HXD1C型電力機(jī)車牽引主回路接地檢測(cè)原理分析及故障處理

(資陽(yáng)中車電力機(jī)車有限公司，四川 資陽(yáng) 641300)

0 引言

HXD1C型電力機(jī)車是由中車株洲電力機(jī)車有限公司研發(fā)的交流傳動(dòng)7 200 kW六軸貨運(yùn)電力機(jī)車，其電氣系統(tǒng)可分為主回路、輔助回路和控制回路三部分。其中，機(jī)車主回路系統(tǒng)由主變壓器原邊電路以及主變壓器次邊牽引電路組成，作用是從接觸網(wǎng)將AC 25 kV單相工頻交流電引入機(jī)車，經(jīng)受電弓、高壓隔離開(kāi)關(guān)、主斷路器、高壓電壓互感器、原邊電流互感器接入主變壓器原邊，由主變壓器次邊6個(gè)獨(dú)立的牽引繞組分別向2臺(tái)牽引變流器的6個(gè)四象限整流器供電，每臺(tái)牽引變流器的3個(gè)四象限整流器通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)并聯(lián)向3個(gè)電壓型 PWM 逆變器供電。每個(gè)牽引逆變器由相應(yīng)的TCU單獨(dú)控制，向3臺(tái)異步牽引電動(dòng)機(jī)供電，從而實(shí)現(xiàn)單軸獨(dú)立控制。當(dāng)牽引主回路發(fā)生接地故障后，機(jī)車會(huì)觸發(fā)一系列的保護(hù)措施，導(dǎo)致機(jī)車無(wú)法正常運(yùn)行，嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)輸秩序。因此，快速有效地判斷牽引主回路接地故障并予以處理十分必要。

1 牽引主回路工作原理及接地檢測(cè)電路原理

1.1 牽引主回路工作原理

HXD1C型機(jī)車牽引變流系統(tǒng)裝用的是中車株洲電力機(jī)車研究所研發(fā)的TGA9型牽引變流器，采用軸控技術(shù)，為了獲得所期望的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，牽引變流器根據(jù)要求來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)接線端的電流和電壓波形，完成電源(主回路)和牽引電動(dòng)機(jī)之間的能量傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車牽引、再生制動(dòng)等持續(xù)控制，其電氣原理如圖1所示。

圖1 TGA9型牽引變流器主電路原理圖

以M1牽引回路為例，a-x為主變壓器原邊繞組，輸入電壓為網(wǎng)側(cè)電壓，a1-x1為次邊繞組，輸出電壓為AC970 V。次邊電路首先通過(guò)KM4、R1組成的充電回路對(duì)直流回路的支撐電容Cd預(yù)充電，而后閉合主接觸器KM1，經(jīng)過(guò)四象限整流器4QS1進(jìn)行整流后輸出穩(wěn)定的1 800 V的中間直流電壓，再經(jīng)過(guò)逆變器INV1將中間直流電逆變?yōu)槿郪VVF交流電驅(qū)動(dòng)異步牽引電機(jī)。在牽引工況時(shí)，四象限整流器工作在一、四象限，電流方向從變壓器流向異步牽引電機(jī)；當(dāng)機(jī)車在電制動(dòng)工況時(shí)，四象限整流器工作在二、三象限，電流方向從異步牽引電機(jī)流向變壓器，而后通過(guò)受電弓反饋到接觸網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)能源的再利用。電抗器 L1、C3～C8組成二次諧振回路，用于濾除四象限PWM整流器輸出的二次諧波電流，C8為可調(diào)節(jié)電容。RCH1為過(guò)壓斬波電阻，用于直流回路的過(guò)電壓抑制及停機(jī)后的快速放電，R4～R11為固定放電電阻，用于快速放電回路故障后將電容上的電壓放至安全電壓以下(放電時(shí)間小于 10 min)；R12、R13 為直流分壓電阻，中點(diǎn)接地，用于變流器主電路接地檢測(cè)；LH1～LH12為電流傳感器，其中 LH1～LH3用于檢測(cè)變流器輸入電流，LH4、LH5、LH7、LH8、LH10、LH11用于檢測(cè)變流器輸出電流，LH6、LH9、LH12用于檢測(cè)斬波電阻上的電流；VH1～VH3為電壓傳感器，分別用于檢測(cè)變流器直流回路半電壓和全電壓。

1.2 牽引主回路接地檢測(cè)工作原理

1.2.1 牽引主回路接地檢測(cè)原理

如圖1虛線框內(nèi)所示，接地故障檢測(cè)電路由分壓電阻R12、R13和傳動(dòng)控制單元TCU的檢測(cè)電路構(gòu)成(濾波電容器、準(zhǔn)電位絕緣的運(yùn)算放大器和一個(gè)比較電路)。其中R12、R13阻值相等，用作直流分壓電阻，其串聯(lián)中點(diǎn)接地，TCU則通過(guò)VH1電壓傳感器檢測(cè)的電壓值與VH2、VH3電壓傳感器檢測(cè)到的電壓值進(jìn)行比較，判斷牽引主回路是否接地，其原理如下：

當(dāng)電路工作正常時(shí)，VH2和VH3電壓傳感器檢測(cè)到的直流支撐電壓應(yīng)為：

UVH2=UVH3=Ud

因R12=R13，故在正常情況下，VH1電壓傳感器測(cè)得的電壓應(yīng)為：

當(dāng)VH1檢測(cè)到的實(shí)際值：

當(dāng)VH1檢測(cè)到的實(shí)際值：

1.2.2 電壓傳感器工作原理

如圖2所示，電壓傳感器的“+HT”引腳為電壓傳感器檢測(cè)正極信號(hào)輸入點(diǎn)，“-HT”引腳為電壓傳感器檢測(cè)負(fù)極信號(hào)檢測(cè)點(diǎn)，“+”引腳為電壓傳感器工作電壓正極，“-”引腳為電壓傳感器工作電壓負(fù)極，為電壓傳感器提供工作電壓?！癕”引腳為電壓傳感器輸出信號(hào)，將檢測(cè)到的電壓按2 000 V:9 V的變比進(jìn)行信號(hào)變換，并傳送到模擬輸入A板中進(jìn)行信號(hào)采集，再通過(guò)TCU進(jìn)行邏輯判斷是否接地。

圖2 電壓傳感器工作原理圖

2 牽引主回路接地故障的分析處理

2.1 牽引主回路接地故障介紹

2.1.1 牽引主回路接地的故障現(xiàn)象

機(jī)車主斷分?jǐn)?，且司機(jī)室微機(jī)顯示屏IDU上故障界面顯示：“TCU1主回路接地”(1425)或“TCU2主回路接地”(1553)故障。

2.1.2 牽引主回路接地的可能產(chǎn)生的原因

1)牽引主回路存在正線接地。

2)牽引主回路存在負(fù)線接地。

3)接地檢測(cè)電路電壓傳感器故障。

4)信號(hào)采集及處理板卡故障。

2.2 牽引主回路接地故障分析處理

牽引主回路接地故障的原因可以分為兩類：

一是牽引主回路確實(shí)存在接地，可通過(guò)測(cè)量模擬輸入A板1A(全電壓)和2B(半電壓)測(cè)試孔直流電壓來(lái)判斷是正線接地還是負(fù)線接地。并通過(guò)甩開(kāi)設(shè)備接線的方法來(lái)判斷具體接地點(diǎn)，并予以處理。

2.2.1 牽引主回路接地故障的處理流程

當(dāng)合上主斷，換向手柄選定方向后出現(xiàn)主回路接地故障，應(yīng)重點(diǎn)檢查整流側(cè)及之前電路、中間直流電路的對(duì)地絕緣情況。斷開(kāi)K1、K2、K3中的某個(gè)閘刀開(kāi)關(guān)，閉合其余2個(gè)閘刀開(kāi)關(guān)，若故障消失，則判斷為該閘刀開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的中間直流回路故障；當(dāng)3個(gè)閘刀開(kāi)關(guān)均斷開(kāi)時(shí)故障仍存在，則重點(diǎn)判斷是整流側(cè)及之前回路接地故障。

當(dāng)合上主斷，換向手柄選定方向，并將調(diào)速手柄置牽引區(qū)或制動(dòng)區(qū)后才出現(xiàn)主回路接地故障，則應(yīng)結(jié)合前面的分析，重點(diǎn)檢查逆變模塊和外部電機(jī)對(duì)地絕緣情況。

2.2.2 檢測(cè)回路故障處理流程

1)檢查接地檢測(cè)電路：檢查接地電阻R12、R13電阻是否正常，測(cè)量固定放電電阻組件端子7、8點(diǎn)阻值應(yīng)為10 K；8、9點(diǎn)阻值應(yīng)為10 K ；7、9點(diǎn)阻值應(yīng)為20 K(應(yīng)斷開(kāi)外部連線再檢測(cè))，如果阻值不正常則更換電阻再檢測(cè)。

2)檢查半電壓傳感器VH1和全電壓傳感器VH2是否正常及相關(guān)連線是否接觸良好，檢查模擬輸入A板是否正常。

3)檢查傳感器工作電源±15 V是否正常，檢查開(kāi)關(guān)電源插件，電源連線是否正常；必要時(shí)用示波器檢查是否是±15 V電源受到干擾引起電壓傳感器中間直流電壓信號(hào)輸出異常，導(dǎo)致誤報(bào)主回路接地。具體檢測(cè)線路如表1。

表1 檢測(cè)線路

2.2.3 信號(hào)處理環(huán)節(jié)故障處理流程

檢查信號(hào)處理環(huán)節(jié)：測(cè)得模擬輸入A板|-U2B|<3.24 V時(shí)，則故障點(diǎn)應(yīng)為信號(hào)處理環(huán)節(jié)，檢查模擬輸入A板、網(wǎng)側(cè)信號(hào)板、LCC板、SMC板、及控制箱，可以對(duì)換TCU1、TCU2的模擬輸入A、網(wǎng)側(cè)信號(hào)板、LCC板、SMC板及控制箱以判斷故障點(diǎn)，并作進(jìn)一步的處理。

2.3 故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析

圖3為近期發(fā)生的主回路接地故障統(tǒng)計(jì)，其中電壓傳感器故障10件，主回路存在接地點(diǎn)故障2件，主變流柜內(nèi)部故障1件。

由此可以看出，主回路接地故障大部分是由反饋信號(hào)異常導(dǎo)致。而且電壓傳感器故障導(dǎo)致主回路接地占絕大部分。所以在主回路故障的處理過(guò)程中我們可以結(jié)合本文“3.2.2 檢測(cè)回路故障處理流程”方法進(jìn)行優(yōu)先判斷。

3 牽引主回路接地故障實(shí)例分析

2017年10月30日，配屬重慶機(jī)務(wù)段的某臺(tái)HXD1C型機(jī)車在襄渝線擔(dān)當(dāng)11 403次(2 780 t-42輛-53.2長(zhǎng))貨物列車牽引任務(wù)時(shí)，途中報(bào)“TCU1主回路接地”故障，機(jī)車主斷斷開(kāi)，被迫停于麻柳-巴山區(qū)間K437+855 m處，由于停車點(diǎn)處于長(zhǎng)大坡道，切除TCU1后無(wú)法維持運(yùn)行，利用33015次機(jī)車救援，占用區(qū)間142 min，影響客車4列、貨車3列，造成D21事故，嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)輸秩序。

圖3 主回路接地故障統(tǒng)計(jì)

機(jī)車回段后，檢查發(fā)現(xiàn)當(dāng)TCU1投入運(yùn)用給牽引力時(shí)微機(jī)顯示屏報(bào)“TCU1主回路接地”故障，首先更換了TCU1電壓傳感器器、整流逆變模塊，并做了一些其他相關(guān)處理后，機(jī)車故障并未消除，再將主變流柜1吊出，對(duì)主變流柜1后部電容進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)電容不存在故障。后推斷該故障是由牽引電機(jī)引起，對(duì)TCU1的三位牽引電機(jī)進(jìn)行絕緣檢測(cè)，最終檢查出故障為M1電機(jī)接地，更換后，故障消除。

若按照本文所講述的方法首先可以判斷為存在真實(shí)接地，且由于是調(diào)速手柄在牽引區(qū)時(shí)才出現(xiàn)的故障，應(yīng)首先檢查逆變模塊和外部電機(jī)對(duì)地絕緣情況，這樣就可以快速判斷電機(jī)接地了。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)車牽引主回路的好壞直接影響著機(jī)車能否正常運(yùn)行，本文對(duì)牽引主回路的原理進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)說(shuō)明了牽引主回路接地檢測(cè)機(jī)理和控制策略，并提出了牽引主回路接地故障的判斷和處理方法，對(duì)機(jī)車主回路接地故障排查具有指導(dǎo)意義。