輸至控制系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信息，包括保護(hù)限值和檢測值兩種，操作簡單，還可以在車輛動態(tài)下進(jìn)行故障設(shè)置。但是該方法省略了故障診斷過程，直接驗證保護(hù)邏輯，從實際運用的角度來看，只能算是一種功能性的驗證。信號源模擬保護(hù)值是將傳感器的輸入、輸出斷開接入信號源，通過調(diào)節(jié)信號源的輸出，實現(xiàn)故障的模擬，該方法更接近實際情況，但是由于需要用到信號源，故障實施過程較麻煩，同時也增加了設(shè)備維護(hù)、校準(zhǔn)等相關(guān)工作量。

這兩種方法各有利弊，互為補充。牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)過壓等故障通常采用軟件修改保護(hù)值的方法模擬，牽引變壓器過流、牽引變流器過流等故障則可采用信號源來模擬。

3　保護(hù)邏輯

保護(hù)邏輯通過程序來實現(xiàn)，是故障發(fā)生后系統(tǒng)的判斷、處理、動作及信息反饋等一系列過程。只有明確了系統(tǒng)的保護(hù)邏輯，才能對整個保護(hù)試驗有個全面的把握。

網(wǎng)壓高異常(過電壓)、網(wǎng)壓低異常(低電壓)故障發(fā)生后，系統(tǒng)針對網(wǎng)壓變化的具體情況，主斷立即跳開或在5 min后跳開，司機(jī)顯示屏報出網(wǎng)壓的相應(yīng)故障，主斷應(yīng)不允許閉合，在網(wǎng)壓恢復(fù)正常后，系統(tǒng)應(yīng)能檢測出來，司機(jī)屏可提示司機(jī)閉合主斷，或主斷自動閉合，復(fù)位后故障信息消失，系統(tǒng)可以正常工作。

牽引變壓器原邊過流故障發(fā)生后，主斷應(yīng)立即跳開(或隔離開關(guān)斷開)，司機(jī)顯示屏報出牽引變壓器的相應(yīng)故障，同時應(yīng)提示司機(jī)進(jìn)行切除變壓器(或自動切除)，切除故障變壓器后，主斷允許閉合，車輛可以降功率運行。牽引變壓器2次側(cè)繞組短路、2次側(cè)繞組過流、牽引變壓器2次側(cè)接地故障發(fā)生后，主斷應(yīng)立即跳開(或隔離開關(guān)斷開)，司機(jī)顯示屏報出牽引變壓器的相應(yīng)故障，同時應(yīng)提示司機(jī)切除故障繞組相連接的變流器(或自動切除)，然后主斷(隔離開關(guān))允許閉合，車輛可以降功率運行。

牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)短路/接地、牽引變流器輸出短路/過流故障發(fā)生后，主斷應(yīng)立即跳開(或隔離開關(guān)斷開)，司機(jī)顯示屏報出牽引變流器的相應(yīng)故障，同時應(yīng)提示司機(jī)切除故障變流器(或自動切除)，然后主斷(隔離開關(guān))允許閉合，車輛可以降功率運行。

牽引電機(jī)缺相/接地故障發(fā)生后，一般的保護(hù)邏輯為：主斷自動跳開(或隔離開關(guān)斷開)，司機(jī)顯示屏報出牽引電機(jī)的相應(yīng)故障，同時應(yīng)提示司機(jī)切除故障電機(jī)連接的相應(yīng)逆變器(或自動切除)，然后主斷(隔離開關(guān))允許閉合，車輛可以降功率運行。由于車輛控制有車控和架控之分，控制方式不同，逆變器以及逆變器連接的電機(jī)數(shù)量不同，如果一個電機(jī)故障，將其連接的逆變器切除，與該逆變器連接的其他電機(jī)也同時被切除，如果僅切除故障電機(jī)，這樣可以減少車輛的損失功率，提高車輛工作效率。

4　結(jié)束語

在驗證系統(tǒng)能否對故障進(jìn)行保護(hù)動作的同時，我們更關(guān)注的是系統(tǒng)保護(hù)邏輯的合理性。系統(tǒng)在發(fā)生故障時，應(yīng)將故障定位至最小單元，并將其隔離，盡量減少系統(tǒng)的損失，對車輛運行的影響能夠降至最低。同時，故障信息的顯示也需正確清晰、分類合理，保證司機(jī)在實際駕駛車輛時，能夠收到最簡單的故障描述及故障處理信息，并能夠按照提示進(jìn)行相應(yīng)的操作。對于檢修和設(shè)計人員能夠下載得到詳細(xì)的故障信息，方便對故障進(jìn)行分析處理。

[1]王磊.城市軌道交通能饋式牽引供電系統(tǒng)故障診斷及保護(hù)方法研究[D].北京：北京交通大學(xué).2010.

[2]張曙光.CRH2型動車組.[M].北京:中國鐵道出版社,2008.Electrical Protection of Traction System

LIUShijia1，LUYang2

(1Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co , Beijing 100094, China; 2Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

The types of common electrical fault and the reasons are described in this paper. Protection and fault diagnosis are explained as well. It focuses on the purpose, procedures and methods of protection test. According to the difficulty of fault setting, protection test is divided into actual fault protection and simulation fault protection. Two ways to achieve simulation fault are compared, changing protection value by software or signal source. Finally, the protection logic of main fault of traction system is introduced, and the protection design of traction system is proposed.

electrical fault; protection test; protection logic

1008-7842 (2016) 04-0106-02

??)女，助理工程師(

2015-12-18)

U260.4+1

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.27