電力機車網壓波動故障的原因分析及應對措施

周占松

(國能朔黃鐵路發展有限責任公司機輛分公司，河北 肅寧 062350)

0 引言

隨著我國軌道交通行業的迅猛發展，軌道列車對電氣化鐵路接觸網網壓的平穩提出了更高的要求。電力機車受電弓直接從接觸網受流，接觸網網壓過高或過低都會限制電力機車功率輸出，造成列車失速甚至停車，最終對行車秩序造成不利影響[1]。近年來，朔黃鐵路某型電力機車因網壓異常波動致使機車卸載事件頻繁發生，本文充分考慮朔黃鐵路的線路環境以及故障機車的實際運行條件，分析機車監測到網壓異常波動的可能原因，為問題的解決提供思路和建議。

1 故障原因分析

1.1 網壓監測情況分析

網壓波動現象集中發生在黃大線以及朔黃鐵路“小覺—古月”區段，本文選取典型的網壓波動數據進行分析(見圖1)。在19：52′46″～19：56′10″，機車數據記錄網壓值在29～31 kV頻繁波動，最高值為31.233 kV，導致機車出現卸載的情況。

圖1 網壓記錄數據

1.2 線路環境與機車條件分析

對于黃大鐵路，網壓波動故障發生在個別電力機車上，且故障車輛均裝載某同型號高壓絕緣檢測箱，而同一供電臂下運行的其他機車電壓穩定，由此可初步推測：機車限功率運行的原因為高壓絕緣檢測箱硬件電路引起的網壓檢測失真。

對于朔黃鐵路“小覺—古月”區段，該區段為11.5‰下坡道。網壓波動現象多發于電制動期間，每次持續時間在數分鐘內，同時故障所涉及的車輛較多，并非集中發生于個別機車上，但均為2018年之后TCU機箱升級后的新造機車，由此可初步推測：機車限功率運行的原因為TCU機箱升級或“小覺—古月”區段機車使用再生制動造成的。

1.3 網壓波動原因分析

1.3.1 黃大鐵路網壓波動原因分析

由上述分析可知，黃大鐵路的某電力機車限功率可能是由高壓絕緣檢測的硬件電路引發的，因此本節對高壓絕緣檢測原理進行詳細分析。

高壓絕緣檢測關系到機車車頂高壓設備的絕緣問題，對機車的運用安全至關重要。該系統是閉環開關電源檢測技術和直流逆變交流技術的有機結合，通過逆變器將機車蓄電池的DC110 V直流電轉化成正弦交流電，從而使高壓電壓互感器的一次側感應25 kV高壓電，模擬接觸網在線電壓，但模擬出的電功率小于接觸網上的電功率。當車頂高壓電氣設備絕緣性能下降時，高壓電壓互感器一次側等效阻抗就會下降，當下降到一定程度時，由于高壓絕緣檢測裝置加載在車頂高壓電氣設備上的電流被限定在一定范圍后相關電壓會下降，這樣通過模擬加載電壓的大小就可以等效出車頂高壓電氣設備的絕緣狀態，高壓絕緣檢測原理簡圖如圖2所示。

圖2 高壓絕緣檢測原理簡圖

從原理圖可知，高壓絕緣檢測箱輸出JY+信號通過繼電器K1進行接通與切除，當高壓絕緣檢測箱不工作時，通過斷開繼電器K1，實現高壓絕緣檢測箱信號的斷開；當高壓絕緣檢測箱工作時，繼電器K1接通，由高壓絕緣檢測箱輸出交流150 V(50 Hz)到高壓互感器的次邊，在高壓互感器的原邊產生25 kV的高壓進行車頂絕緣檢測[2]。

由于繼電器位置設置不合理，位于高壓絕緣檢測箱主控板與濾波電容之間，導致高壓絕緣檢測箱與外部電路未實現完全隔離，導致高壓絕緣箱與外部電路未實現完全隔離，此時網壓監測電路可簡化為圖3所示LCR電路，高壓互感器簡化為一個電感[3]。當外界輸入電壓頻率與該電路諧振頻率一致時，該電路會發生諧振，從而導致TCU網壓檢測失真。

圖3 高壓互感器簡化電路

黃大鐵路作為新開通線路，可能存在電壓不穩、諧波較多的情況，網壓中某次諧波頻率正好與電力機車高壓互感器網壓監測電路諧振頻率匹配，造成電壓持續諧振現象。

1.3.2 朔黃鐵路“小覺—古月”區段網壓波動原因分析

由上可知，“小覺—古月”區段網壓波動現象疑似與進入該區域再生制動力加大以及2018年后新造機車TCU機箱升級有關，因此本節著重從再生制動及TCU網壓檢測兩方面進行分析。

由文獻[4]可知，相同條件下再生制動工況下高次諧波電流含量遠大于牽引工況，由此可知機車再生制動過程可能會造成車網諧振現象。由文獻[5]可知，機車在再生制動工況下，其諧波含有率幅值大小隨再生制動功率增大而減小，網側電流諧波畸變率隨再生制動功率的增加而下降，諧波次數和頻率無關，即機車再生制動力越大，造成的諧波問題越小，且朔黃鐵路西線為延續百公里的長大下坡道，重線方向最大坡道為12‰，而問題集中發生于“小覺—古月”區段。由此分析，再生制動力不是造成該區段網壓波動現象的決定性因素。

機車通過高壓電壓互感器，將原邊電壓按25 kV：150 V變比輸出到高壓電壓互感器次邊2，次邊繞組將150 V單相交流網壓信號通過限流電阻限流后傳入主變流柜 ，經過同步控制變壓器將AC150 V信號按150:10的變比輸出到同步控制變壓器次邊，進而送入TCU機箱LSC、LCC、MCC、SMC板卡進行網壓采集、信號濾波和模數轉換，控制整流側LCC脈沖開斷。網壓檢測信號流程圖和各板卡的作用如圖4所示。

圖4 網壓檢測信號處理流程圖

LCC板是對網壓信號進行計算控制，計算網壓有效值、瞬時值。 而通過調研，2018年4月及以后的新造機車，LCC插件在器件和芯片上均進行升級，浮點運算能力提升了約20%，整體運算精度及性能均較原有TCU提升5倍以上，在此基礎上實施網側抑制軟件優化后的THD可同比降低30%，對于網壓的判斷較老車更為靈敏。

由此可見，機車TCU機箱的LCC插件參數改變或“小覺—古月”區段使用再生制動時可能發生車網諧振現象，使得列車端電壓幅值明顯升高，影響機車功率發揮。

2 消除網壓波動的優化建議

2.1 黃大鐵路網壓波動優化建議

對于黃大鐵路出現的高壓絕緣檢測箱造成網壓波動問題，以此建議對高壓絕緣檢測箱內部電路進行設計優化。將高壓絕緣檢測箱內部K1繼電器位置更改到濾波電容后，且增加K2繼電器實現對JY-的隔離，如圖5所示，控制邏輯與K1繼電器保持一致，從而保證高壓絕緣檢測箱在不工作時與外電路完全隔離。

圖5 建議改造后高壓絕緣檢測箱原理簡圖

2.2 朔黃鐵路網壓波動優化建議

對朔黃鐵路“小覺—古月”區段網壓波動現象，提出以下建議。

1)監測機車弓網受流情況。考慮在曾經發生過網壓波動的機車上安裝機車網側受流檢測裝置，實時收集、記錄機車原邊回路及高壓電壓互感器副邊繞組電壓狀態值，分析受流情況，為故障原因查找提供線索。

2)優化機車控制軟件。考慮在TCU軟件中增加網壓異常情況下的實時故障記錄觸發功能，記錄網壓波動時期的實時故障波形，獲取異常情況下的網壓特征，然后根據波形特征進行控制軟件優化，通過調整控制策略來改變機車諧波特性，避開車網諧振頻率。

3)地面諧波治理。在優化機車軟件不能達到目的的情況下，考慮加裝地面諧波治理設備，消除網壓中的諧振頻率。

3 結語

本文以朔黃鐵路某型交流傳動重載電力機車出現的多起網壓波動現象為背景，討論了可能造成電力機車網壓波動的原因，提出了解決思路和建議，目前優化改進后的高壓絕緣檢測裝置有效解決了黃大鐵路偶發網壓波動問題，給類似問題的處理提供了參考，同時也為后續工作開展提供了幫助。