交流傳動(dòng)電力機(jī)車主電路保護(hù)技術(shù)分析

何 平

（中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司，北京 100844）

我國(guó)鐵路牽引供電制式是單相交流25 kV/50 Hz。交流傳動(dòng)電力機(jī)車整車牽引功率大、網(wǎng)側(cè)電流大，主電路的穩(wěn)定工作和安全運(yùn)行是交流傳動(dòng)電力機(jī)車牽引功率發(fā)揮、鐵路弓網(wǎng)正常運(yùn)用的重要保障。HXD1系列、HXD2系列以及HXD3系列交流傳動(dòng)電力機(jī)車主電路均設(shè)計(jì)有較為完善的保護(hù)方案，由于各系列機(jī)車技術(shù)平臺(tái)不同，在主電路設(shè)計(jì)和保護(hù)方案上略有差異。將綜合各和諧系列電力機(jī)車的技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)交流傳動(dòng)電力機(jī)車的主電路保護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行介紹和分析。

1 典型主電路介紹

現(xiàn)和諧系列交流傳動(dòng)電力機(jī)車采用交-直-交電傳動(dòng)，水冷IGBT變流技術(shù)。機(jī)車通過網(wǎng)側(cè)電路的受電弓、主斷路器等將接觸網(wǎng)電源引至牽引變壓器原邊，牽引變壓器次邊牽引繞組向牽引變流器四象限變流器供電，經(jīng)四象限變流器整流成直流電后形成中間直流回路，再經(jīng)PWM逆變器向牽引電機(jī)供電。以一架為例，交流傳動(dòng)電力機(jī)車的典型主電路原理示意圖如圖1所示。

主電路還包括高壓隔離開關(guān)、避雷器、電壓互感器、原邊電流互感器（或過流繼電器）、回流電流互感器等設(shè)備。主斷路器起正常工作或故障保護(hù)時(shí)主電路的分、合閘作用，電壓及電流互感器將檢測(cè)的信號(hào)送給機(jī)車牽引控制系統(tǒng)，同時(shí)給機(jī)車能耗表，用于顯示機(jī)車的能耗情況。

根據(jù)電路的功能和結(jié)構(gòu)，現(xiàn)將圖1主電路劃分為網(wǎng)側(cè)電路、變壓器次邊、四象限整流電路（含預(yù)充電電路）、中間直流回路（含斬波電路或撬棒放電電路）以及逆變器輸出電路，其中中間直流回路包括支撐電容、接地檢測(cè)電路以及濾波電路。

圖1 典型交流傳動(dòng)電力機(jī)車主電路示意圖

2 主電路保護(hù)

交流傳動(dòng)電力機(jī)車對(duì)主電路的各個(gè)回路均進(jìn)行了接地、過壓及過流/短路檢測(cè)，并對(duì)接地、過壓及過流/短路故障進(jìn)行了安全保護(hù)設(shè)計(jì)。

2.1 網(wǎng)側(cè)電路保護(hù)

針對(duì)主斷路器前的網(wǎng)側(cè)電路部分，設(shè)置有受電弓、高壓隔離開關(guān)和避雷器，以及網(wǎng)側(cè)電壓監(jiān)測(cè)的高壓電壓互感器，其中車頂避雷器用于吸收雷電過電壓、操作過電壓。各高壓電器通過軟連線或?qū)щ姉U連接，該段電路通過升起受電弓直接與接觸網(wǎng)連接，無自動(dòng)隔離的保護(hù)電氣設(shè)備，機(jī)車對(duì)該段電路不具備隔離保護(hù)功能。電力機(jī)車該段電路整體上比較穩(wěn)定可靠，常見的故障有刮弓、避雷器絕緣擊穿，以及惡劣天氣下的絕緣子閃絡(luò)、高壓電器帶電裸露部分的對(duì)地絕緣擊穿等。該類故障發(fā)生后，通過牽引供電網(wǎng)的地面保護(hù)設(shè)備進(jìn)行切斷保護(hù)。以下介紹的交流傳動(dòng)電力機(jī)車的網(wǎng)側(cè)電路檢測(cè)保護(hù)不包括主斷路器前部分的電路。

（1）網(wǎng)側(cè)電路接地、過流/短路檢測(cè)保護(hù)網(wǎng)側(cè)電路接地檢測(cè)保護(hù)主要有2個(gè)方式。

第1種是通過比較原邊電流互感器與回流電流互感器電流差值，在差值大于設(shè)定值時(shí)，則判斷為接地故障，觸發(fā)接地保護(hù)動(dòng)作，進(jìn)行保護(hù)性分主斷等。

第2種是通過主斷路器后的過流繼電器檢測(cè)，在發(fā)生過流或短路故障時(shí)，過流繼電器檢測(cè)電流值超過設(shè)定保護(hù)值，過流繼電器輔助觸點(diǎn)硬線信號(hào)觸發(fā)機(jī)車的保護(hù)性分主斷，故障消除后，過流繼電器恢復(fù)，才允許重新合主斷。

針對(duì)第1種接地檢測(cè)保護(hù)方式，過流/短路檢測(cè)保護(hù)是通過原邊電流互感器電流值判斷，在原邊電流互感器的電流有效值大于保護(hù)門限值時(shí)，觸發(fā)過流/短路保護(hù)，機(jī)車將進(jìn)行保護(hù)性分主斷等。與接地保護(hù)一樣，過流/短路保護(hù)均通過網(wǎng)絡(luò)控制進(jìn)行保護(hù)性分主斷。

對(duì)比2種接地保護(hù)方式，理論上第1種方式可以對(duì)因低絕緣破壞產(chǎn)生的較低等級(jí)的接地泄漏電流進(jìn)行檢測(cè)和保護(hù)，綜合目前采用該2種保護(hù)方式的機(jī)車，實(shí)際工程運(yùn)用中均比較可靠，都實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)車的良好可靠的保護(hù)。

（2）網(wǎng)側(cè)電路過壓保護(hù)

網(wǎng)側(cè)電路過壓保護(hù)通過主斷路器前的高壓電壓互感器檢測(cè)的電壓大小進(jìn)行判斷，電壓互感器檢測(cè)的網(wǎng)壓值反應(yīng)了主電路各電氣設(shè)備的實(shí)際工作電壓值。網(wǎng)壓長(zhǎng)時(shí)間過高，對(duì)網(wǎng)側(cè)電路的高壓設(shè)備、主變壓器原邊繞組的絕緣等有影響，同時(shí)網(wǎng)壓過高影響變壓器次邊繞組電壓，影響與變壓器次邊繞組直接連接的牽引變流器電氣設(shè)備的絕緣可靠性。一般而言，交流傳動(dòng)電力機(jī)車設(shè)計(jì)的功率發(fā)揮的網(wǎng)壓范圍為17.5～29 kV，網(wǎng)壓超過29 kV但不大于32 kV時(shí)機(jī)車進(jìn)行線性降功率保護(hù)，超過32 kV時(shí)進(jìn)行斷主斷保護(hù)等，只有當(dāng)網(wǎng)壓恢復(fù)正常范圍機(jī)車才允許重新合主斷。

2.2 變壓器次邊、四象限整流電路、中間直流回路及逆變輸出接地檢測(cè)保護(hù)

四象限整流電路及逆變電路與二極管橋式電路相比，采用了IGBT與二極管反向并聯(lián)，在IGBT的控制門電路啟動(dòng)之前，由于IGBT被關(guān)閉，與二極管的電路功能一樣。IGBT開通后，中間直流回路隨IGBT通斷與四象限整流輸入電路及PWM逆變輸出電路聯(lián)通。目前和諧系列交流傳動(dòng)電力機(jī)車的變壓器次邊、四象限整流電路、中間直流回路及逆變輸出接地均通過中間直流回路的接地檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)。

2.2.1接地檢測(cè)

變壓器次邊、四象限整流電路、中間直流回路及逆變輸出接地檢測(cè)的方式有2種：方式1是通過中間直流回路接地檢測(cè)電路的全電壓與半電壓的比值或差值大小判斷，電路原理如圖2所示；方式2是通過串接在中間直流回路的接地檢測(cè)電路的電流傳感器進(jìn)行檢測(cè)判斷，電路原理如圖3所示。

圖2 電壓比較法接地檢測(cè)電路

圖3 接地電流傳感器檢測(cè)法接地檢測(cè)電路

如圖2所示，方式1接地檢測(cè)電路由跨接在中間直流電路的兩個(gè)阻值相同的分壓電阻R1、R2和中點(diǎn)電壓檢測(cè)的VH1電壓傳感器組成。正常工況下，VH1傳感器測(cè)得的直流電壓值為VH2、VH3測(cè)得的中間直流支撐電壓的一半。當(dāng)電路中出現(xiàn)接地故障，兩電壓值的差值或比值超過設(shè)定值時(shí)，則判斷為接地故障，機(jī)車控制系統(tǒng)可進(jìn)行斷主斷等保護(hù)。

如圖3所示，方式2接地檢測(cè)電路由跨接在中間直流電路的兩個(gè)阻值相同的分壓電阻R1、R2和與中點(diǎn)串聯(lián)的接地電流傳感器GCT組成，接地檢測(cè)功能投入時(shí)，電流傳感器另一端通過開關(guān)打至接地狀態(tài)。工作正常時(shí)，由于只有1點(diǎn)接地，接地電流傳感器GCT中無電流流過，當(dāng)電路中出現(xiàn)接地故障時(shí)，接地電流傳感器的接地端、接地故障點(diǎn)與中間直流電路形成回路，接地檢測(cè)電流傳感器有電流流過，接地保護(hù)裝置動(dòng)作，機(jī)車控制系統(tǒng)可進(jìn)行斷主斷等相關(guān)保護(hù)。中間直流回路單點(diǎn)接地等不影響電氣功能的故障，可通過將GS1打至非接地位，隔離接地檢測(cè)功能，可維持機(jī)車?yán)^續(xù)運(yùn)行。

變壓器次邊、四象限整流電路、中間直流回路及逆變輸出接地故障均可通過中間直流回路的接地檢測(cè)、電路檢測(cè)判斷。其中，變壓器次邊電壓直接隨變壓器特性和原邊電壓變化而變化，中間直流回路電壓受四象限整流器控制，逆變器輸出電壓受PWM逆變器控制。各回路單點(diǎn)接地故障后影響不同，各譜系機(jī)車大多進(jìn)行了斷主斷、隔離封鎖對(duì)應(yīng)變流器后繼續(xù)行車的保護(hù)方案，具體保護(hù)細(xì)節(jié)上各譜系機(jī)車略有差異。

2.2.2接地位置的定位

隔離封鎖對(duì)應(yīng)變流器，可以隔離四象限整流、中間直流以及逆變輸出電路的接地故障點(diǎn)。針對(duì)變壓器次邊接地故障，隔離封鎖對(duì)應(yīng)變流器后，接地檢測(cè)裝置也被隔離，故障點(diǎn)仍存在且處于不被監(jiān)控狀態(tài)。交流傳動(dòng)電力機(jī)車變壓器次邊電壓達(dá)1 000 V左右，長(zhǎng)時(shí)間接地且不被監(jiān)控運(yùn)行是極其危險(xiǎn)的。各回路單點(diǎn)接地故障對(duì)系統(tǒng)的影響也不同，進(jìn)行區(qū)分后可以進(jìn)行區(qū)別性保護(hù)和處理，同時(shí)也有利于對(duì)故障的查找，便于檢修與維護(hù)，各回路接地故障定位方法如下。

（1）四象限整流電路、中間直流回路及逆變輸出接地點(diǎn)定位

水冷IGBT控制變流器，中間直流電源為持續(xù)穩(wěn)定的直流電源信號(hào)，四象限整流器的IGBT開關(guān)頻率為固定值，PWM逆變器IGBT開關(guān)頻率在最大工作頻率內(nèi)隨電機(jī)控制需要變化，四象限整流電路、中間直流回路及逆變器輸出接地點(diǎn)定位判斷邏輯框圖如圖4所示。

（2）變壓器次邊接地點(diǎn)定位

按上述判斷邏輯定位的四象限整流電路接地點(diǎn)，具體接地位置可能是與四象限整流器連接的變壓器次邊，也可能四象限整流器的IGBT模塊與預(yù)充電電路之間部分，如圖5所示。正常工作變流器，斷開短接接觸器k2可隔離預(yù)充電電路后的接地點(diǎn)。變流器不能隔離變壓器次邊的接地點(diǎn)，因此需要進(jìn)一步定位。

圖4 四象限整流電路、中間直流回路及逆變輸出接地點(diǎn)定位判斷邏輯框圖

如圖5所示，在四象限整流器IGBT關(guān)閉時(shí)，若a點(diǎn)接地（機(jī)車地），b點(diǎn)經(jīng)與IGBT反向并接的二極管、接地檢測(cè)分壓電阻，最后經(jīng)機(jī)車地e與a點(diǎn)形成回路，可以實(shí)現(xiàn)a點(diǎn)接地狀態(tài)的檢測(cè)。b點(diǎn)接地檢測(cè)，需啟動(dòng)特殊的接地檢測(cè)判斷邏輯，在四象限整流器IGBT關(guān)閉時(shí)，閉合預(yù)充電接觸器k1，a點(diǎn)經(jīng)k1、預(yù)充電電阻R1，以及與IGBT反向并接的二極管、接地檢測(cè)分壓電阻，最后經(jīng)機(jī)車地e與b點(diǎn)形成回路，實(shí)現(xiàn)a點(diǎn)接地檢測(cè)。接地電流傳感器檢測(cè)法的變壓器次邊接地點(diǎn)定位判斷控制邏輯相同。

通過上述方案，實(shí)現(xiàn)了變壓器次邊、四象限整流電路、中間直流回路及逆變輸出電路的接地檢測(cè)與定位，各譜系交流傳動(dòng)電力機(jī)車根據(jù)其具體的設(shè)備電壓等級(jí)、結(jié)構(gòu)、保護(hù)能力以及接地故障后影響的不同，可以制定不同的細(xì)化保護(hù)方案。

2.3 變壓器次邊短路檢測(cè)保護(hù)

牽引變壓器是利用電磁感應(yīng)原理將原邊的交流電壓變成同頻率的一種或多種電壓等級(jí)的靜止感應(yīng)電器，任一變壓器次邊短路故障，會(huì)直接反饋到原邊的電流變化。同時(shí)，變壓次邊短路故障會(huì)直接影響到該回路的四象限整流電路的正常工作，變壓器次邊的短路檢測(cè)判斷方法有以下3種：

方法1，機(jī)車升弓合主斷，在四象限整流器未投入工作時(shí)，檢測(cè)到原邊電流互感器電流值大于設(shè)定值，在無其他故障情況下，經(jīng)綜合判斷后可確定該異常電流為變壓器次變短路引起。

圖5 四象限整流輸入電路

方法2，機(jī)車升弓合主斷，與變壓器次邊連接設(shè)備投入工作后，各變壓器次邊連接設(shè)備的工作電流換算到原邊的總電流與原邊電流互感器檢測(cè)的電流的差值大于設(shè)定值，經(jīng)綜合判斷后可確定該異常電流為變壓器次變短路引起。

方法3，機(jī)車升弓合主斷，預(yù)充電接觸器閉合，檢測(cè)到預(yù)充電電流小于設(shè)定值，中間直流回路電壓小于設(shè)定值，經(jīng)綜合判斷可確定為變壓器次邊短路。

變壓器次邊短路故障后，需進(jìn)行斷主斷保護(hù)，恢復(fù)正常后才允許重新閉合主斷。

2.4 四象限整流、中間直流回路過流/短路檢測(cè)保護(hù)

四象限整流電路輸入端串接的電流傳感器可對(duì)四象限整流器和中間直流回路的過流/短路故障進(jìn)行檢測(cè)，引起該類故障的原因可能為變流器硬件設(shè)備故障。若故障在牽引變流器投入工作前已經(jīng)存在，則在變流器啟動(dòng)工作時(shí)，中間直流回路支撐電容會(huì)反應(yīng)充電超時(shí)、充電電壓異常等故障。另外，接觸網(wǎng)電壓低異常也會(huì)引起四象限輸入電流故障。

四象限整流器和中間直流回路過流/短路故障后，機(jī)車將進(jìn)行斷主斷，封鎖充預(yù)充電接觸器，牽引控制系統(tǒng)封鎖整流、逆變器等保護(hù)。

2.5 變壓器次邊、中間直流回路及逆變器輸出過壓檢測(cè)保護(hù)

（1）變壓器次邊過壓檢測(cè)保護(hù)

變壓器次邊電壓是通過與原邊耦合產(chǎn)生的，在變壓器結(jié)構(gòu)確定后，如果次邊過壓，則原邊也會(huì)有相關(guān)體現(xiàn)。因此，變壓器次邊過壓檢測(cè)保護(hù)在網(wǎng)側(cè)電路的過壓檢測(cè)保護(hù)中實(shí)現(xiàn)。

（2）中間直流回路過壓檢測(cè)保護(hù)

如圖5所示，并接在中間直流回路的電壓傳感器對(duì)中間直流電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在模塊故障、支撐電容故障、網(wǎng)壓波動(dòng)等，過電壓斬波電路或TCU撬杠保護(hù)放電失效等中間直流回路過壓故障，機(jī)車進(jìn)行斷主斷，牽引控制系統(tǒng)封鎖整流、逆變器等保護(hù)。

（3）逆變器輸出過壓檢測(cè)保護(hù)

PWM逆變器輸出電壓受牽引逆變器控制，電壓最大值與中間直流電壓成比例關(guān)系，該保護(hù)包含在中間直流回路過壓保護(hù)中。

2.6 逆變器輸出過流檢測(cè)保護(hù)

串接在逆變器輸出的電流傳感器對(duì)逆變器輸出電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在牽引電機(jī)絕緣下降、鎖軸等至逆變器輸出過流故障時(shí)，機(jī)車可進(jìn)行斷主斷，牽引控制系統(tǒng)封鎖整流、逆變器等保護(hù)。

3 結(jié)束語

對(duì)和諧系列交流傳動(dòng)電力機(jī)車主電路進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并結(jié)合典型主電路原理圖，對(duì)既有和諧系列交流傳動(dòng)電力機(jī)車主電路的網(wǎng)側(cè)電路、變壓器次邊、四象限整流電路、中間直流回路以及逆變器輸出電路的接地、過壓和過流/短路的檢測(cè)判斷方法和保護(hù)控制邏輯進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)理解和掌握交流傳動(dòng)電力機(jī)車的主電路保護(hù)邏輯具有重要參考意義。