高速動車組電氣回路絕緣檢測系統淺析及方案改進

王遠霏

(唐山軌道客車有限責任公司產品技術研究中心,河北唐山 063035)

高速動車組電氣回路絕緣檢測系統淺析及方案改進

王遠霏

(唐山軌道客車有限責任公司產品技術研究中心,河北唐山 063035)

動車組在高速運行中,由于部件的不穩定性、水密性的降低、線纜的發熱老化等因素,會造成列車電氣絕緣特性降低,從而導致接地故障的發生,給列車的正常運行帶來極大的影響,嚴重時會發生列車運行失效和部件損毀等故障。因此,為了避免類似故障的發生,需要對列車的電氣回路絕緣特性進行實時的監測,并根據絕緣惡化情況做出相應的診斷和保護。本文將以CRH3型高速動車組為例,系統闡述影響列車安全運行的電氣回路絕緣檢測系統原理和工作方式,對其保護限值進行推導分析,對牽引變流器中間直流接地檢測系統提出優化改進方案。

高速動車組 絕緣檢測 接地故障 運行失效

1 CRH3型動車組電氣回路概述

1.1 高壓供電回路

CRH3型動車組采用單相25kV 50Hz交流供電,整個電路通過受電弓、真空斷路器、牽引變壓器、輪對、軌道與變電站形成供電環路;同時,電壓經過牽引變壓器二次側繞組接入牽引變流器中,經過四象限整流形成中間直流環節電壓,最后經脈寬調制逆變后提供給牽引電機。整個高壓供電回路如圖1所示。

動車組高壓供電回路涉及到列車的安全運行。當如圖1所示牽引變壓器出現高壓線纜絕緣老化、變壓器油變質等現象時,會導致牽引變壓器發生漏電接地故障,故障的發生會使得列車牽引丟失、主斷斷開,嚴重的話會出現列車停運等事故的發生。因此,CRH3型動車組在牽引變壓器處設置了高壓交流絕緣檢測電路。

同樣,為保證牽引變流器中間直流環節工作正常,防止由于接地故障帶來的牽引丟失,在牽引變流器處設置了中間直流接地檢測電路。

1.2 中低壓供電回路

CRH3型動車組供電電源到牽引變流器中間直流環節后,通過電路分支連接至輔助電流器,同樣經整流、逆變后輸出3AC440V交流輔助供電電源,供440V用電設備使用,如冷卻風扇、空調等;同時,440V交流供電經充電機降壓、整流后輸出DC110V直流電源,供110V負載作用,如控制單元。整個中低壓供電回路如圖2所示。

中低壓供電負載涉及列車的功能、控制等因素,如果出現由于絕緣降低所帶來的接地故障,會引起列車部分功能的喪失,控制系統指令無法無法正常傳送,嚴重的話也會導致列車停運。因此,CRH3型動車組分別設置了3AC440V交流接地檢測電路和DC110V直流接地檢測電路。

2 絕緣檢測系統原理

2.1 高壓交流絕緣檢測

高壓交流絕緣檢測原理如下圖3所示。通過電流互感器=10-T03采集牽引變壓器電流,電流互感器=10-T05采集牽引變壓器接地電流。采集到的電流經過濾波處理送入加法器,控制單元硬件通過控制位“SUM1”對加法器進行設置,此時將SUM1設為1,即表示變壓器電流與接地電流進行減法運算。差值經過VGL3環節對差值進行絕對值運算,將此差值通過quot;Tgl3quot;把變壓器電流與接地電流的差值進行整形修正,然后此值被輸入到比較器GW3,比較器的比較值可通過控制單元進行設置,并作為其參考限值使用。

高壓交流絕緣檢測電路有以下3種限值設置和保護情況：

(1)當主斷路器已經閉合,此時控制單元將差值的比較限值GW3設置為106A,當變壓器電流與接地電流的差值的絕對值大于106A時,硬件信號FGW馬上觸發加法器,使得“ON1”信號為0,從而斷開主斷路器;

(2)主斷閉合過程中,此時控制單元立即設置GW3=200A,若檢測到變壓器電流與接地電流的差值絕對值大于200A時,主斷路器斷開信號立即觸發;

(3)主斷路器未閉合時,控制單元設置GW3=500A,此時若檢測到差值絕對值大于此限值,則主斷路器斷開信號立即被觸發。

2.2 牽引變流器中間直流接地檢測

中間直流環節接地檢測系統由分壓電阻器、濾波電容器、電壓傳感器以及評估用差動放大器構成。如圖4所示,中間直流環節通過高電阻值的電阻R21和R22串聯進行分壓。電阻分壓后經過C71的濾波電容后進入電壓傳感器U33對接地電壓進行檢測。同時,當變流器由于不正常停止運行或常用的放電造成不工作時,此接地檢測電阻充當在限定時間給中間環節電容放電的任務。接地檢測系統的連續放電電阻阻值分別為 102KΩ和 34KΩ,阻值之比為4：1。因此接地正常值計算如下式所示：

式中,UE表示牽引控制單元監控的接地電壓值;UDC表示直流環節電壓值。

列車正常運行時,牽引控制單元檢測的電壓互感器U33的值應為中間直流電壓的 25%,考慮由于在不同的工作條件下參數的改變,以及主回路絕緣特性的下降帶來的公差,比較器上限值設置為32.5%,下限值設為17.5%。當牽引控制單元檢測接地值超過上限時或低于下限值時,則檢測到接地故障。從圖4看出,當直流環節正接地時,接地理論值為100%;當直流環節負接地時,接地理論值為0%。

2.3 交流440V接地檢測

列車交流440V接地檢測系統原理如下圖5所示。接地值的計算過程如下：

在交流檢測系統中,檢測電阻阻值通常有以下關系：

式(4)代入式(3)可得

接地檢測值為

圖1 高壓供電回路示意圖

圖2 中低壓供電回路示意圖

式中,Ue表示相電壓。

當三相電壓平衡時,接地檢測值為0%;當發生缺相、單相接地、兩相接地、相間短路時,接地檢測值將遠大于0%。

2.4 直流110V接地檢測

列車直流110V接地檢測系統原理如圖6所示。與牽引變流器中間直流接地檢測系統的檢測原理基本相同,唯一不同在于中間點的接地處理。圖4所示分壓單元在中間點直接接地,而圖6接地分壓單元通過接地電阻接地。

接地值計算過程如下：

根據基爾霍夫電流定律,有

得出

令直流110V接地單元接地測量電阻R1=R2=R3,U0V=0V,因此可得車輛正常運行時接地值為 μ=50%;當發生正接地時,接地理論值為 μ =33.3%;當發生負接地時,接地理論值為 μ =66.7%。

3 牽引變流器中間直流接地系統優化改進方案

圖3 高壓交流絕緣檢測電路原理圖

圖4 牽引變流器中間直流接地檢測原理圖

圖5 交流440V接地檢測原理圖

圖6 列車直流110V接地檢測原理圖

CRH3型高速動車組的直流110V接地檢測和交流440V接地檢測系統都能起到保護設備和車輛的作用,當發生此類接地故障時,列車控制單元將行使負載管理功能,按重要性順序切除負載;而對于高壓交流接地檢測而言,其通過比較變壓器電流和接地電流的值來實現,當變壓器或其他高壓設備接地時,變壓器電流和接地電流將不相等,當差值大于20A時,控制單元啟動軟件保護鎖閉牽引單元;當差值大于106A時,控制單元直接啟動硬件保護,以更快的速度鎖閉高壓牽引單元,斷開主斷路器。因此,上述三類絕緣檢測系統起到了很好的保護效果。

在動車組高速運行時,曾經出現牽引變流器報中間直流環節接地,但是在列車靜止狀況下卻沒有檢測到接地故障的發生,此類“誤報”情況發生次數較多,對列車運行造成了一定的影響,因此有必要對牽引變流器中間直流接檢測方案進行優化改進。

圖7 牽引變流器接地故障等效電路與監測

列車高速運行時,由于牽引變流器直流環節電壓等級相對較高,當外界環境濕度較高時,中間直流環節的負極接地值惡化,此時相當于在地與中間直流環節負極之間串聯了等效電阻,如圖7所示。

此時,接地檢測值 μ將減少,當 17.5%μ＜ 時高壓系統發生接地保護,使高壓系統鎖閉。但是當車輛靜態停車時,中間直流環節負極絕緣惡化情況有所改善,從而接地故障消失,接地值恢復至正常范圍以內,就出現了所謂“誤報”情況。為了避免類似的故障,不影響正常的行車,經過運行試驗及跟蹤,發現將接地下限值改為5%是較為合理的,這樣可大大降低列車高速運行時由于中間直流環節負極絕緣惡化情況所帶來的接地故障的“誤報”。

4 結語

本文首先從高壓供電及中低壓供電兩方面,對CRH3型動車組電氣回路的工作方式以及回路中設置的絕緣檢測系統進行了概述,隨后,對四類絕緣檢測系統——高壓交流絕緣檢測、牽引變流器中間直流接地檢測、交流440V接地檢測和直流110V接地檢測系統的原理進行了詳細的理論推導和系統分析;針對牽引變流器中間直流環節接地故障的“誤報”給列車正常運行的所帶來的不良影響,提出了優化改進方案,經過驗證,在對牽引變流器中間直流環節接地下限值進行優化后,中間直流接地故障的“誤報”情況得到了明顯的改善,保證了列車的穩定運行。

王遠霏,男,1979年8月,漢,河北省唐山市路北區,碩士研究生,工程師,現任唐山軌道客車有限責任公司產品技術研究中心業務經理,研究方面為動車組電氣與網絡系統方向。