1 000 kW軌道車接地保護(hù)電路仿真分析

吳曉威， 李 磊， 韓建寧， 王武俊

（中車永濟(jì)電機(jī)有限公司, 陜西 西安 710018）

引言

軌道車作為鐵路設(shè)備維修、大修、基建等設(shè)施部門執(zhí)行任務(wù)的主要運(yùn)輸工具，是鐵路運(yùn)輸工作中的重要組成部分。

軌道車在運(yùn)用過(guò)程中因?yàn)殡娎|老化、振動(dòng)摩擦、冷卻液漏液等因素造成主回路發(fā)生接地故障。一般而言，單點(diǎn)接地對(duì)系統(tǒng)的正常工作不會(huì)有太大影響，但兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地，就可能產(chǎn)生很大的短路電流，造成軌道車電傳動(dòng)系統(tǒng)部件燒損，嚴(yán)重情況下甚至?xí)l(fā)生火災(zāi)[1，2]。因此，針對(duì)主回路接地故障問(wèn)題進(jìn)行分析探討，準(zhǔn)確、迅速地對(duì)接地故障進(jìn)行判斷和處理是十分重要的。

1 接地保護(hù)電路

軌道車主電路系統(tǒng)接地保護(hù)電路采用成熟的HXD3B型電力機(jī)車接地方式，是由跨接在中間電路的3個(gè)串聯(lián)電阻（R1、R2、R3）和電壓傳感器TV3組成。R2和R3的連接部位與地相連，其中電阻R1和R2是 82kΩ，R3是 56kΩ。

2 接地檢測(cè)分析

圖1 牽引系統(tǒng)原理圖

整車控制單元LCU監(jiān)測(cè)主回路主要接地點(diǎn)，分別為發(fā)電機(jī)某相繞組輸出端、牽引變流器的輸入端、整流器、中間直流母線正端、直流母線負(fù)端、牽引逆變器輸出端等。列車控制單元LCU監(jiān)測(cè)接地電壓傳感器TV3的輸出電壓，根據(jù)接地電壓的波形可以判斷變流柜的絕緣性能，初步定位變流器發(fā)生接地故障的區(qū)域，從而檢查、維修相關(guān)部件和電纜連接等。

根據(jù)接地電壓判定接地故障的依據(jù)如下。

1）接地電壓傳感器TV3的輸出電壓范圍為時(shí)該變流柜支路無(wú)接地故障發(fā)生。

2）接地電壓傳感器TV3的輸出電壓范圍為0時(shí)，中間直流回路的負(fù)極發(fā)生接地故障。

3）接地電壓傳感器TV3的輸出電壓范圍為Udc時(shí)，中間直流回路的正極發(fā)生接地故障。

4）接地電壓傳感器TV3的輸出電壓在0和Udc之間交替變化，并且頻率為發(fā)電機(jī)頻率，發(fā)電機(jī)繞組接地或者變流器輸入端接地。

5）接地電壓傳感器TV3的輸出電壓在0和Udc之間交替變化，并且頻率為逆變器開關(guān)頻率，牽引電機(jī)輸入端接地或者變流器輸出端接地。

當(dāng)整車控制單元LCU檢測(cè)到接地電壓Ug超過(guò)正常值的30%就認(rèn)為出現(xiàn)接地故障，從而將主發(fā)電機(jī)卸載，主發(fā)勵(lì)磁電流降為0，并將柴油機(jī)轉(zhuǎn)速降至惰轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，同時(shí)輔發(fā)勵(lì)磁電流降至惰轉(zhuǎn)時(shí)的勵(lì)磁電流，此時(shí)系統(tǒng)降功運(yùn)行，列車可以繼續(xù)維持運(yùn)行。

當(dāng)整車控制單元LCU檢測(cè)到接地電壓Ug超過(guò)正常值的20%，即軌道車報(bào)接地故障，從而將主發(fā)電機(jī)卸載，主發(fā)勵(lì)磁電流降為0，并將柴油機(jī)轉(zhuǎn)速降至惰轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，同時(shí)輔發(fā)勵(lì)磁電流降至惰轉(zhuǎn)時(shí)的勵(lì)磁電流，此時(shí)系統(tǒng)降功運(yùn)行，列車可以繼續(xù)維持運(yùn)行。

3 仿真分析

根據(jù)牽引系統(tǒng)主回路搭建系統(tǒng)仿真模型，見圖2。牽引系統(tǒng)仿真模型由3個(gè)部發(fā)電機(jī)模塊，整流模塊、中間回路、逆變模塊以及電機(jī)控制模塊組成。在直流母線電壓DC 1 850 V，逆變輸出頻率30 Hz情況下進(jìn)行接地故障仿真。

圖2 牽引系統(tǒng)matlab仿真模型

圖3 直流母線電壓DC1850V時(shí)波形圖

圖4 主發(fā)電機(jī)組輸出一相接地（變流器輸入接地）

仿真波形圖3-7，分別為電機(jī)某相繞組接地、直流母線正接地、直流母線負(fù)接地和逆變器輸出接地故障仿真結(jié)果。其中：曲線1是輸入電壓，曲線2是電容電流，曲線3是直流母線電壓，曲線4是接地電壓，曲線5是母線前端電流，曲線6是母線后端電流，曲線7是牽引電機(jī)電壓，曲線8是牽引電機(jī)電流。

圖5 直流母線正端接地

圖6 直流母線負(fù)端接地

從仿真波形圖3中，可以看出正常情況下，接地電壓與中間電壓成比例變化，接地電壓大約為3/4Udc。從仿真波形圖4中可以看出，當(dāng)主發(fā)電機(jī)組輸出一相接地（變流器輸入接地）情況，接地電壓的外包絡(luò)線基本與中間電壓相同，由于出現(xiàn)接地故障時(shí)，輸出電壓在0和Udc之間交替變化，并且頻率為發(fā)電機(jī)頻率。上頁(yè)圖5是直流母線正端接地，此時(shí)接地電壓傳感器TV3的輸出電壓范圍為Udc。上頁(yè)圖6反應(yīng)的是直流母線負(fù)端接地情況，此時(shí)檢測(cè)到接地電壓傳感器TV3的輸出電壓范圍為0時(shí)。從圖7中可以看出，當(dāng)接地電壓傳感器TV3的輸出電壓在0和Udc之間交替變化，并且頻率為逆變器開關(guān)頻率，牽引電機(jī)輸入端接地或者變流器輸出端接地。4 結(jié)論

圖7 逆變器輸出一相接地（電機(jī)側(cè)接地）

本文針對(duì)1 000 kW軌道車接地檢測(cè)裝置進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果表明，軌道車接地檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)較為合理，能夠及時(shí)檢測(cè)接地故障，并且不會(huì)對(duì)牽引系統(tǒng)造成破壞性影響。

參考文獻(xiàn)

[1]李偉，郭曉燕，張波.“和諧”系列電力機(jī)車傳動(dòng)系統(tǒng)接地檢測(cè)比較[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2010（6）：88-91.

[2] 何欣，韓建寧，金春羽.HXD2型機(jī)車電傳動(dòng)系統(tǒng)接地故障淺析[J].鐵道機(jī)車與動(dòng)車，2015（1）：73-75.