周江偉，梁大偉，張春磊

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東青島266109）

目前，動(dòng)車組列車已經(jīng)成為我國(guó)高速鐵路、快速鐵路、城際鐵路主力客運(yùn)列車，在保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮了巨大作用。牽引系統(tǒng)作為動(dòng)車組列車“心臟”，主要負(fù)責(zé)將接觸網(wǎng)上的電能轉(zhuǎn)換為列車的動(dòng)能，為列車提供牽引動(dòng)力。

牽引系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中部件的老化、電纜的振動(dòng)摩擦等可能造成接地故障。一點(diǎn)接地對(duì)牽引系統(tǒng)的正常工作影響不大，但兩點(diǎn)接地或多點(diǎn)接地，會(huì)產(chǎn)生很大的短路電流，造成牽引系統(tǒng)部件燒損[1]。目前動(dòng)車組牽引系統(tǒng)接地故障檢測(cè)方法主要是根據(jù)電壓傳感器檢測(cè)的接地電壓值與系統(tǒng)正常時(shí)的電壓值比較，若兩者差值超過(guò)預(yù)設(shè)值，則判斷牽引系統(tǒng)發(fā)生接地故障，封鎖牽引變流器脈沖，斷開(kāi)列車主斷路器[2]。現(xiàn)有接地故障檢測(cè)方法存在的問(wèn)題有:（1）當(dāng)牽引系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，無(wú)法自動(dòng)定位接地故障位置，需要人工對(duì)牽引系統(tǒng)各設(shè)備進(jìn)行檢修，故障處理難度大，周期長(zhǎng)；（2）當(dāng)牽引系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，無(wú)法根據(jù)不同牽引系統(tǒng)設(shè)備的接地故障采取不同嚴(yán)重程度的保護(hù)動(dòng)作，保護(hù)手段單一。

1 主電路接地原理

某型動(dòng)車組牽引變流器電氣原理圖如圖1 所示。牽引系統(tǒng)主要由牽引變壓器100、牽引變流器200 和牽引電機(jī)300 組成，牽引變流器由四象限整流器201、牽引逆變器202、輔助逆變器203、接地檢測(cè)電路204、開(kāi)關(guān)部件電路205 等組成。牽引變壓器將接觸器網(wǎng)25 kV 交流電轉(zhuǎn)換為950 V 交流電進(jìn)入到牽引變流器中。開(kāi)關(guān)部件電路將950 V 交流電經(jīng)過(guò)預(yù)充電、不控整流為1 343 V 直流電，避免中間直流母線電路大電流沖擊。四象限整流器將950 V 交流電整流為1 850 V 直流電，為牽引逆變器和輔助逆變器供電。牽引逆變器將1 850 V 直流電逆變?yōu)殡妷汉皖l率均可控制的三相交流電以驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)。輔助逆變器從中間直流環(huán)節(jié)取電，將1 850 V直流電逆變?yōu)?50 V/50 Hz 三相交流電，然后經(jīng)過(guò)工頻變壓器變換為380 V/50 Hz 交流電，為列車中壓負(fù)載供電。

接地檢測(cè)電路204 由兩個(gè)阻值為1：1 的電阻、濾波電容和電壓傳感器U33組成，用于檢測(cè)牽引系統(tǒng)是否發(fā)生接地故障。牽引變流器正常工作時(shí)，電壓傳感器U33檢測(cè)到的接地電壓理論上為直流母線電壓一半925 V，而實(shí)際上由于四象限整流器201 和牽引逆變器202 功率器件的快速通斷，產(chǎn)生較高的du/dt和di/dt，作用于變流器中的雜散電感、功率器件及系統(tǒng)部件對(duì)地的分布電容，造成接地電壓在正常值附近上下波動(dòng)[1，3]，如圖2a 所示。當(dāng)牽引系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，電壓傳感器U33檢測(cè)到的接地電壓會(huì)偏離正常接地電壓。

根據(jù)接地故障點(diǎn)在牽引系統(tǒng)中發(fā)生位置，接地故障分為牽引變壓器二次側(cè)接地、中間直流母線正極接地、中間直流母線負(fù)極接地、輔助逆變器高壓側(cè)接地和牽引電機(jī)側(cè)接地。如圖 1 所示，主電路 1 點(diǎn)、2 點(diǎn)、3 點(diǎn)、4 點(diǎn)發(fā)生的接地故障屬于牽引變壓器二次側(cè)接地，主電路5 點(diǎn)發(fā)生的接地故障屬于中間直流母線正極接地，主電路6點(diǎn)發(fā)生的接地故障屬于中間直流母線負(fù)極接地，主電路7 點(diǎn)、8 點(diǎn)、9 點(diǎn)發(fā)生的接地故障屬于輔助逆變器高壓側(cè)接地故障，主電路 10 點(diǎn)、11 點(diǎn)、12 點(diǎn)、13 點(diǎn)、14 點(diǎn)、15 點(diǎn)發(fā)生的接地故障屬于牽引電機(jī)側(cè)接地故障。

圖1 牽引變流器主電路原理圖

根據(jù)接地故障發(fā)生時(shí)的接地電壓波形不同，上述5種接地故障可以分為3 類。第1 類包括牽引變壓器二次側(cè)接地、牽引電機(jī)側(cè)接地和輔助逆變器高壓側(cè)接地，如圖2b 所示，接地電壓波形為PWM 脈沖型，脈沖幅值為中間直流母線電壓1 850 V，脈沖頻率根據(jù)接地故障發(fā)生的接地點(diǎn)不同而不同。當(dāng)發(fā)生牽引變壓器二次側(cè)接地時(shí)，接地電壓脈沖頻率等于四象限整流器的開(kāi)關(guān)頻率；當(dāng)發(fā)生牽引電機(jī)側(cè)接地時(shí)，接地電壓脈沖頻率等于牽引逆變器的開(kāi)關(guān)頻率；當(dāng)發(fā)生輔助逆變器高壓側(cè)接地時(shí)，接地電壓脈沖頻率等于輔助逆變器的開(kāi)關(guān)頻率。本實(shí)施例中，四象限開(kāi)關(guān)頻率為350 Hz，輔助逆變器開(kāi)關(guān)頻率為1 050 Hz，牽引逆變器開(kāi)關(guān)頻率在110～550 Hz范圍內(nèi)變化。第2 類為中間直流母線正極接地，接地電壓等于中間直流母線電壓1 850 V，如圖2c 所示。第3類為中間直流母線負(fù)極接地，接地電壓等于0 V，如圖2d 所示。需要說(shuō)明的是，此處未考慮接地故障點(diǎn)等效接地電阻，即等效接地電阻為0。若考慮接地故障點(diǎn)等效電阻為R0，接地檢測(cè)電阻R1=R2，則接地電壓最大值為

接地電壓最小值為

式中，U33為接地電壓值；U32為中間直流母線電壓值。

2 接地故障檢測(cè)策略

文獻(xiàn)[4]通過(guò)接地電壓周期平均值與中間直流母線電壓比值判斷牽引變流器是否發(fā)生接地，但未給出接地故障點(diǎn)位置判斷方法。文獻(xiàn)[5]通過(guò)全電壓的一半與半電壓差值的絕對(duì)值是否大于等于720 V 判斷牽引變流器主電路是否發(fā)生接地，然后根據(jù)升弓合主斷即報(bào)主電路接地，給方向手柄后報(bào)主電路接地，給級(jí)位手柄后報(bào)主電路接地等故障現(xiàn)象判斷接地故障點(diǎn)范圍，該接地故障檢測(cè)策略需要人工參與判斷，不能直接自動(dòng)判斷出接地故障點(diǎn)范圍。

圖2 接地電壓波形

針對(duì)5 種3 類接地故障，文中提出的一種新型的動(dòng)車組牽引變流器接地故障檢測(cè)策略，接地故障檢測(cè)策略流程圖如圖3 所示。主要包括以下步驟:

（1）獲取接地電壓傳感器檢測(cè)到的接地電壓和中間母線電壓傳感器檢測(cè)到的中間母線電壓，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）計(jì)算接地電壓平均值和接地故障標(biāo)志位。接地電壓平均值為接地電壓傳感器實(shí)測(cè)電壓的周期平均值，接地故障標(biāo)志位判斷條件為接地電壓大于1 600 V 置 1；接地電壓小于 1 200 V 清零。

（2）當(dāng)中間直流母線電壓大于預(yù)設(shè)值時(shí)，若接地故障標(biāo)志位置1，則認(rèn)為牽引系統(tǒng)發(fā)生接地故障，封鎖牽引逆變器脈沖，跳轉(zhuǎn)步驟3，否則返回繼續(xù)判斷；當(dāng)中間直流母線電壓大于預(yù)設(shè)值時(shí)，接地故障電壓平均值與中間直流母線電壓比值大于接地故障高門檻值0.75，則認(rèn)為是牽引變流器內(nèi)部正極母線接地故障，封鎖牽引和輔助變流器脈沖，斷開(kāi)牽引變流器主接觸器和充電接觸器，結(jié)束判斷；當(dāng)中間直流母線電壓大于預(yù)設(shè)值時(shí)，若接地故障電壓平均值小于接地故障低門檻值0.15，則認(rèn)為是變流器內(nèi)部負(fù)極母線接地，封鎖牽引和輔助變流器脈沖，斷開(kāi)牽引變流器主接觸器和充電接觸器，結(jié)束判斷。

（3）當(dāng)牽引逆變器脈沖封鎖后，若接地故障標(biāo)志位為1，則繼續(xù)封鎖輔助逆變器脈沖，跳轉(zhuǎn)步驟4；若接地故障標(biāo)志位為零，則認(rèn)為是牽引電機(jī)側(cè)接地，結(jié)束判斷。

（4）當(dāng)輔助逆變器脈沖封鎖后，若接地故障標(biāo)志位為1，則認(rèn)為是牽引變壓器二次側(cè)接地，封鎖牽引變流器脈沖，斷開(kāi)列車主斷路器（VCB），結(jié)束判斷；若接地故障標(biāo)志位為0，則認(rèn)為是輔助逆變器高壓側(cè)接地，重新啟動(dòng)牽引逆變器脈沖，維持封鎖輔助逆變器脈沖，結(jié)束判斷。

圖3 接地故障檢測(cè)方法

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證接地故障檢測(cè)策略的正確性，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)某牽引變流器分別進(jìn)行了牽引變壓器二次側(cè)接地、中間直流母線正極接地、中間直流母線負(fù)極接地、輔助逆變器高壓側(cè)接地和牽引電機(jī)側(cè)接地試驗(yàn)，試驗(yàn)波形如圖4～圖8 所示。

圖4 四象限1 輸入側(cè)接地波形

圖5 直流母線正極接地波形

根據(jù)圖4 所示，檢測(cè)策略能夠判斷出牽引變壓器二次側(cè)接地故障，并斷開(kāi)主斷路器；根據(jù)圖5 和圖6 所示，檢測(cè)策略能夠判斷出直流母線正極接地和直流母線負(fù)極接地故障，并斷開(kāi)充電接觸器和主接觸器；根據(jù)圖7所示，檢測(cè)策略能夠判斷出電機(jī)側(cè)接地，并封鎖牽引逆變器脈沖；根據(jù)圖8 所示，檢測(cè)策略封鎖牽引逆變器后，接地電壓未恢復(fù)正常，繼續(xù)封鎖輔助逆變器脈沖，接地故障恢復(fù)正常，判斷出輔助逆變器高壓側(cè)接地后，重新啟動(dòng)牽引逆變器。試驗(yàn)表明，本文提出的牽引變流器接地故障檢測(cè)策略能夠準(zhǔn)確快速的判斷出變壓器二次側(cè)接地、直流母線正極接地、直流母線負(fù)極接地、電機(jī)側(cè)接地和輔助逆變器高壓側(cè)接地。

圖6 直流母線負(fù)極接地波形

圖7 電機(jī)側(cè)接地波形

4 結(jié) 論

根據(jù)接地故障電壓平均值與中間直流母線電壓的比值以及FPGA 檢測(cè)出的接地故障標(biāo)志位判斷牽引系統(tǒng)是否發(fā)生接地故障。當(dāng)接地故障標(biāo)志位置1 時(shí)，分時(shí)封鎖牽引逆變器和輔助逆變器脈沖，通過(guò)脈沖封鎖前后接地故障是否消失，來(lái)逐步判斷接地故障點(diǎn)的可能位置，并采取不同程度的保護(hù)措施；當(dāng)接地故障電壓平均值與中間直流母線電壓的比值超過(guò)或低于接地故障門檻值時(shí)，可直接判斷出牽引變流器正極或負(fù)極母線發(fā)生接地故障。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的牽引變流器接地故障檢測(cè)策略的可行性。該策略能夠有效保證車輛安全運(yùn)行，并降低接地故障的維護(hù)檢修難度和檢修周期。

圖8 輔助逆變器高壓側(cè)接地波形