淺談接觸網(wǎng)網(wǎng)壓對(duì)HXD1型神華號(hào)電力機(jī)車(chē)的影響

摘要：HXD1型神華號(hào)大功率交流電力機(jī)車(chē)是南車(chē)集團(tuán)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司為了滿(mǎn)足神華鐵路的運(yùn)輸需求，在HXD1系列大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)的設(shè)計(jì)平臺(tái)上進(jìn)行研制的，朔黃鐵路于2012年引進(jìn)并大量投入運(yùn)行，隨著運(yùn)量的不斷攀升，基于HXD1平臺(tái)的神華八軸9600W、神華十二軸14400W大功率交流機(jī)車(chē)已經(jīng)逐步替代韶山直流機(jī)車(chē)成為主力機(jī)車(chē)。得益于HXD1型電力機(jī)車(chē)的大功率，朔黃鐵路順利開(kāi)行單元萬(wàn)噸、1.6萬(wàn)噸、2萬(wàn)噸列車(chē)，機(jī)車(chē)功率的穩(wěn)定發(fā)揮對(duì)列車(chē)的安全運(yùn)行至關(guān)重要，當(dāng)機(jī)車(chē)功率無(wú)法正常發(fā)揮時(shí)，對(duì)乘務(wù)員的操作造成很大的影響，本篇文章對(duì)HXD1型神華號(hào)大功率交流電力機(jī)車(chē)主電路原理、牽引變流器、傳動(dòng)控制單元TCU、網(wǎng)壓監(jiān)測(cè)進(jìn)行介紹，結(jié)合故障案例對(duì)接觸網(wǎng)網(wǎng)壓對(duì)機(jī)車(chē)功率的影響進(jìn)行淺析。

[Abstract] HXD1 Shenhua high-power AC electric locomotive is developed by CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.， Ltd. on the design platform of HXD1 series high-power AC drive electric locomotive in order to meet the transportation needs of Shenhua railway. Shuohuang railway was introduced and put into operation in 2012. With the continuous increase of traffic volume， Shenhua 8-axis 9600w Shenhua twelve axle 14400w high-power AC locomotive has gradually replaced Shaoshan DC locomotive as the main locomotive. Thanks to the high power of HXD1 Electric Locomotive， Shuohuang railway has successfully operated 10000 ton， 16000 ton and 20000 ton trains. The stable exertion of locomotive power is very important to the safe operation of the train. When the locomotive power cannot be normally exerted， it will have a great impact on the operation of stewards. This article discusses the main circuit principle of HXD1 Shenhua high-power AC electric locomotive Traction converter， transmission control unit TCU and network voltage monitoring are introduced. Combined with fault cases， the influence of catenary network voltage on locomotive power is analyzed.

關(guān)鍵詞：HXD1型神華號(hào)大功率交流電力機(jī)車(chē);主電路;牽引變流器;TCU; 接觸網(wǎng)網(wǎng)壓

[Key words] HXD1 Shenhua high power AC electric locomotive; Main circuit; Traction converter; TCU; Catenary voltage

前言

HXD1型神華號(hào)電力機(jī)車(chē)每節(jié)機(jī)車(chē)有一套完整的網(wǎng)側(cè)電路和電傳動(dòng)系統(tǒng)，主變壓器原邊通過(guò)受電弓、主斷路器得電，牽引變流器通過(guò)主變壓器次邊牽引繞組分別向4 個(gè)四象限整流器供電，每2個(gè)四象限整流器并聯(lián)輸出，共用一個(gè)中間直流回路。這個(gè)中間直流回路同時(shí)向3個(gè)電壓型PWM 逆變器（2個(gè)牽引逆變器和1個(gè)輔助逆變器，輔助逆變器集成在主變流柜中）供電，每個(gè)牽引逆變器向一個(gè)轉(zhuǎn)向架的1臺(tái)異步牽引電動(dòng)機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)軸控，再生制動(dòng)過(guò)程相反。傳動(dòng)控制單元TCU是牽引變流器的核心控制單元，主要實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)牽引力、制動(dòng)力的換算、輸出，以及相應(yīng)的監(jiān)測(cè)、保護(hù)等功能。

1 HXD1型神華號(hào)大功率交流電力機(jī)車(chē)主電路結(jié)構(gòu)組成

主電路如圖1.1所示按其主要功能和電壓等級(jí)可分為網(wǎng)側(cè)電路、四象限整流電路、中間直流回路、PWM逆變電路和牽引力電機(jī)負(fù)載支路等。

2 HXD1型神華號(hào)大功率交流電力機(jī)車(chē)牽引變流器結(jié)構(gòu)組成

HXD1型神華號(hào)大功率交流電力機(jī)車(chē)采用TGA6C型牽引變流器，每臺(tái)機(jī)車(chē)配置兩臺(tái)牽引變流器，每臺(tái)牽引變流器中有兩組完全獨(dú)立的供電單元，每組內(nèi)含有二組牽引逆變器和一組輔助變流器，其中每組牽引逆變器分別向一個(gè)轉(zhuǎn)向架的兩臺(tái)牽引電機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)軸控，該控制方式能提高機(jī)車(chē)牽引力的發(fā)揮;牽引時(shí)將定頻的單相交流電變壓、變頻后給三相異步牽引電機(jī)供電，以滿(mǎn)足機(jī)車(chē)運(yùn)行的需要;電制動(dòng)時(shí)將牽引電機(jī)發(fā)出的三相電變換成單相電后通過(guò)牽引變壓器反饋回接觸網(wǎng);將定頻的單相交流電變壓、變頻后給輔助電路供電;牽引變流器關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖2.1所示。

3 傳動(dòng)控制單元TCU

牽引變流器用于控制牽引變壓器和牽引電機(jī)之間的能量傳輸，傳動(dòng)控制單元TCU控制機(jī)車(chē)輸出的功率，進(jìn)而控制牽引電機(jī)以獲得所期望的轉(zhuǎn)矩。

每臺(tái)牽引變流器內(nèi)都有二個(gè)專(zhuān)門(mén)的TCU（傳動(dòng)控制單元），采用冗余設(shè)計(jì)，提高機(jī)車(chē)的穩(wěn)定性。TCU的主要功能是完成對(duì)機(jī)車(chē)的牽引/制動(dòng)特性控制、邏輯控制、故障保護(hù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)四象限整流器和牽引逆變器（輔助變流器）及交流異步牽引電機(jī)的實(shí)時(shí)控制、黏著利用控制，以滿(mǎn)足機(jī)車(chē)動(dòng)力性能、故障運(yùn)行、救援能力及實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)行速度等。

3.1 TCU主要保護(hù)功能

TCU主要保護(hù)功能有：電網(wǎng)電壓過(guò)壓、欠壓保護(hù);中間直流過(guò)壓、欠壓保護(hù);牽引變壓器原邊過(guò)流、接地保護(hù);IGBT元件故障保護(hù);主回路接地保護(hù);四象限整流器輸入過(guò)流保護(hù);逆變器、斬波器輸出過(guò)流保護(hù);電機(jī)三相不平衡、缺相保護(hù);變流器模塊過(guò)熱保護(hù);變流器水溫過(guò)高保護(hù);變流器冷卻水壓過(guò)高、過(guò)低保護(hù);接觸器卡分、卡合保護(hù);輔變輸出過(guò)流、過(guò)壓保護(hù);輔變輸出缺相保護(hù)。

本文重點(diǎn)對(duì)電網(wǎng)電壓過(guò)壓、保護(hù)欠壓保護(hù)、電壓波動(dòng)保護(hù)進(jìn)行重點(diǎn)分析。HXD1型神話號(hào)電力機(jī)車(chē)設(shè)計(jì)在25KV/50HZ電壓制式下運(yùn)行，最低工作電壓為17.5KV，最高工作電壓為31KV，當(dāng)接觸網(wǎng)網(wǎng)壓低于17KV且時(shí)間超過(guò)1S，觸發(fā)欠壓保護(hù)機(jī)車(chē)主斷斷開(kāi)，牽引封鎖，功率發(fā)揮為零，當(dāng)接觸網(wǎng)網(wǎng)壓高于31.5KV且時(shí)間超過(guò)1S，觸發(fā)過(guò)壓保護(hù)機(jī)車(chē)主斷斷開(kāi)，牽引封鎖了，功率發(fā)揮為零。為保障機(jī)車(chē)正常運(yùn)行，也防止弓網(wǎng)徹底被拉低，在網(wǎng)壓波動(dòng)時(shí)，機(jī)車(chē)進(jìn)行部分功率限制。TCU根據(jù)網(wǎng)壓的變化換算成相對(duì)一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的虛擬電壓控制機(jī)車(chē)功率的輸出，原邊電壓大于17.5kV小于19.5kV時(shí)，允許發(fā)揮的最大功率為（0-84%）*額定功率。

3.2 TCU網(wǎng)壓檢測(cè)原理

以神華十二軸機(jī)車(chē)為例，當(dāng)受電弓升起時(shí)，A＼B＼C三節(jié)TCU通過(guò)高壓互感器獲得網(wǎng)壓。配置如圖3.1所示。

（1）A/B節(jié)機(jī)車(chē)網(wǎng)壓檢測(cè)

選擇升弓的那節(jié)機(jī)車(chē)，CCU給出命令A(yù)34_05高電平，閉合該節(jié)機(jī)車(chē)的網(wǎng)壓檢測(cè)中繼=21-A10，檢測(cè)該節(jié)機(jī)車(chē)高壓互感器的網(wǎng)壓。非升弓節(jié)CCU給出A34_05低電平。

（2）C節(jié)機(jī)車(chē)網(wǎng)壓檢測(cè)

如果A節(jié)升弓，C節(jié)車(chē)的CCU給出命令A(yù)34_05高電平，閉合C節(jié)機(jī)車(chē)的網(wǎng)壓檢測(cè)中繼=21-A10，檢測(cè)A節(jié)機(jī)車(chē)高壓互感器輸出的網(wǎng)壓;

如果B節(jié)升弓，C節(jié)車(chē)的CCU給出命令A(yù)38_05高電平，閉合C節(jié)機(jī)車(chē)的網(wǎng)壓檢測(cè)中繼=21-A11，檢測(cè)B節(jié)機(jī)車(chē)高壓互感器輸出的網(wǎng)壓;

（3）網(wǎng)壓由TCU通過(guò)MVB傳送至CCU并在司機(jī)室的HMI上顯示。同時(shí)，網(wǎng)壓/控制電壓表=41-P02通過(guò)硬線直接讀取網(wǎng)壓。

4. 故障案例分析

4.1 事件概況：

2021年1月24日5時(shí)左右，配屬朔黃線HXD1神12-8011機(jī)車(chē)，運(yùn)行到賈象至海興南間過(guò)分相后發(fā)現(xiàn)機(jī)車(chē)給流存在卸載現(xiàn)象，IDU和網(wǎng)壓機(jī)械表顯示網(wǎng)壓波動(dòng)異常。

4.2 機(jī)車(chē)運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)據(jù)分析

① 如圖4.1、4.2所示，HXD1神12-8011機(jī)車(chē)B節(jié)操作，5：21：56過(guò)完分相后，原邊電壓頻繁波動(dòng)，牽引力存在卸載情況。

② 如圖4.3、4.4所示，5：21：56過(guò)完分相后，8011機(jī)車(chē)C節(jié)原邊電壓頻繁波動(dòng)，牽引力存在卸載情況。

③ 如圖4.5、4.6所示，5：21：56過(guò)完分相后，8011機(jī)車(chē)A節(jié)原邊電壓頻繁波動(dòng)，牽引力存在卸載情況。

分析A、B、C三節(jié)車(chē)數(shù)據(jù)，共6個(gè)TCU采集的網(wǎng)壓均有波動(dòng)情況，另外根據(jù)司機(jī)反饋機(jī)械網(wǎng)壓表網(wǎng)壓示數(shù)同樣有波動(dòng)情況，判斷為A節(jié)高壓互感器采集網(wǎng)壓異?；蚓W(wǎng)壓真實(shí)存在異常波動(dòng)。

4.3原因分析

為了保障機(jī)車(chē)正常運(yùn)行，也防止弓網(wǎng)徹底被拉低，因此在網(wǎng)壓波動(dòng)時(shí)，機(jī)車(chē)進(jìn)行部分功率限制。原邊網(wǎng)壓低于17.5kV時(shí)，允許發(fā)揮最大牽功率為0kW;原邊電壓大于17.5kV小于19.5kV時(shí)，允許發(fā)揮的最大功率為（0-84%）*額定功率。

分析故障波形可以發(fā)現(xiàn)在故障發(fā)生時(shí)，原邊網(wǎng)壓約為16.89kV，低于17.5kV，此時(shí)允許發(fā)揮的最大功率為0，因此會(huì)造成牽引力卸載。

5.總結(jié)

安全暢通是鐵路運(yùn)輸?shù)纳€，而機(jī)車(chē)是實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸順暢的重要載體，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)車(chē)的使用與運(yùn)維技術(shù)研究水平也不斷提升。HXD1型神華號(hào)大功率交流電力機(jī)車(chē)作為朔黃鐵路運(yùn)輸中主力機(jī)車(chē)類(lèi)型，其功率的有效發(fā)揮是重載列車(chē)平穩(wěn)操縱重要因素，

本文從網(wǎng)側(cè)電路的獲取、牽引變流器內(nèi)部的轉(zhuǎn)換、傳功控制單元TCU的邏輯控制進(jìn)行介紹，重點(diǎn)分析了當(dāng)接觸網(wǎng)網(wǎng)壓波動(dòng)時(shí)對(duì)機(jī)車(chē)功率的影響，結(jié)合案例了解TCU如何監(jiān)測(cè)網(wǎng)壓并作出相應(yīng)的保護(hù)。

針對(duì)接觸網(wǎng)網(wǎng)壓波動(dòng)時(shí)機(jī)車(chē)限制功率的自我保護(hù)功能，建議在司機(jī)室IDU屏及智能顯示屏增加語(yǔ)音提示、故障顯示功能，當(dāng)TCU監(jiān)測(cè)到網(wǎng)壓波動(dòng)時(shí)及時(shí)語(yǔ)音提示乘務(wù)員“網(wǎng)壓波動(dòng)、注意運(yùn)行”，并在IDU屏及智能總線顯示屏上文字提示“網(wǎng)壓波動(dòng)、注意運(yùn)行”，乘務(wù)員根據(jù)提示結(jié)合司機(jī)室網(wǎng)壓表網(wǎng)壓可準(zhǔn)確判斷出：“接觸網(wǎng)網(wǎng)壓有波動(dòng)，機(jī)車(chē)本身性能良好”，并根據(jù)實(shí)際線路情況提前做好操縱預(yù)想，實(shí)現(xiàn)列車(chē)的平穩(wěn)操縱，保障運(yùn)輸安全。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：王馬俊 男 1990年02月26日 山西省臨汾市洪洞縣 漢族 助理工程師 ?研究方向：鐵路機(jī)務(wù)