電力機車列車供電系統接地研究

蔡 杰 林 波

（株洲南車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

自鐵路第五次大提速以來，基于集中供電、分散變流的DC600V 列車供電系統正逐步取代空調發電車的作用，成為空調列車新型供電方式的主要發展方向[1-2]。DC600V 列車供電系統采用集中整流分散變流的方式，客車進行分散變流。電力機車主變壓器副邊設置2 個獨立的列車供電繞組,輸出單相AC860V 電壓到DC600V 列車供電系統，經整流后輸出獨立的2 路DC600V 電源提供給客車，系統設計容量為2×400kW[3]。客車上裝有逆變器和充電機,逆變器將DC600V 電壓逆變成三相AC380V 電壓后供給空調機組、通風機等負載，同時充電機將DC600V 電壓變換成DC110V 電壓后供蓄電池充電、照明和其他控制系統用電[4]。因此DC600V 列車供電系統的安全性和穩定性對旅客列車安全運行和正常的服務工作具有極其重要的作用。

根據《TB/T 3063—2011 旅客列車DC600V 供電系統技術要求及試驗》，電力機車列車供電系統的接地保護電路已在標準中進行了統一規定[5]。為了更好地保證電力機車列車供電系統安全、穩定地運行，在接地方式統一的基礎上[6]，如何有效地進行列車供電系統直流輸出側和交流輸入側的接地判斷就成了關鍵問題[7-8]，既要保證系統發生接地時能可靠動作，又要保證系統正常運行時不誤動作影響正常列車供電，因此急需進一步深入研究。

1 列車供電系統

電力機車列車供電系統由兩套完全獨立的供電回路組成，其電路結構完全相同，其主電路形式如圖1所示：單相交流輸入（a7-x7），經真空接觸器KM 與快速熔斷器FU 到單相整流橋（V1、V2 為二極管，V3、V4 為晶閘管），通過平波電抗器L 和支撐電容器C 輸出直流600V，同時設有控制用電壓傳感器SV1[9]。根據TB/T 3063—2011 第4 節規定，列車供電系統必須采用電阻中點接地的方式，因此系統直流側還設有接地檢測用電阻網絡（由R1、R2和R3 組成）和接地檢測用電壓傳感器SV2。

圖1 列車供電回路主電路原理圖

2 系統模型構建

根據圖1所示，在Matlab/Simulink 中創建電力機車列車供電系統模型（如圖2所示）[10]，并利用其進行接地的仿真研究。仿真模型中的元器件參數和實物參數完全一致，并可設置觀察窗查看、比較接地發生時接地電壓傳感器SV2 的波形。

圖2 列車供電系統模型

3 直流側接地

在電力機車列車供電系統正常工作無接地的情況下，電壓傳感器SV2 的反饋值Ujd應在300V 左右。而一旦列車供電系統的直流側出現負載接地或者連接線纜絕緣等級下降的情況，Ujd會逐漸偏離300V。

根據圖1所示，當列車供電系統的輸出正線（第4 點）或者輸出負線（第5 點）發生接地故障時，此時的系統相當于對地接入了一個電阻Rjd，其等效電路如圖3所示，RX代表客車負載。

輸出正線接地時Ujd和Rjd的函數關系滿足式

輸出負線接地時Ujd和Rjd的函數關系滿足式

圖3 列車供電系統直流側接地等效電路

如圖4所示為DC 600V 輸出正線/負線在不同接地電阻阻值時的仿真波形圖（Utb表示交流輸入電壓，Ujd表示傳感器SV2 電壓，以下的接地仿真波形中均相同）。隨著接地電阻的不斷減小，Ujd的輸出值也逐漸偏離300V，且系統空載和負載時波形一致，與RX大小無關聯關系。

圖4 輸出接地時仿真波形圖

4 交流側接地

根據圖1所示的電路結構圖，電力機車列車供電系統交流側主要是指輸入的a7 端（第1 點）、x7端（第2 點）以及電抗器前端（第3 點）。這三個位置無論哪一點發生接地，疊加在接地電壓傳感器SV2 上的電壓Ujd既包括交流分量，也包括直流分量，電路計算還需要考慮晶閘管、整流管、平波電抗器、電容、電阻等因素，直接推導Ujd和Rjd之間的函數較為復雜，因此可借助Matlab 仿真進行深入分析。

通過仿真模型考察發現，列車供電系統在不同負載工況下，a7 端、x7 端以及電抗器前端發生交流接地時，Ujd電壓均發生了較大畸變，情況各不相同，且隨著Rjd阻值的不斷減小，畸變程度越來越嚴重。

根據圖1所示，當列車供電系統的a7 端（第1點）、x7 端（第2 點）以及電抗器前端（第3 點）發生接地故障時，接地等效電路如圖5所示，其中US為交流輸入電源，L1為電源短路阻抗，Rjd為交流接地時等效電阻，RX為客車負載。

圖5 列車供電系統交流側接地等效電路

利用仿真模型考察a7/x7/電抗器前端在不同負載工況下不同阻值Rjd時Ujd電壓波形，具體如下：

當RX等效負載大于10Ω左右時，系統維持空載運行或者小電流時，其Ujd的典型波形如圖6所示（Utb表示交流輸入電壓，Ujd表示傳感器SV2 電壓）。

圖6 輕載時交流接地仿真波形圖

隨著RX等效負載從10Ω逐漸減小，系統負載電流逐漸增大，其Ujd的典型波形如圖7所示。

圖7 負載時交流接地仿真波形圖

5 結論

通過對電力機車列車供電系統接地分析，考察了不同負載和不同接地電阻工況下的直流側接地和交流側接地波形，歸納出相應的等效電路及仿真模型，總結出Ujd的輸出規律：

1）直流側接地時Ujd電壓輸出平穩，且隨著Rjd不斷減小，其電壓逐漸偏離300V。直流正線接地時Ujd電壓變化范圍在0～300V 之間，直流負線接地時Ujd電壓變化范圍在300～600V 之間。

2）交流側接地時Ujd輸出波形出現畸變，且隨著交流輸入電壓的變化而出現周期性振蕩。隨著Rjd不斷減小，Ujd電壓峰-峰值越來越大，且會出現超過600V 以上的電壓或者負電壓的情況。

根據以上規律提出了系統接地判斷的工程化實現方法，并通過電力機車高壓試驗，其接地判斷方法準確可靠，目前已經應用于數百臺的HXD3C、HXD3D 和HXD1D 客運電力機車的列車供電系統中。

[1] 徐林云.DC600V 列車供電系統[J].鐵道車輛,2001,39(3): 13-16.

[2] 蔣芳政.25T 型客車供電系統新技術及運用中存在的問題[J].鐵道車輛,2005,43(4): 38-39,43.

[3] 趙叔東.韶山8 型電力機車[M].北京: 中國鐵道出版社,1998: 68-73.

[4] 吳強.客運列車供電系統[J].機車電傳動,2003(5): 54-56,61.

[5] TB/T 3063—2011.旅客列車DC600V 供電系統技術要求及試驗[S].

[6] 王小方,賀文,李小平,等.電力機車DC600V 供電系統的改進[J].機車電傳動,2004(4): 41-44.

[7] 康驚濤.機車DC 600V 供電系統存在的問題及改進[J].電力機車與城軌車輛,2004,27(4): 70-72.

[8] 陳明惠,趙建葵,李國平.關于DC 600V 供電系統接地、漏電、隔離保護的探討[J].鐵道車輛,2004,42(2): 33-41,46.

[9] 余衛斌.韶山9 型電力機車[M].北京: 中國鐵道出版社,2005: 110-117.

[10] 王正林,劉明.精通MATLAB 7[M].北京: 電子工業出版社,2006: 424-457.