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(chē)整車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)的技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)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(chē)采用交-直-交電傳動(dòng)，水冷IGBT變流技術(shù)。機(jī)車(chē)通過(guò)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(chē)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(kāi)關(guān)、避雷器、電壓互感器、原邊電流互感器（或過(guò)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(chē)牽引控制系統(tǒng)，同時(shí)給機(jī)車(chē)能耗表，用于顯示機(jī)車(chē)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(chē)主電路示意圖

2 主電路保護(hù)

交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)對(duì)主電路的各個(gè)回路均進(jìn)行了接地、過(guò)壓及過(guò)流/短路檢測(cè)，并對(duì)接地、過(guò)壓及過(guò)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(kāi)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(chē)頂避雷器用于吸收雷電過(guò)電壓、操作過(guò)電壓。各高壓電器通過(guò)軟連線或?qū)щ姉U連接，該段電路通過(guò)升起受電弓直接與接觸網(wǎng)連接，無(wú)自動(dòng)隔離的保護(hù)電氣設(shè)備，機(jī)車(chē)對(duì)該段電路不具備隔離保護(hù)功能。電力機(jī)車(chē)該段電路整體上比較穩(wěn)定可靠，常見(jiàn)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(lèi)故障發(fā)生后，通過(guò)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(chē)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(guò)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(guò)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(guò)主斷路器后的過(guò)流繼電器檢測(cè)，在發(fā)生過(guò)流或短路故障時(shí)，過(guò)流繼電器檢測(cè)電流值超過(guò)設(shè)定保護(hù)值，過(guò)流繼電器輔助觸點(diǎn)硬線信號(hào)觸發(fā)機(jī)車(chē)的保護(hù)性分主斷，故障消除后，過(guò)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(guò)流/短路檢測(cè)保護(hù)是通過(guò)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(mén)限值時(shí)，觸發(fā)過(guò)流/短路保護(hù)，機(jī)車(chē)將進(jìn)行保護(hù)性分主斷等。與接地保護(hù)一樣，過(guò)流/短路保護(hù)均通過(guò)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(chē)，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(chē)的良好可靠的保護(hù)。

（2）網(wǎng)側(cè)電路過(guò)壓保護(hù)

網(wǎng)側(cè)電路過(guò)壓保護(hù)通過(guò)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(guò)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(guò)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(chē)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(guò)29 kV但不大于32 kV時(shí)機(jī)車(chē)進(jìn)行線性降功率保護(hù)，超過(guò)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(chē)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(mén)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(kāi)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(chē)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)設(shè)定值時(shí)，則判斷為接地故障，機(jī)車(chē)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(guò)開(kāi)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(wú)電流流過(guò)，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(guò)，接地保護(hù)裝置動(dòng)作，機(jī)車(chē)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(guò)將GS1打至非接地位，隔離接地檢測(cè)功能，可維持機(jī)車(chē)?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(guò)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(chē)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(chē)的保護(hù)方案，具體保護(hù)細(xì)節(jié)上各譜系機(jī)車(chē)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(chē)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(kāi)關(guān)頻率為固定值，PWM逆變器IGBT開(kāi)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(kāi)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(chē)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(chē)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(chē)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(guò)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(chē)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(chē)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(wú)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(chē)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(chē)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(guò)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(guò)流/短路故障進(jìn)行檢測(cè)，引起該類(lèi)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(guò)流/短路故障后，機(jī)車(chē)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(guò)壓檢測(cè)保護(hù)

（1）變壓器次邊過(guò)壓檢測(cè)保護(hù)

變壓器次邊電壓是通過(guò)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(guò)壓，則原邊也會(huì)有相關(guān)體現(xiàn)。因此，變壓器次邊過(guò)壓檢測(cè)保護(hù)在網(wǎng)側(cè)電路的過(guò)壓檢測(cè)保護(hù)中實(shí)現(xiàn)。

（2）中間直流回路過(guò)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(guò)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(guò)壓故障，機(jī)車(chē)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(guò)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(guò)壓保護(hù)中。

2.6 逆變器輸出過(guò)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(guò)流故障時(shí)，機(jī)車(chē)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(yǔ)

對(duì)和諧系列交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)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(chē)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(guò)壓和過(guò)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(chē)的主電路保護(hù)邏輯具有重要參考意義。