交流傳動電力機車主電路保護技術分析

何 平

（中國國家鐵路集團有限公司，北京 100844）

我國鐵路牽引供電制式是單相交流25 kV/50 Hz。交流傳動電力機車整車牽引功率大、網側電流大，主電路的穩定工作和安全運行是交流傳動電力機車牽引功率發揮、鐵路弓網正常運用的重要保障。HXD1系列、HXD2系列以及HXD3系列交流傳動電力機車主電路均設計有較為完善的保護方案，由于各系列機車技術平臺不同，在主電路設計和保護方案上略有差異。將綜合各和諧系列電力機車的技術特點，對交流傳動電力機車的主電路保護技術方案進行介紹和分析。

1 典型主電路介紹

現和諧系列交流傳動電力機車采用交-直-交電傳動，水冷IGBT變流技術。機車通過網側電路的受電弓、主斷路器等將接觸網電源引至牽引變壓器原邊，牽引變壓器次邊牽引繞組向牽引變流器四象限變流器供電，經四象限變流器整流成直流電后形成中間直流回路，再經PWM逆變器向牽引電機供電。以一架為例，交流傳動電力機車的典型主電路原理示意圖如圖1所示。

主電路還包括高壓隔離開關、避雷器、電壓互感器、原邊電流互感器（或過流繼電器）、回流電流互感器等設備。主斷路器起正常工作或故障保護時主電路的分、合閘作用，電壓及電流互感器將檢測的信號送給機車牽引控制系統，同時給機車能耗表，用于顯示機車的能耗情況。

根據電路的功能和結構，現將圖1主電路劃分為網側電路、變壓器次邊、四象限整流電路（含預充電電路）、中間直流回路（含斬波電路或撬棒放電電路）以及逆變器輸出電路，其中中間直流回路包括支撐電容、接地檢測電路以及濾波電路。

圖1 典型交流傳動電力機車主電路示意圖

2 主電路保護

交流傳動電力機車對主電路的各個回路均進行了接地、過壓及過流/短路檢測，并對接地、過壓及過流/短路故障進行了安全保護設計。

2.1 網側電路保護

針對主斷路器前的網側電路部分，設置有受電弓、高壓隔離開關和避雷器，以及網側電壓監測的高壓電壓互感器，其中車頂避雷器用于吸收雷電過電壓、操作過電壓。各高壓電器通過軟連線或導電桿連接，該段電路通過升起受電弓直接與接觸網連接，無自動隔離的保護電氣設備，機車對該段電路不具備隔離保護功能。電力機車該段電路整體上比較穩定可靠，常見的故障有刮弓、避雷器絕緣擊穿，以及惡劣天氣下的絕緣子閃絡、高壓電器帶電裸露部分的對地絕緣擊穿等。該類故障發生后，通過牽引供電網的地面保護設備進行切斷保護。以下介紹的交流傳動電力機車的網側電路檢測保護不包括主斷路器前部分的電路。

（1）網側電路接地、過流/短路檢測保護網側電路接地檢測保護主要有2個方式。

第1種是通過比較原邊電流互感器與回流電流互感器電流差值，在差值大于設定值時，則判斷為接地故障，觸發接地保護動作，進行保護性分主斷等。

第2種是通過主斷路器后的過流繼電器檢測，在發生過流或短路故障時，過流繼電器檢測電流值超過設定保護值，過流繼電器輔助觸點硬線信號觸發機車的保護性分主斷，故障消除后，過流繼電器恢復，才允許重新合主斷。

針對第1種接地檢測保護方式，過流/短路檢測保護是通過原邊電流互感器電流值判斷，在原邊電流互感器的電流有效值大于保護門限值時，觸發過流/短路保護，機車將進行保護性分主斷等。與接地保護一樣，過流/短路保護均通過網絡控制進行保護性分主斷。

對比2種接地保護方式，理論上第1種方式可以對因低絕緣破壞產生的較低等級的接地泄漏電流進行檢測和保護，綜合目前采用該2種保護方式的機車，實際工程運用中均比較可靠，都實現了對機車的良好可靠的保護。

（2）網側電路過壓保護

網側電路過壓保護通過主斷路器前的高壓電壓互感器檢測的電壓大小進行判斷，電壓互感器檢測的網壓值反應了主電路各電氣設備的實際工作電壓值。網壓長時間過高，對網側電路的高壓設備、主變壓器原邊繞組的絕緣等有影響，同時網壓過高影響變壓器次邊繞組電壓，影響與變壓器次邊繞組直接連接的牽引變流器電氣設備的絕緣可靠性。一般而言，交流傳動電力機車設計的功率發揮的網壓范圍為17.5～29 kV，網壓超過29 kV但不大于32 kV時機車進行線性降功率保護，超過32 kV時進行斷主斷保護等，只有當網壓恢復正常范圍機車才允許重新合主斷。

2.2 變壓器次邊、四象限整流電路、中間直流回路及逆變輸出接地檢測保護

四象限整流電路及逆變電路與二極管橋式電路相比，采用了IGBT與二極管反向并聯，在IGBT的控制門電路啟動之前，由于IGBT被關閉，與二極管的電路功能一樣。IGBT開通后，中間直流回路隨IGBT通斷與四象限整流輸入電路及PWM逆變輸出電路聯通。目前和諧系列交流傳動電力機車的變壓器次邊、四象限整流電路、中間直流回路及逆變輸出接地均通過中間直流回路的接地檢測電路實現。

2.2.1接地檢測

變壓器次邊、四象限整流電路、中間直流回路及逆變輸出接地檢測的方式有2種：方式1是通過中間直流回路接地檢測電路的全電壓與半電壓的比值或差值大小判斷，電路原理如圖2所示；方式2是通過串接在中間直流回路的接地檢測電路的電流傳感器進行檢測判斷，電路原理如圖3所示。

圖2 電壓比較法接地檢測電路

圖3 接地電流傳感器檢測法接地檢測電路

如圖2所示，方式1接地檢測電路由跨接在中間直流電路的兩個阻值相同的分壓電阻R1、R2和中點電壓檢測的VH1電壓傳感器組成。正常工況下，VH1傳感器測得的直流電壓值為VH2、VH3測得的中間直流支撐電壓的一半。當電路中出現接地故障，兩電壓值的差值或比值超過設定值時，則判斷為接地故障，機車控制系統可進行斷主斷等保護。

如圖3所示，方式2接地檢測電路由跨接在中間直流電路的兩個阻值相同的分壓電阻R1、R2和與中點串聯的接地電流傳感器GCT組成，接地檢測功能投入時，電流傳感器另一端通過開關打至接地狀態。工作正常時，由于只有1點接地，接地電流傳感器GCT中無電流流過，當電路中出現接地故障時，接地電流傳感器的接地端、接地故障點與中間直流電路形成回路，接地檢測電流傳感器有電流流過，接地保護裝置動作，機車控制系統可進行斷主斷等相關保護。中間直流回路單點接地等不影響電氣功能的故障，可通過將GS1打至非接地位，隔離接地檢測功能，可維持機車繼續運行。

變壓器次邊、四象限整流電路、中間直流回路及逆變輸出接地故障均可通過中間直流回路的接地檢測、電路檢測判斷。其中，變壓器次邊電壓直接隨變壓器特性和原邊電壓變化而變化，中間直流回路電壓受四象限整流器控制，逆變器輸出電壓受PWM逆變器控制。各回路單點接地故障后影響不同，各譜系機車大多進行了斷主斷、隔離封鎖對應變流器后繼續行車的保護方案，具體保護細節上各譜系機車略有差異。

2.2.2接地位置的定位

隔離封鎖對應變流器，可以隔離四象限整流、中間直流以及逆變輸出電路的接地故障點。針對變壓器次邊接地故障，隔離封鎖對應變流器后，接地檢測裝置也被隔離，故障點仍存在且處于不被監控狀態。交流傳動電力機車變壓器次邊電壓達1 000 V左右，長時間接地且不被監控運行是極其危險的。各回路單點接地故障對系統的影響也不同，進行區分后可以進行區別性保護和處理，同時也有利于對故障的查找，便于檢修與維護，各回路接地故障定位方法如下。

（1）四象限整流電路、中間直流回路及逆變輸出接地點定位

水冷IGBT控制變流器，中間直流電源為持續穩定的直流電源信號，四象限整流器的IGBT開關頻率為固定值，PWM逆變器IGBT開關頻率在最大工作頻率內隨電機控制需要變化，四象限整流電路、中間直流回路及逆變器輸出接地點定位判斷邏輯框圖如圖4所示。

（2）變壓器次邊接地點定位

按上述判斷邏輯定位的四象限整流電路接地點，具體接地位置可能是與四象限整流器連接的變壓器次邊，也可能四象限整流器的IGBT模塊與預充電電路之間部分，如圖5所示。正常工作變流器，斷開短接接觸器k2可隔離預充電電路后的接地點。變流器不能隔離變壓器次邊的接地點，因此需要進一步定位。

圖4 四象限整流電路、中間直流回路及逆變輸出接地點定位判斷邏輯框圖

如圖5所示，在四象限整流器IGBT關閉時，若a點接地（機車地），b點經與IGBT反向并接的二極管、接地檢測分壓電阻，最后經機車地e與a點形成回路，可以實現a點接地狀態的檢測。b點接地檢測，需啟動特殊的接地檢測判斷邏輯，在四象限整流器IGBT關閉時，閉合預充電接觸器k1，a點經k1、預充電電阻R1，以及與IGBT反向并接的二極管、接地檢測分壓電阻，最后經機車地e與b點形成回路，實現a點接地檢測。接地電流傳感器檢測法的變壓器次邊接地點定位判斷控制邏輯相同。

通過上述方案，實現了變壓器次邊、四象限整流電路、中間直流回路及逆變輸出電路的接地檢測與定位，各譜系交流傳動電力機車根據其具體的設備電壓等級、結構、保護能力以及接地故障后影響的不同，可以制定不同的細化保護方案。

2.3 變壓器次邊短路檢測保護

牽引變壓器是利用電磁感應原理將原邊的交流電壓變成同頻率的一種或多種電壓等級的靜止感應電器，任一變壓器次邊短路故障，會直接反饋到原邊的電流變化。同時，變壓次邊短路故障會直接影響到該回路的四象限整流電路的正常工作，變壓器次邊的短路檢測判斷方法有以下3種：

方法1，機車升弓合主斷，在四象限整流器未投入工作時，檢測到原邊電流互感器電流值大于設定值，在無其他故障情況下，經綜合判斷后可確定該異常電流為變壓器次變短路引起。

圖5 四象限整流輸入電路

方法2，機車升弓合主斷，與變壓器次邊連接設備投入工作后，各變壓器次邊連接設備的工作電流換算到原邊的總電流與原邊電流互感器檢測的電流的差值大于設定值，經綜合判斷后可確定該異常電流為變壓器次變短路引起。

方法3，機車升弓合主斷，預充電接觸器閉合，檢測到預充電電流小于設定值，中間直流回路電壓小于設定值，經綜合判斷可確定為變壓器次邊短路。

變壓器次邊短路故障后，需進行斷主斷保護，恢復正常后才允許重新閉合主斷。

2.4 四象限整流、中間直流回路過流/短路檢測保護

四象限整流電路輸入端串接的電流傳感器可對四象限整流器和中間直流回路的過流/短路故障進行檢測，引起該類故障的原因可能為變流器硬件設備故障。若故障在牽引變流器投入工作前已經存在，則在變流器啟動工作時，中間直流回路支撐電容會反應充電超時、充電電壓異常等故障。另外，接觸網電壓低異常也會引起四象限輸入電流故障。

四象限整流器和中間直流回路過流/短路故障后，機車將進行斷主斷，封鎖充預充電接觸器，牽引控制系統封鎖整流、逆變器等保護。

2.5 變壓器次邊、中間直流回路及逆變器輸出過壓檢測保護

（1）變壓器次邊過壓檢測保護

變壓器次邊電壓是通過與原邊耦合產生的，在變壓器結構確定后，如果次邊過壓，則原邊也會有相關體現。因此，變壓器次邊過壓檢測保護在網側電路的過壓檢測保護中實現。

（2）中間直流回路過壓檢測保護

如圖5所示，并接在中間直流回路的電壓傳感器對中間直流電壓實時監測，在模塊故障、支撐電容故障、網壓波動等，過電壓斬波電路或TCU撬杠保護放電失效等中間直流回路過壓故障，機車進行斷主斷，牽引控制系統封鎖整流、逆變器等保護。

（3）逆變器輸出過壓檢測保護

PWM逆變器輸出電壓受牽引逆變器控制，電壓最大值與中間直流電壓成比例關系，該保護包含在中間直流回路過壓保護中。

2.6 逆變器輸出過流檢測保護

串接在逆變器輸出的電流傳感器對逆變器輸出電流進行監測，在牽引電機絕緣下降、鎖軸等至逆變器輸出過流故障時，機車可進行斷主斷，牽引控制系統封鎖整流、逆變器等保護。

3 結束語

對和諧系列交流傳動電力機車主電路進行了簡要介紹，并結合典型主電路原理圖，對既有和諧系列交流傳動電力機車主電路的網側電路、變壓器次邊、四象限整流電路、中間直流回路以及逆變器輸出電路的接地、過壓和過流/短路的檢測判斷方法和保護控制邏輯進行了對比分析，對理解和掌握交流傳動電力機車的主電路保護邏輯具有重要參考意義。