和諧客運(yùn)電力機(jī)車DC600V列車供電系統(tǒng)接地研究

摘 要 利用MATLAB建立和諧客運(yùn)電力機(jī)車DC600V供電系統(tǒng)的模型，對(duì)所實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)仿真系統(tǒng)進(jìn)行接地判斷方面的研究。通過(guò)多方面的仔細(xì)研究，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的高壓試驗(yàn)，尋找出最佳的系統(tǒng)接地判斷解決方案。

【關(guān)鍵詞】和諧客運(yùn)電力機(jī)車 DC600V列車 供電系統(tǒng) 接地 研究

隨著東風(fēng)11G、韶山8型、韶山7E、韶山9/9改進(jìn)型這些準(zhǔn)高速客運(yùn)機(jī)車的逐步退役，和諧客運(yùn)電力機(jī)車（1D和3D）正逐步成為未來(lái)中國(guó)鐵路干線準(zhǔn)高速客運(yùn)的主力軍，解決了我國(guó)大量普速型直供電車底（主要為25G型車和25T型車，構(gòu)造時(shí)速分別是120km/h和160km/h）的牽引和供電的需求。和諧客運(yùn)電力機(jī)車主變壓器次邊設(shè)有兩個(gè)獨(dú)立供電繞組， 額定輸出單相AC860 V 電壓到列車供電裝置，整流后輸出獨(dú)立的兩路DC600V電源供給客車，功率為2×400 kW；客車上裝有逆變器和充電器，將DC600V電壓逆變成三相AC380V電壓后供給空調(diào)機(jī)組等三相負(fù)載，同時(shí)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(tǒng)用電。因此旅客列車DC600V供電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性對(duì)旅客列車安全運(yùn)行和正常的服務(wù)工作具有極其重要的作用。

針對(duì)DC600V列車供電系統(tǒng)接地保護(hù)方面存在的系統(tǒng)和部件匹配問(wèn)題，根據(jù)GB/T32587-2016《旅客列車DC600V供電系統(tǒng)》，系統(tǒng)接地方式進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定，力求保證旅客列車供電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，最大限度地滿足旅客用電的需求。在接地方式統(tǒng)一的基礎(chǔ)上，如何有效地進(jìn)行接地判斷就成了關(guān)鍵問(wèn)題，既要保證發(fā)生接地時(shí)能可靠動(dòng)作，又要保證正常運(yùn)行時(shí)不發(fā)生誤動(dòng)作。

1 DC600V供電系統(tǒng)原理及接地方式

列車供電柜有兩套完全獨(dú)立的供電系統(tǒng)，其原理電路完全相同。

主電路：主電路原理圖見(jiàn)圖1。交流輸入電壓860V，經(jīng)真空接觸器13KM與快速熔斷器11FU到單相整流橋與電流傳感器11SC，通過(guò)變壓器內(nèi)的濾波電抗器13L和柜內(nèi)的濾波電容器19C輸出直流電壓600V。整流橋的交流側(cè)，并聯(lián)了由電阻21R，電容17C和壓敏電阻13RV組成的過(guò)電壓吸收電路與控制用同步變壓器。同時(shí)，在交流側(cè)有元件擊穿短路時(shí)，快速熔斷器能快速熔斷保護(hù)，分?jǐn)嘀麟娐罚苊夤收系倪M(jìn)一步擴(kuò)大。直流側(cè)還有空載電阻R1、R2（均為600歐），與檢測(cè)用電流傳感器11SC，接地限流電阻R3（750歐）、電壓傳感器13SV用于接地保護(hù)。

電子電路：給定延時(shí)積分環(huán)節(jié)的預(yù)置值與電壓反饋信號(hào)比較，進(jìn)行調(diào)節(jié)器運(yùn)算得出晶閘管的觸發(fā)角，通過(guò)同步處理與功率放大環(huán)節(jié)控制晶閘管的觸發(fā)脈沖模塊，經(jīng)隔離處理控制晶閘管的開(kāi)通。

其中，DC600V供電系統(tǒng)采用了無(wú)源低阻中點(diǎn)接地的方式。R1、 R2 為600歐的電阻，為供電整流器空載電阻；R3為1.5K電阻100W線繞電阻2個(gè)并聯(lián)，該電阻由接地保護(hù)系統(tǒng)配置。

2 供電系統(tǒng)接地建模及試驗(yàn)

2.1 基于MATLAB/Simulink仿真

在對(duì)機(jī)車DC600V供電系統(tǒng)進(jìn)行接地試驗(yàn)前，利用仿真來(lái)研究系統(tǒng)功能是一種便利的方式。它不僅可以證實(shí)系統(tǒng)的工作原理，通過(guò)反復(fù)調(diào)整接地參數(shù)來(lái)達(dá)到系統(tǒng)功能，節(jié)省了開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)時(shí)間，充分利用了試驗(yàn)站的試驗(yàn)場(chǎng)地，避免了由于接地參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)而造成的重復(fù)試驗(yàn)。

Simulink是一個(gè)在MATLAB環(huán)境下運(yùn)行、用于非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析、用戶友好的通用數(shù)字仿真程序，也可用于連續(xù)或離散的時(shí)間系統(tǒng)以及多級(jí)系統(tǒng)的分析，是目前在電力電子與電力傳動(dòng)中應(yīng)用最普遍的仿真程序之一。雖然本質(zhì)上屬于MATLAB程序（Mathworks），但用戶可以通過(guò)圖形接口應(yīng)用子系統(tǒng)模塊建立系統(tǒng)。開(kāi)始時(shí)，用戶必須使用微分方程或代數(shù)方程來(lái)確定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并用狀態(tài)變量或傳遞函數(shù)形式將它們表示出來(lái)。在仿真中可以應(yīng)用模塊或功能模塊庫(kù)。

2.2 直流側(cè)接地試驗(yàn)

在機(jī)車DC600V供電系統(tǒng)正常工作無(wú)接地的情況下，電壓傳感器13SV的半電壓反饋值應(yīng)在300V左右。而一旦供電系統(tǒng)的直流側(cè)發(fā)生接地的情況或者電氣絕緣等級(jí)下降的情況，供電系統(tǒng)的600V正線或者600V負(fù)線對(duì)地串入了一個(gè)電阻。

根據(jù)GB/T32587-2016《旅客列車DC600V供電系統(tǒng)》的規(guī)定，當(dāng)Rx≤1k時(shí)，機(jī)車DC600V供電系統(tǒng)應(yīng)該動(dòng)作，將接觸器斷開(kāi)，避免事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。利用MATLAB仿真，可計(jì)算出正線或者負(fù)線接地時(shí)，此時(shí)接地電壓傳感器13SV的電壓值。如圖2正線1K接地時(shí)半電壓波形圖和圖3負(fù)線1K接地時(shí)半電壓波形圖。空載和帶負(fù)載時(shí)波形基本一致。仿真出的結(jié)果與理論計(jì)算、實(shí)際試驗(yàn)均很接近。圖2、圖3中，藍(lán)色曲線表示600V全電壓波形，紅色曲線表示半電壓波形。

2.3 交流側(cè)接地試驗(yàn)

機(jī)車DC600V供電系統(tǒng)交流側(cè)如果發(fā)生接地而控制系統(tǒng)未及時(shí)動(dòng)作，將對(duì)電力機(jī)車主變壓器造成較為嚴(yán)重的后果。因此對(duì)交流側(cè)接地的仿真尤為重要。600V供電系統(tǒng)的交流側(cè)有三個(gè)點(diǎn)，分別是晶閘管、二極管和電抗器，它們的接地波形均不同，空載和帶負(fù)載時(shí)波形又有差別。利用MATLAB仿真可獲得交流側(cè)接地的仿真波形，如圖4晶閘管接地時(shí)半電壓波形圖（負(fù)載）、圖5二極管接地時(shí)半電壓波形圖（負(fù)載）、圖6電抗器接地時(shí)半電壓波形圖（負(fù)載）。圖4至圖6中，藍(lán)色曲線表示半電壓波形，紅色曲線表示交流側(cè)同步信號(hào)。

做機(jī)車DC600V供電系統(tǒng)高壓試驗(yàn)時(shí)，利用示波器捕捉到交流側(cè)三個(gè)點(diǎn)的接地波形，基本上與MATLAB的仿真波形很接近。高壓試驗(yàn)時(shí)，交流側(cè)接地波形如圖7晶閘管接地時(shí)半電壓波形圖（負(fù)載）、圖8二極管接地時(shí)半電壓波形圖（負(fù)載）、圖9電抗器接地時(shí)半電壓波形圖（負(fù)載）。圖7至圖9中，黃色曲線表示半電壓波形，綠色曲線表示交流側(cè)同步信號(hào)。

3 結(jié)論

本文提出了和諧客運(yùn)電力機(jī)車DC600V供電系統(tǒng)的接地模型， 并利用其進(jìn)行直流側(cè)、交流側(cè)接地的仿真試驗(yàn)，為后續(xù)的高壓試驗(yàn)提供了理論基礎(chǔ)。利用MATLAB仿真，不僅有效提高了現(xiàn)場(chǎng)高壓試驗(yàn)的效率，而且為以后和諧客運(yùn)電力機(jī)車機(jī)車DC600V供電系統(tǒng)的接地改進(jìn)提供了諸多的便利。

參考文獻(xiàn)

[1]徐林云.DC600V列車供電系統(tǒng)[J].鐵道車輛，2001，39（03）：13-16.

[2]吳強(qiáng).客運(yùn)列車供電系統(tǒng)[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2003，5：54-61.

[3]GB/T32587-2016，旅客列車DC600V供電系統(tǒng)[S].

[4]蔡杰，林波.電力機(jī)車列車供電系統(tǒng)接地研究[J].電氣技術(shù)，2015，16（05）：78-81.

作者簡(jiǎn)介

鄭志剛（1983-），男，上海市嘉定區(qū)人。畢業(yè)于華東交通大學(xué)電力機(jī)車牽引與傳動(dòng)專業(yè)。大學(xué)本科學(xué)歷。工程師。研究方向?yàn)殡娏C(jī)車牽引與傳動(dòng)。

作者單位

上海鐵路局機(jī)務(wù)處 上海市 200070endprint