HXD1電力機車網(wǎng)壓檢測失真故障分析

涂 旭， 陳 力， 彭 赟， 練賢常

(1 資陽中車電力機車有限公司 技術處， 四川資陽 641300；2 中國鐵路成都局集團有限公司 成都機務段技術科， 四川成都 610000；3 中車株洲電力機車研究所有限公司， 湖南株洲 412000)

裝有某廠家高壓絕緣箱的HXD1型機車在襄渝下行線麻柳至巴山區(qū)間多次發(fā)生因網(wǎng)壓異常而引發(fā)停車的故障，尤其在同一供電臂下運行多趟列車網(wǎng)壓波動更為明顯。查看故障機車事件記錄模塊ERM記錄，發(fā)現(xiàn)故障期間，網(wǎng)壓波形有毛刺現(xiàn)象，見圖1，且兩架TCU檢測網(wǎng)壓值存在較大差異，檢測值偏低的TCU整流側LCC及逆變側MCC脈沖封鎖，進而導致牽引力下降。

圖1 故障時期網(wǎng)壓波形圖

1 機車主回路及網(wǎng)壓檢測回路簡介

HXD1型機車主回路及網(wǎng)壓檢測回路的原理圖如圖2所示。

1.1 機車主回路

HXD1型機車通過受電弓從接觸網(wǎng)引電到車頂母線，流經(jīng)主斷路器(閉合)、25 kV電纜總成，進入到主變壓器原邊，并經(jīng)軸端接地裝置到鋼軌回流。非升弓節(jié)車原邊回路是將主斷路器輸出端經(jīng)過高壓隔離開關和高壓連接器連接到升弓節(jié)車，并通過25 kV電纜總成輸入到主變壓器原邊。

在牽引工況下，主變壓器次邊輸出AC 970 V進入主變流柜，通過主變流柜內整流模塊整流為直流電，再經(jīng)過逆變模塊將中間直流環(huán)節(jié)的直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟?，供牽引電機工作。

1.2 機車網(wǎng)壓檢測回路

HXD1型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1a-1n和2a-2n次邊，其中1a-1n次邊繞組供TCU網(wǎng)壓檢測，2a-2n次邊繞組連接網(wǎng)壓表、電度表和6A系統(tǒng)高壓絕緣檢測裝置。

1a-1n次邊繞組將150 V單相交流網(wǎng)壓信號通過低壓柜=21-A01-R01限流電阻限流后傳入主變流柜，經(jīng)過同步控制變壓器將AC 150 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(wǎng)壓采集、信號濾波和模數(shù)轉換，控制整流側LCC脈沖開斷。

網(wǎng)壓檢測信號流程圖和各板卡的作用如圖3所示。

圖2 HXD1型機車主電路及網(wǎng)壓檢測原理簡圖

圖3 網(wǎng)壓檢測信號處理流程圖

1.3 機車網(wǎng)壓檢測計算原理及保護措施

LCC 板對網(wǎng)壓信號進行計算控制，計算網(wǎng)壓有效值、瞬時值，同時進行四象限模塊的控制；其中網(wǎng)壓有效值計算方法為每個計算周期選取當前時刻至此時刻之前100 ms的時間段的網(wǎng)壓瞬時值數(shù)據(jù)，根據(jù)有效值定義，將各個數(shù)據(jù)進行平方取和，然后開方得到網(wǎng)壓有效值。計算理論公式見式(1)

(1)

當TCU檢測到網(wǎng)壓有效值低于17 000 V，并持續(xù)2 s，則判斷為網(wǎng)壓低故障(有效值)；檢測到網(wǎng)壓瞬時有效值低于15 000 V，則判斷為網(wǎng)壓低故障(瞬時值)。無論是有效值網(wǎng)壓低故障，還是瞬時值網(wǎng)壓低故障，均會封鎖主變流器所有模塊脈沖，只有當網(wǎng)壓瞬時有效值高于17 500 V，故障自復位。

2 故障查找過程及階段結論

2.1 初步測試

選擇兩臺不同批次HXD1型機車，分別在高壓互感器1a-1n接線柱、同步變壓器輸出端采集網(wǎng)壓信號，在25 kV電纜總成中間通過鉗形電流表采集原邊電流信號輸入到波形記錄儀，并且在松樹坡變電所同步測試網(wǎng)壓和網(wǎng)流。

故障批次機車在麻柳-巴山區(qū)間運行時，單臺機車網(wǎng)壓畸變率THD在30%以上，而變電所網(wǎng)壓畸變率在20%以下；若同一供電臂下存在有2臺機車運行，網(wǎng)壓畸變率高達80%以上，最大值約103%，而變電所網(wǎng)壓畸變率在30%左右；電流諧波水平與變電所一致，在5%以下；某一次兩臺HXD1型機車在同一供電臂下采集網(wǎng)壓、網(wǎng)流波形如圖4所示。

非故障批次機車在麻柳-巴山區(qū)間運行時，單臺機車網(wǎng)壓畸變率THD在20%以下，若同一供電臂下存在2臺機車運行，網(wǎng)壓畸變率30%左右，與變電所測試饋線網(wǎng)壓和網(wǎng)流數(shù)據(jù)一致。

2.2 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)分析

分析某起機破故障數(shù)據(jù)，故障機車因網(wǎng)壓波動停車后，四象限整流模塊LCC2脈沖封鎖，在同一供電臂下另一臺機車開通LCC2時，故障機車的網(wǎng)壓出現(xiàn)振蕩情況，見圖5～圖6。

通過第2階段試驗和故障數(shù)據(jù)分析，可以看出：

(1)故障批次機車網(wǎng)壓畸變率遠高于非故障機車和變電所測試數(shù)據(jù)，但諧波電流水平接近；

(2)處于同一供電臂下兩臺機車同一時刻檢測到網(wǎng)壓波形不一致。

基于上述兩點原因，判斷故障批次機車檢測網(wǎng)壓失真可能性較大，原邊回路和主回路導致諧波產(chǎn)生可能性較小，在第3階段交換網(wǎng)壓檢測設備和布線繼續(xù)試驗。

2.3 交換高壓互感器、重新布置網(wǎng)壓檢測信號線試驗

將兩臺試驗機車高壓互感器進行對換，并重新布置高壓互感器-主變流柜網(wǎng)壓檢測信號線進行試驗，試驗結果仍未發(fā)生轉移，故障批次機車網(wǎng)壓畸變率仍遠高于非故障批次機車。排除高壓互感器及高壓互感器至主變流柜TCU硬線的影響。

圖5 故障機車機破時期網(wǎng)壓波形記錄

圖6 同一供電臂其他機車網(wǎng)壓波形記錄

2.4 判別回路異常情況

在高壓互感器1a-1n、2a-2n次邊與開關盒之間分別接入一個斷路器，可實現(xiàn)1a-1n、2a-2n回路的單獨切除。在運行過程中，斷開2a-2n回路，故障批次機車網(wǎng)壓畸變率由40%以上瞬時下降到17%，由此判斷為該回路異常；查閱原理圖，2a-2n回路連接有電度表、高壓絕緣檢測箱和網(wǎng)壓表，查閱非故障批次且發(fā)生過網(wǎng)壓波動的機車，均有更換6 A高壓絕緣檢測箱記錄，且更換前從未發(fā)生網(wǎng)壓波動，由此重點懷疑是2a-2n回路中6 A高壓絕緣檢測箱引起網(wǎng)壓波動。

2.5 交換6 A高壓絕緣檢測箱試驗

將兩臺試驗機車交換6 A高壓絕緣檢測箱后進行網(wǎng)壓采集試驗，試驗結果發(fā)生轉移，原網(wǎng)壓畸變率較低的試驗機車在麻柳-巴山區(qū)間網(wǎng)壓畸變率上升到60%以上，甩開6 A高壓絕緣檢測箱后，網(wǎng)壓畸變率瞬時下降到17%左右，再次恢復6 A高壓絕緣檢測箱，網(wǎng)壓畸變率瞬時恢復到60%以上，由此確定是6 A高壓絕緣檢測箱內部元器件差異導致TCU網(wǎng)壓檢測失真。

3 故障原因分析

高壓絕緣檢測箱輸出JY+信號通過K1繼電器進行切除，當高壓絕緣檢測箱不工作時，通過斷開繼電器K1，實現(xiàn)高壓絕緣檢測箱JY+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(chǎn)生25 000 V的高壓進行車頂絕緣檢測。

由于繼電器設計位置不合理，位于高壓絕緣檢測箱主控板與電容濾波電路中間，導致高壓絕緣檢測箱與外部電路未實現(xiàn)完全隔離，C69、C71、C101電容參數(shù)引起高壓互感器次邊諧振，從而導致TCU網(wǎng)壓檢測失真。

圖7 高壓絕緣檢測箱原理簡圖

選取3臺HXD1型機車在高壓絕緣檢測箱輸出端處對整個回路的等效電感和等效電容進行測量，其結果如下：

等效電感L=17.60～18.92 mH，等效電容C=138.15～142.58 nF;

諧振頻率f0=3 064.29～3 227.66 Hz,與測試情況接近。

在拔出高壓絕緣檢測箱后，測得：

等效電感L=17.60～18.92 mH，等效電容C≈8.155 7 nF;

諧振頻率f0=12 812.35～13 284.13 Hz，可有效避開接觸網(wǎng)的固有頻率；

因此，建議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(xiàn)JY-的隔離，如圖8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8 建議改造后高壓絕緣檢測箱原理簡圖

4 結束語

通過故障記錄分析、部件互倒、跟車試驗采集網(wǎng)壓信號、理論計算，最終確定由于高壓絕緣檢測箱與網(wǎng)壓檢測回路構成參數(shù)匹配導致機車網(wǎng)壓檢測回路諧振，TCU檢測網(wǎng)壓失真，引起牽引保護封鎖脈沖，提出高壓絕緣檢測箱內部電路改造建議，避開諧振點，可有效解決網(wǎng)壓檢測失真問題。