1 000 kW軌道車接地保護電路仿真分析

吳曉威， 李 磊， 韓建寧， 王武俊

（中車永濟電機有限公司, 陜西 西安 710018）

引言

軌道車作為鐵路設備維修、大修、基建等設施部門執行任務的主要運輸工具，是鐵路運輸工作中的重要組成部分。

軌道車在運用過程中因為電纜老化、振動摩擦、冷卻液漏液等因素造成主回路發生接地故障。一般而言，單點接地對系統的正常工作不會有太大影響，但兩點或多點接地，就可能產生很大的短路電流，造成軌道車電傳動系統部件燒損，嚴重情況下甚至會發生火災[1，2]。因此，針對主回路接地故障問題進行分析探討，準確、迅速地對接地故障進行判斷和處理是十分重要的。

1 接地保護電路

軌道車主電路系統接地保護電路采用成熟的HXD3B型電力機車接地方式，是由跨接在中間電路的3個串聯電阻（R1、R2、R3）和電壓傳感器TV3組成。R2和R3的連接部位與地相連，其中電阻R1和R2是 82kΩ，R3是 56kΩ。

2 接地檢測分析

圖1 牽引系統原理圖

整車控制單元LCU監測主回路主要接地點，分別為發電機某相繞組輸出端、牽引變流器的輸入端、整流器、中間直流母線正端、直流母線負端、牽引逆變器輸出端等。列車控制單元LCU監測接地電壓傳感器TV3的輸出電壓，根據接地電壓的波形可以判斷變流柜的絕緣性能，初步定位變流器發生接地故障的區域，從而檢查、維修相關部件和電纜連接等。

根據接地電壓判定接地故障的依據如下。

1）接地電壓傳感器TV3的輸出電壓范圍為時該變流柜支路無接地故障發生。

2）接地電壓傳感器TV3的輸出電壓范圍為0時，中間直流回路的負極發生接地故障。

3）接地電壓傳感器TV3的輸出電壓范圍為Udc時，中間直流回路的正極發生接地故障。

4）接地電壓傳感器TV3的輸出電壓在0和Udc之間交替變化，并且頻率為發電機頻率，發電機繞組接地或者變流器輸入端接地。

5）接地電壓傳感器TV3的輸出電壓在0和Udc之間交替變化，并且頻率為逆變器開關頻率，牽引電機輸入端接地或者變流器輸出端接地。

當整車控制單元LCU檢測到接地電壓Ug超過正常值的30%就認為出現接地故障，從而將主發電機卸載，主發勵磁電流降為0，并將柴油機轉速降至惰轉轉速，同時輔發勵磁電流降至惰轉時的勵磁電流，此時系統降功運行，列車可以繼續維持運行。

當整車控制單元LCU檢測到接地電壓Ug超過正常值的20%，即軌道車報接地故障，從而將主發電機卸載，主發勵磁電流降為0，并將柴油機轉速降至惰轉轉速，同時輔發勵磁電流降至惰轉時的勵磁電流，此時系統降功運行，列車可以繼續維持運行。

3 仿真分析

根據牽引系統主回路搭建系統仿真模型，見圖2。牽引系統仿真模型由3個部發電機模塊，整流模塊、中間回路、逆變模塊以及電機控制模塊組成。在直流母線電壓DC 1 850 V，逆變輸出頻率30 Hz情況下進行接地故障仿真。

圖2 牽引系統matlab仿真模型

圖3 直流母線電壓DC1850V時波形圖

圖4 主發電機組輸出一相接地（變流器輸入接地）

仿真波形圖3-7，分別為電機某相繞組接地、直流母線正接地、直流母線負接地和逆變器輸出接地故障仿真結果。其中：曲線1是輸入電壓，曲線2是電容電流，曲線3是直流母線電壓，曲線4是接地電壓，曲線5是母線前端電流，曲線6是母線后端電流，曲線7是牽引電機電壓，曲線8是牽引電機電流。

圖5 直流母線正端接地

圖6 直流母線負端接地

從仿真波形圖3中，可以看出正常情況下，接地電壓與中間電壓成比例變化，接地電壓大約為3/4Udc。從仿真波形圖4中可以看出，當主發電機組輸出一相接地（變流器輸入接地）情況，接地電壓的外包絡線基本與中間電壓相同，由于出現接地故障時，輸出電壓在0和Udc之間交替變化，并且頻率為發電機頻率。上頁圖5是直流母線正端接地，此時接地電壓傳感器TV3的輸出電壓范圍為Udc。上頁圖6反應的是直流母線負端接地情況，此時檢測到接地電壓傳感器TV3的輸出電壓范圍為0時。從圖7中可以看出，當接地電壓傳感器TV3的輸出電壓在0和Udc之間交替變化，并且頻率為逆變器開關頻率，牽引電機輸入端接地或者變流器輸出端接地。4 結論

圖7 逆變器輸出一相接地（電機側接地）

本文針對1 000 kW軌道車接地檢測裝置進行仿真分析，仿真結果表明，軌道車接地檢測裝置設計較為合理，能夠及時檢測接地故障，并且不會對牽引系統造成破壞性影響。

參考文獻

[1]李偉，郭曉燕，張波.“和諧”系列電力機車傳動系統接地檢測比較[J].機車電傳動，2010（6）：88-91.

[2] 何欣，韓建寧，金春羽.HXD2型機車電傳動系統接地故障淺析[J].鐵道機車與動車，2015（1）：73-75.