HXD3C型電力機(jī)車接地故障分析及解決方案

周子航　上海鐵路局上海機(jī)車檢修段

HXD3C型電力機(jī)車是中國中車集團(tuán)在HXD3型電力機(jī)車（日本東芝公司）和HXD3B型（加拿大龐巴迪公司）的基礎(chǔ)上，采用高度集成化和模塊化的設(shè)計(jì)思路，研發(fā)和生產(chǎn)的交--直--交型六軸7200kW客貨兩用電力機(jī)車，具有起動（持續(xù)）牽引力大、恒功率速度范圍寬、粘著性能好、功率因數(shù)高、能源消耗低等特點(diǎn)。

在機(jī)車運(yùn)用及入庫檢修調(diào)試過程中，接地故障是最為常見的電氣故障之一?！敖拥毓收稀敝傅氖且驒C(jī)車的連接電纜絕緣破壞、電纜接頭或線排毛刺、電氣觸頭飛弧等導(dǎo)致電路與車體、車架以及與之相連或相鄰的導(dǎo)電體導(dǎo)通而引起的機(jī)車電氣故障。一般而言，單點(diǎn)接地對機(jī)車的正常工作影響較低，但兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地的情況可能會產(chǎn)生較大的短路電流，危及系統(tǒng)部件的正常工作，甚至導(dǎo)致機(jī)破。

為保障機(jī)車行車安全、提高機(jī)車檢修時(shí)的故障排查效率，本文就HXD3C型電力機(jī)車的主電路、輔助電路以及控制電路的接地故障進(jìn)行分析，并提出對應(yīng)的故障排除思路。

1　主電路接地故障分析

HXD3C型電力機(jī)車主電路主要由網(wǎng)側(cè)電路、主變壓器、主變流器和牽引電機(jī)四部分組成。25kV單相交流電經(jīng)由車頂高壓電路進(jìn)入機(jī)車主變壓器，隨后通過整流、逆變等過程將電能輸送給三相交流牽引電機(jī)，如圖1所示。

圖1　HXD3C型電力機(jī)車主電路（網(wǎng)側(cè)電路未畫出）

由于機(jī)車主電路系統(tǒng)集成度較高（整流、中間電路、逆變等相關(guān)電器封裝于主變流器內(nèi)）以及C4修工藝范圍（主變壓器和主變流器不下車）等因素的影響，主電路的接地故障主要為活接地故障，或稱浮接地故障，表現(xiàn)為主電路接地故障后出現(xiàn)又消失，隨后不定時(shí)反復(fù)出現(xiàn)，具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和隱蔽性，嚴(yán)重影響機(jī)車的正常運(yùn)用。

結(jié)合機(jī)車主電路高電壓、大電流的特點(diǎn)，活接地故障主要出現(xiàn)在機(jī)車牽引電機(jī)負(fù)載運(yùn)行過程中。隨著機(jī)車負(fù)載的增大，牽引電機(jī)端電壓也隨之提高，當(dāng)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，若某點(diǎn)存在絕緣不良，如過度磨損、絕緣材料老化、破裂或破損等，則會導(dǎo)致對相鄰導(dǎo)體爬電，造成接地。當(dāng)此高電位下降至材料絕緣性得以維持時(shí)，接地故障消失。

結(jié)合上述分析過程，解決此類主電路的接地故障的關(guān)鍵在于尋找可能的活接地點(diǎn)，重點(diǎn)關(guān)注機(jī)車主電路大線是否與周邊部件存在碰磨現(xiàn)象（該問題在機(jī)車質(zhì)檢和驗(yàn)收過程中多次出現(xiàn)）、6個(gè)牽引電機(jī)大線絕緣是否完好、電機(jī)接線柱處是否有放電痕跡。此外，機(jī)車主電路活接地故障具有一定的季節(jié)性和周期性，如南方梅雨季節(jié)易導(dǎo)致機(jī)車內(nèi)部部分區(qū)域因排水不暢而出現(xiàn)內(nèi)部積水、夏季因機(jī)車散熱不良而導(dǎo)致絕緣能力下降，從而引起鄰近線頭出現(xiàn)閃烙接地。

2　輔助電路接地故障分析

從功能上來看，HXD3C型電力機(jī)車的輔助電路可劃分為三相輔助供電電路、輔助加熱電路和庫用電源電路三個(gè)相對獨(dú)立的部分。

就三相輔助電路而言，機(jī)車設(shè)有兩組獨(dú)立的輔助變流器UA11、UA12（又稱 APU1、APU2），其工作情況直接關(guān)系機(jī)車的工作狀態(tài)，是機(jī)車安全運(yùn)行的關(guān)鍵。輔助變流系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)理念，每個(gè)輔助變流器內(nèi)的保護(hù)電路均能夠?qū)崿F(xiàn)接地、過流、過壓、過溫、過載等保護(hù)功能。當(dāng)輔助回路出現(xiàn)接地故障時(shí)，TCMS會自動斷開對應(yīng)的輸出接觸器KM11或KM12，然后再閉合故障轉(zhuǎn)化接觸器KM20，從而維持機(jī)車輔助系統(tǒng)的運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)如圖2所示。結(jié)合此類接地故障出現(xiàn)的原因，可根據(jù)輔助電路工作接觸器KM11、KM12、KM20、預(yù)充電接觸器AK以及工作接觸器K的相對位置以及工作特點(diǎn)，采用甩線、隔離等操作進(jìn)行分片區(qū)排查。

圖2　HXD3C型電力機(jī)車輔助電路示意圖

圖3　HXD3C型電力機(jī)車部分輔助設(shè)備電路

此外，采用類似的借助接觸器、開關(guān)、端子排處甩線等分片區(qū)故障排查法也基本適用于各輔助設(shè)備接地故障。根據(jù)APU運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，APU自身很少發(fā)生接地故障，絕大多數(shù)APU接地故障是由輔助設(shè)備接地造成。此時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注KM12、KM20、以及各輔助設(shè)備之間的電氣線路，如圖3所示。以機(jī)車上電前的絕緣檢測中發(fā)現(xiàn)油泵接地故障為例，該故障表現(xiàn)為兆歐表在U2、U4點(diǎn)測量時(shí)顯示絕緣電阻為0，依次斷開各輔助設(shè)備開關(guān)，發(fā)現(xiàn)斷開QA21后檢測恢復(fù)正常，閉合QA21則表現(xiàn)接地故障。所以此時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注QA21與MA21（油泵1）之間的電氣線路；在斷開QA21的前提下，斷開車底油泵1和2接線端子排上228線的連接，對兩端接線以及對應(yīng)端子進(jìn)行絕緣檢測，僅發(fā)現(xiàn)228線近MA21側(cè)接地；在上述甩線基礎(chǔ)上，拆除228線與MA21的U、V、W接線柱的連接后進(jìn)行絕緣檢測，發(fā)現(xiàn)MA21絕緣良好，但油泵與端子排之間的車底連線接地，由此可以判定接地點(diǎn)出現(xiàn)在該段接線上。實(shí)踐證明該接地故障是由該段接線接頭處部分銅絲毛刺未進(jìn)行有效包扎導(dǎo)致。

3　控制電路接地故障分析

機(jī)車的正常運(yùn)行離不開各系統(tǒng)精確的控制和信息監(jiān)測。對HXD3C型電力機(jī)車而言，其控制電路主要包括三大系統(tǒng)（機(jī)車控制和管理系統(tǒng)、機(jī)車行車安全綜合信息監(jiān)控系統(tǒng)以及克諾爾CCBⅡ制動系統(tǒng)）電路以及機(jī)車外圍電路構(gòu)成。

與HXD3B型電力機(jī)車不同，HXD3C型電力機(jī)車的控制回路接地故障檢測延續(xù)了HXD3型電力機(jī)車，采用負(fù)極接地模式，如圖4所示。該接地檢測電路由一個(gè)接地檢測開關(guān)QA59以及兩個(gè)高阻值電阻R71、R72并聯(lián)組成，并聯(lián)后的兩端分別連接至車體接地點(diǎn)以及DC110V回路的負(fù)極。正常工作時(shí)，QA59自動開關(guān)閉合，兩個(gè)高阻值電阻被短接，回路直接經(jīng)由該開關(guān)支路與接地點(diǎn)連接，為DC110V電源電路提供對地基準(zhǔn)電位；當(dāng)發(fā)生正極接地故障時(shí)，自動開關(guān)QA59斷開，此時(shí)機(jī)車控制回路則經(jīng)由高阻值電阻與車體接地點(diǎn)連接，代替原先的開關(guān)支路提供對地基準(zhǔn)電位，維持機(jī)車運(yùn)行。結(jié)合該類接地檢測原理以及上述分析可知，該種接地故障檢測方式只能判定正極接地，而無法判定負(fù)極接地故障。因此當(dāng)DC110 V電源電路存在負(fù)極接地而未被識別排除時(shí)，一旦機(jī)車的控制回路出現(xiàn)了正極接地故障，則會引起整個(gè)機(jī)車控制電源短路，嚴(yán)重危及機(jī)車正常運(yùn)行。

圖4　HXD3C型電力機(jī)車控制回路接地檢測電路

因此，結(jié)合上述對控制電路接地檢測電路的原理分析，故障排除前應(yīng)首先區(qū)分是正極接地、負(fù)極接地還是正負(fù)極同時(shí)接地。當(dāng)確定控制電路正極接地時(shí)，利用“瞬時(shí)停電”法，在機(jī)車蓄電池供電情況下（保持 QA61 閉合），依次斷開、閉合 QA41～QA58、QA60、QA62、QA63斷路器，直至微機(jī)屏“接地故障”提示消失，此時(shí)對應(yīng)的回路即為接地故障回路。值得注意的是在排除接地故障后應(yīng)再次進(jìn)行確認(rèn)，避免漏查漏檢多點(diǎn)接地故障。當(dāng)確定是負(fù)極接地時(shí)，結(jié)合負(fù)極接地的隱蔽性特點(diǎn)，可采用經(jīng)驗(yàn)法（刮雨器、重連電話、冰箱等回路）、接插件拔除法、負(fù)線母排拆線排除法；當(dāng)發(fā)現(xiàn)控制回路的正負(fù)極均出現(xiàn)對地絕緣程度低等情況，可采取上述正極接地排除法、負(fù)極接地排除法或者交叉使用。

4　結(jié)論

本文就HXD3C型電力機(jī)車的主電路、輔助電路以及控制電路的接地故障進(jìn)行分析，并提出對應(yīng)的故障排除思路，提高了解決該型機(jī)車接地故障的判斷和排除效率。對機(jī)車主電路接地故障而言，結(jié)合機(jī)車主電路高電壓、大電流的特點(diǎn)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注機(jī)車主電路中的牽引電機(jī)大線絕緣是否完好，并注意季節(jié)性因素；對機(jī)車輔助電路接地故障而言，可根據(jù)輔助電路工作接觸器KM11、KM12、KM20、預(yù)充電接觸器AK以及工作接觸器K的相對位置以及工作特點(diǎn)，采用甩線、隔離等操作進(jìn)行分片區(qū)排查；對機(jī)車控制電路接地故障而言，需結(jié)合接地檢測裝置的工作原理，在區(qū)分正極接地、負(fù)極接地還是正負(fù)極同時(shí)接地的基礎(chǔ)上采用對應(yīng)的接地故障排除方法。

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