機客車DC 600 V供電系統絕緣保護功能優化

耿繼晗，滕振海，趙長波，郭志剛

（1 濟南鐵路局 濟南車輛段，山東濟南250000；2 中國鐵路總公司 運輸局車輛部，北京100844；3 中車青島四方車輛研究所有限公司，山東青島266031）

鐵路供電技術

機客車DC 600 V供電系統絕緣保護功能優化

耿繼晗1，滕振海1，趙長波2，郭志剛3

（1 濟南鐵路局 濟南車輛段，山東濟南250000；2 中國鐵路總公司 運輸局車輛部，北京100844；3 中車青島四方車輛研究所有限公司，山東青島266031）

介紹了機客車DC 600 V供電客車絕緣保護的設置依據、設計原理，據此對原有規范進行優化改進，提出了當前絕緣保護數值的設置要求，便于各鐵路局工作人員深入了解、學習和掌握。

DC 600 V供電；中點接地；干線電壓；漏電流；檢測裝置

一般地，當漏電電流達到300 m A時就有發生火災的危險。電氣火災發生的主要原因是電氣設備、電纜單極或單相漏電，沒有及時發現處理造成短路導致；為保證旅客列車安全運行，機客車DC 600 V供電系統必須設置絕緣保護，以實現故障預警和故障電路自動切除。

1 既有規范

直供電普速旅客列車在電氣化區段，采用由電力機車集中供電、客車分散變流供電方式；在非電氣化區段，則由機車向客車提供DC 600 V電源。鐵道行業標準TB／T 3063—2002《旅客列車DC 600 V供電系統技術條件》的第4.1.5條規定列車DC 600 V供電系統應設置兩級接地保護電路。機車則推薦采用中點接地保護電路，如圖1、圖2所示。

圖1 電力機車

機車采用中點接地模式的優點是：正負線對地電壓對稱（正常均為300 V）可以充分保證線路絕緣利用，抗電磁干擾（EMI）效果好。其中R的選取以DC 600 V對地絕緣為零時的接地電流不大于300 m A為限，考慮的是保證旅客列車供電系統安全性和穩定性，最大限度地滿足旅客列車用電的需求。根據這一條件，機車上的R大多選為2 000Ω，假設DC 600 V負線對地為零的極端情況時，保護漏電流動作值為600 V／2 000Ω＝300 mA。

圖2 內燃動車組

客車采用的是電流法，在電氣綜合控制柜內設置絕緣檢測裝置。漏電電流小于300 m A是防火要求，但對于承運旅客的列車而言，若單車設置為300 m A則出庫質量標準較低、安全冗余不足；單車限值設置為50 m A又可能存在誤動作、影響正常使用；綜合以上因素，設置客車單車漏電動作電流為150 m A，達到該值時2 s內切斷本車供電回路，此限值可通過客車觸摸屏修改。

對于常用的1輛機車、18輛客車編組實際運用，不能簡單地認為：要求全列漏電流不超過300 m A時，客車單車漏電流就不能超過300 m A／18＝16 m A。因為全列漏電流不僅僅是簡單的代數疊加，還有矢量疊加、正負漏疊加。單車漏電流數值設置的過低，不利于裝置躲過高次諧波通過濾波器或其他負載電容產生的虛漏電流，不利于客車的穩定運行。

2 改進設計原理

2.1 機車供電保護回路

2007年4月原鐵道部運輸局裝備部組織召開了DC 600 V列車供電系統研討會，提出了進一步完善機車DC 600 V供電裝置接地保護系統的要求和具體措施。要求實施統一的中點接地保護電路，如圖3。

圖3 DC 600 V電源中點接地正線R地計算原理圖

因R地＋和R3都為接地，分析時可認為接地端短接在一起，即I地＝I3，對應的等效電路如圖4。

圖4 DC 600 V對地R地計算等效電路原理圖

其中R1、R2為600Ω電阻，為供電整流器的空載電阻；R3為750Ω電阻，為中點接地電阻。系統接地電阻R地小于等于900Ω時，應進行接地保護動作（檢測的動作電壓U地為138.4 V，流過R地的漏電流為153 m A，計算方法見式（3）和式（4）；檢測試驗時，系統接地電阻小于800Ω時，機車接地保護可靠動作，接地電阻大于2 000Ω時，保護不動作。系統接地電阻不同時，保護動作的延時也不同。

圖4中各電阻阻值的選取，仍然以DC 600 V對地絕緣為零時接地電流不大于300 m A（GB 14287.2—2005《電氣火災監控系統》）為限。在TB／T 3063—2011《旅客列車DC 600 V供電系統技術要求和試驗》的第4.1.5條中，參照圖3對圖1、圖2進行了相應修改。

對圖4所示電路，采用方法①依據電壓傳感器測得的電阻R地＋的端電壓U地的大小，或方法②依據電壓傳感器測得的電阻R3的端電壓U3的大小，或方法③依據電流傳感器測得的電阻R3的電流，后均能通過計算得出系統的絕緣電阻。因電阻R3安裝于機車上，所以若在客車上進行機車供電保護回路設計只能采用方法①。

現以第1種方法測量U地為例說明。設DC 600 V干線線間電壓為UDC＝600 V，由圖4分析得知：

R3和R地＋串聯后與R1并聯，電阻為：

根據歐姆定律，并聯后的電阻兩端電壓UB為：

UB／RB＝UDC／（RB＋R2），則

流過絕緣電阻兩端的電流I地為：

R地兩端的電壓U地為：

當R地＋＝800Ω時，由式（1）～式（4）得出：

同理，可計算出R地＋為不同數值時，對應的I地和U地，作為相應保護裝置的取值。見表1

表1 R地＋不同數值時刻對應的I地和U地

由以上分析得出，DC 600 V干線線間電壓為UDC＝600 V時，因R1＝R2，所以理想狀態時U地為300 V。隨著絕緣電阻的降低，檢測到的電壓U地也降低。因此原機車絕緣保護設計要求：

（1）參考取值A：檢測試驗時，當U地≤130 V，IR3≥160 m A時，絕緣監測保護保證動作；

（2）參考取值B：當U地≤138 V，I地≥154 m A時，絕緣監測保護動作；

（3）參考取值D：R地端電壓U地≥200 V，R地電流I地≤100 m A時，絕緣監測保護保證不動作。

實際運用時，機車絕緣保護動作值按以上規定設置。

當DC 600 V干線線間電壓在DC 560 V～DC 660 V范圍變化時，以上對應數值也相應變化。根據上述計算方法得出的絕緣監測保護部分保證不動作與保證動作時R地＋電壓U地和電流I地的數值如表2所示。

表2 機車絕緣監測保護正線對地電壓對照表

2014年在機車的車載安全防護系統（6A系統）上也基于此原理設置了機車列車供電監測子系統，用于對機車供電電壓和絕緣數據的監測和記錄。

2.2 客車供電保護回路

客車單車絕緣保護設置取值過程見表1序號B，計算結果為154 m A，技術要求將漏電保護值確定為150 m A，便于記憶。

為解決供電故障時機車和客車均沒有數據記錄的問題，于2011年7月按照前述的檢測方法①，研制了安裝于首尾車上的DC 600 V干線絕緣檢測裝置。利用的是機車的中點接地電路，檢測數據能夠存儲分析。客車全列絕緣保護設置取值過程見序號A，確定為800Ω或160 m A。

圖5為模擬I路供電絕緣報警時的畫面。

圖5 模擬I路絕緣監測報警畫面

以上保護設置方案，在運用中發現存在缺陷。機車設置的參考取值B：大于154 m A動作和單輛客車150 m A設置值相差較小。發生單輛漏電保護時，機車也可能跳閘，造成全列斷電，不利于判斷查找具體故障車輛。

3 設置持續改進

2015年7月中國鐵路總公司運輸局組織，中車青島四方車輛研究所有限公司牽頭，中國鐵道科學研究院機車車輛研究所、株洲中車時代電氣股份有限公司及中車株洲電力機車有限公司等相關單位參加對機車客車漏電保護值和報警時間進行了共同研究。經過現車模擬絕緣故障測試和討論分析提出了相應的技術要求：

（1）對于機車

干線電壓為DC 600 V時，絕緣檢測裝置動作值的數值取值過程見表1的序號A。更改為：SV電壓（圖3）小于130 V（正線接地）或大于470 V（負線接地），此時干線正線（或負線）對地等效絕緣電阻約為800Ω，對應漏電流約為160 m A。隨著干線電壓變化，等效動作電阻值不變，動作電壓或動作電流應相應變化。

機車絕緣檢測裝置在監測達到動作值且持續30 s后，發出相應報警控制信號，并予以保持，直至手動復位。

新技術要求與原機車絕緣保護設計值相比，漏電流由154 m A提高為160 m A，最主要是增加了報警值延時判斷時間要求。目的是增加機車與客車報警絕對值差，以利于客車報警時提前動作，努力達到不影響機車供電。

（2）對于客車

列車首尾車電氣綜合控制柜內設置DC 600 V干線絕緣檢測裝置，絕緣保護取值過程見表1的序號C計算結果。當監測電壓傳感器對地電壓小于176 V時，延時約5 s，進行報警提示，此時等效干線對地絕緣小于1 500Ω，全列漏電流大于115 m A。隨著干線電壓變化，等效動作電阻值不變，監測對地電壓相應變化。

客車每節車廂電氣綜合控制柜內設本車DC 600 V在線絕緣檢測裝置，絕緣保護取值過程見表1的序號D的計算結果。在本車直流漏電電流超過保護設定值100 m A時，等效干線對地絕緣電阻為2 000Ω，延時不超過2 s，可切除本車DC 600 V供電。

通過客車這次參數設置的改變有兩個主要優點：

（1）客車絕緣標準提高：單車由150 m A提高為100 m A，列車由160 m A提高為115 m A，能夠更好的保證出庫質量。

（2）機車絕緣保護動作時間延長至30 s，客車絕緣保護動作時間不大于5 s，時間差異增加能夠便于發揮兩級保護的作用，客車可以先動作切除故障負載并查找故障回路而不影響機車。

4 結束語

機客車DC 600 V供電系統絕緣保護是一個值得深入研究的課題。隨著大量客車的陸續應用，還需要繼續積累案例和數據，具體問題具體分析，這樣DC 600 V供電系統才能不斷發展完善。

［1］ 郭志剛，李國平，王曉東.DC 600 V供電客車干線在線絕緣監測裝置［J］.鐵道車輛，2013，51（9）：27-29.

Insulation Protection Function Optimization for DC 600 V Power Supply System of Locomotive and Passenger Rolling Stock

GENG Jihan1，TENG Zhenhai1，ZHAO Changbo2，GUO Zhigang3
（1 Jinan Car Depot，Jinan Railway Bureau，Jinan 250000 Shandong，China；2 Vehicle Department，Transportation Bureau of China Railway，Beijing 100844，China；3 CRRC Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266031 Shandong，China）

This paper briefly introduces the insulation protection setting basis，design principle and improvement process for DC 600 V power supply system of locomotive and passenger trains，and proposes the insulation protection numerical setting requirements suitable for the railway staff in-depth understanding，learning and mastering.

DC 600 V power supply；neutral grounding；trunk voltage；leakage current；detecting device

U223.6＋1

A

10.3969／j.issn.1008－7842.2016.06.14

1008－7842（2016）06－0054－03

6—）男，工程師（

2016－05－05）