淺談接觸網網壓對HXD1型神華號電力機車的影響

摘要：HXD1型神華號大功率交流電力機車是南車集團株洲電力機車有限公司為了滿足神華鐵路的運輸需求，在HXD1系列大功率交流傳動電力機車的設計平臺上進行研制的，朔黃鐵路于2012年引進并大量投入運行，隨著運量的不斷攀升，基于HXD1平臺的神華八軸9600W、神華十二軸14400W大功率交流機車已經逐步替代韶山直流機車成為主力機車。得益于HXD1型電力機車的大功率，朔黃鐵路順利開行單元萬噸、1.6萬噸、2萬噸列車，機車功率的穩定發揮對列車的安全運行至關重要，當機車功率無法正常發揮時，對乘務員的操作造成很大的影響，本篇文章對HXD1型神華號大功率交流電力機車主電路原理、牽引變流器、傳動控制單元TCU、網壓監測進行介紹，結合故障案例對接觸網網壓對機車功率的影響進行淺析。

[Abstract] HXD1 Shenhua high-power AC electric locomotive is developed by CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.， Ltd. on the design platform of HXD1 series high-power AC drive electric locomotive in order to meet the transportation needs of Shenhua railway. Shuohuang railway was introduced and put into operation in 2012. With the continuous increase of traffic volume， Shenhua 8-axis 9600w Shenhua twelve axle 14400w high-power AC locomotive has gradually replaced Shaoshan DC locomotive as the main locomotive. Thanks to the high power of HXD1 Electric Locomotive， Shuohuang railway has successfully operated 10000 ton， 16000 ton and 20000 ton trains. The stable exertion of locomotive power is very important to the safe operation of the train. When the locomotive power cannot be normally exerted， it will have a great impact on the operation of stewards. This article discusses the main circuit principle of HXD1 Shenhua high-power AC electric locomotive Traction converter， transmission control unit TCU and network voltage monitoring are introduced. Combined with fault cases， the influence of catenary network voltage on locomotive power is analyzed.

關鍵詞：HXD1型神華號大功率交流電力機車;主電路;牽引變流器;TCU; 接觸網網壓

[Key words] HXD1 Shenhua high power AC electric locomotive; Main circuit; Traction converter; TCU; Catenary voltage

前言

HXD1型神華號電力機車每節機車有一套完整的網側電路和電傳動系統，主變壓器原邊通過受電弓、主斷路器得電，牽引變流器通過主變壓器次邊牽引繞組分別向4 個四象限整流器供電，每2個四象限整流器并聯輸出，共用一個中間直流回路。這個中間直流回路同時向3個電壓型PWM 逆變器（2個牽引逆變器和1個輔助逆變器，輔助逆變器集成在主變流柜中）供電，每個牽引逆變器向一個轉向架的1臺異步牽引電動機供電，實現牽引電機軸控，再生制動過程相反。傳動控制單元TCU是牽引變流器的核心控制單元，主要實現機車牽引力、制動力的換算、輸出，以及相應的監測、保護等功能。

1 HXD1型神華號大功率交流電力機車主電路結構組成

主電路如圖1.1所示按其主要功能和電壓等級可分為網側電路、四象限整流電路、中間直流回路、PWM逆變電路和牽引力電機負載支路等。

2 HXD1型神華號大功率交流電力機車牽引變流器結構組成

HXD1型神華號大功率交流電力機車采用TGA6C型牽引變流器，每臺機車配置兩臺牽引變流器，每臺牽引變流器中有兩組完全獨立的供電單元，每組內含有二組牽引逆變器和一組輔助變流器，其中每組牽引逆變器分別向一個轉向架的兩臺牽引電機供電，實現牽引電機軸控，該控制方式能提高機車牽引力的發揮;牽引時將定頻的單相交流電變壓、變頻后給三相異步牽引電機供電，以滿足機車運行的需要;電制動時將牽引電機發出的三相電變換成單相電后通過牽引變壓器反饋回接觸網;將定頻的單相交流電變壓、變頻后給輔助電路供電;牽引變流器關聯關系如圖2.1所示。

3 傳動控制單元TCU

牽引變流器用于控制牽引變壓器和牽引電機之間的能量傳輸，傳動控制單元TCU控制機車輸出的功率，進而控制牽引電機以獲得所期望的轉矩。

每臺牽引變流器內都有二個專門的TCU（傳動控制單元），采用冗余設計，提高機車的穩定性。TCU的主要功能是完成對機車的牽引/制動特性控制、邏輯控制、故障保護，實現對四象限整流器和牽引逆變器（輔助變流器）及交流異步牽引電機的實時控制、黏著利用控制，以滿足機車動力性能、故障運行、救援能力及實現預期的運行速度等。

3.1 TCU主要保護功能

TCU主要保護功能有：電網電壓過壓、欠壓保護;中間直流過壓、欠壓保護;牽引變壓器原邊過流、接地保護;IGBT元件故障保護;主回路接地保護;四象限整流器輸入過流保護;逆變器、斬波器輸出過流保護;電機三相不平衡、缺相保護;變流器模塊過熱保護;變流器水溫過高保護;變流器冷卻水壓過高、過低保護;接觸器卡分、卡合保護;輔變輸出過流、過壓保護;輔變輸出缺相保護。

本文重點對電網電壓過壓、保護欠壓保護、電壓波動保護進行重點分析。HXD1型神話號電力機車設計在25KV/50HZ電壓制式下運行，最低工作電壓為17.5KV，最高工作電壓為31KV，當接觸網網壓低于17KV且時間超過1S，觸發欠壓保護機車主斷斷開，牽引封鎖，功率發揮為零，當接觸網網壓高于31.5KV且時間超過1S，觸發過壓保護機車主斷斷開，牽引封鎖了，功率發揮為零。為保障機車正常運行，也防止弓網徹底被拉低，在網壓波動時，機車進行部分功率限制。TCU根據網壓的變化換算成相對一個相對穩定的虛擬電壓控制機車功率的輸出，原邊電壓大于17.5kV小于19.5kV時，允許發揮的最大功率為（0-84%）*額定功率。

3.2 TCU網壓檢測原理

以神華十二軸機車為例，當受電弓升起時，A＼B＼C三節TCU通過高壓互感器獲得網壓。配置如圖3.1所示。

（1）A/B節機車網壓檢測

選擇升弓的那節機車，CCU給出命令A34_05高電平，閉合該節機車的網壓檢測中繼=21-A10，檢測該節機車高壓互感器的網壓。非升弓節CCU給出A34_05低電平。

（2）C節機車網壓檢測

如果A節升弓，C節車的CCU給出命令A34_05高電平，閉合C節機車的網壓檢測中繼=21-A10，檢測A節機車高壓互感器輸出的網壓;

如果B節升弓，C節車的CCU給出命令A38_05高電平，閉合C節機車的網壓檢測中繼=21-A11，檢測B節機車高壓互感器輸出的網壓;

（3）網壓由TCU通過MVB傳送至CCU并在司機室的HMI上顯示。同時，網壓/控制電壓表=41-P02通過硬線直接讀取網壓。

4. 故障案例分析

4.1 事件概況：

2021年1月24日5時左右，配屬朔黃線HXD1神12-8011機車，運行到賈象至海興南間過分相后發現機車給流存在卸載現象，IDU和網壓機械表顯示網壓波動異常。

4.2 機車運行狀態及數據分析

① 如圖4.1、4.2所示，HXD1神12-8011機車B節操作，5：21：56過完分相后，原邊電壓頻繁波動，牽引力存在卸載情況。

② 如圖4.3、4.4所示，5：21：56過完分相后，8011機車C節原邊電壓頻繁波動，牽引力存在卸載情況。

③ 如圖4.5、4.6所示，5：21：56過完分相后，8011機車A節原邊電壓頻繁波動，牽引力存在卸載情況。

分析A、B、C三節車數據，共6個TCU采集的網壓均有波動情況，另外根據司機反饋機械網壓表網壓示數同樣有波動情況，判斷為A節高壓互感器采集網壓異常或網壓真實存在異常波動。

4.3原因分析

為了保障機車正常運行，也防止弓網徹底被拉低，因此在網壓波動時，機車進行部分功率限制。原邊網壓低于17.5kV時，允許發揮最大牽功率為0kW;原邊電壓大于17.5kV小于19.5kV時，允許發揮的最大功率為（0-84%）*額定功率。

分析故障波形可以發現在故障發生時，原邊網壓約為16.89kV，低于17.5kV，此時允許發揮的最大功率為0，因此會造成牽引力卸載。

5.總結

安全暢通是鐵路運輸的生命線，而機車是實現鐵路運輸順暢的重要載體，隨著現代科學技術的進步，機車的使用與運維技術研究水平也不斷提升。HXD1型神華號大功率交流電力機車作為朔黃鐵路運輸中主力機車類型，其功率的有效發揮是重載列車平穩操縱重要因素，

本文從網側電路的獲取、牽引變流器內部的轉換、傳功控制單元TCU的邏輯控制進行介紹，重點分析了當接觸網網壓波動時對機車功率的影響，結合案例了解TCU如何監測網壓并作出相應的保護。

針對接觸網網壓波動時機車限制功率的自我保護功能，建議在司機室IDU屏及智能顯示屏增加語音提示、故障顯示功能，當TCU監測到網壓波動時及時語音提示乘務員“網壓波動、注意運行”，并在IDU屏及智能總線顯示屏上文字提示“網壓波動、注意運行”，乘務員根據提示結合司機室網壓表網壓可準確判斷出：“接觸網網壓有波動，機車本身性能良好”，并根據實際線路情況提前做好操縱預想，實現列車的平穩操縱，保障運輸安全。

參考文獻

[1] 中車株洲電力機車有限公司.神華八軸大功率交流傳動電力機車，2012.

[2] 高永強. "神華號"電力機車關鍵系統及部件故障診斷專家系統[J]. 控制與信息技術（3）：6.

作者簡介：王馬俊 男 1990年02月26日 山西省臨汾市洪洞縣 漢族 助理工程師 ?研究方向：鐵路機務