電力機(jī)車網(wǎng)壓波動(dòng)故障的原因分析及應(yīng)對(duì)措施

周占松

(國(guó)能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司機(jī)輛分公司，河北 肅寧 062350)

0 引言

隨著我國(guó)軌道交通行業(yè)的迅猛發(fā)展，軌道列車對(duì)電氣化鐵路接觸網(wǎng)網(wǎng)壓的平穩(wěn)提出了更高的要求。電力機(jī)車受電弓直接從接觸網(wǎng)受流，接觸網(wǎng)網(wǎng)壓過高或過低都會(huì)限制電力機(jī)車功率輸出，造成列車失速甚至停車，最終對(duì)行車秩序造成不利影響[1]。近年來，朔黃鐵路某型電力機(jī)車因網(wǎng)壓異常波動(dòng)致使機(jī)車卸載事件頻繁發(fā)生，本文充分考慮朔黃鐵路的線路環(huán)境以及故障機(jī)車的實(shí)際運(yùn)行條件，分析機(jī)車監(jiān)測(cè)到網(wǎng)壓異常波動(dòng)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(wǎng)壓監(jiān)測(cè)情況分析

網(wǎng)壓波動(dòng)現(xiàn)象集中發(fā)生在黃大線以及朔黃鐵路“小覺—古月”區(qū)段，本文選取典型的網(wǎng)壓波動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(見圖1)。在19：52′46″～19：56′10″，機(jī)車數(shù)據(jù)記錄網(wǎng)壓值在29～31 kV頻繁波動(dòng)，最高值為31.233 kV，導(dǎo)致機(jī)車出現(xiàn)卸載的情況。

圖1 網(wǎng)壓記錄數(shù)據(jù)

1.2 線路環(huán)境與機(jī)車條件分析

對(duì)于黃大鐵路，網(wǎng)壓波動(dòng)故障發(fā)生在個(gè)別電力機(jī)車上，且故障車輛均裝載某同型號(hào)高壓絕緣檢測(cè)箱，而同一供電臂下運(yùn)行的其他機(jī)車電壓穩(wěn)定，由此可初步推測(cè)：機(jī)車限功率運(yùn)行的原因?yàn)楦邏航^緣檢測(cè)箱硬件電路引起的網(wǎng)壓檢測(cè)失真。

對(duì)于朔黃鐵路“小覺—古月”區(qū)段，該區(qū)段為11.5‰下坡道。網(wǎng)壓波動(dòng)現(xiàn)象多發(fā)于電制動(dòng)期間，每次持續(xù)時(shí)間在數(shù)分鐘內(nèi)，同時(shí)故障所涉及的車輛較多，并非集中發(fā)生于個(gè)別機(jī)車上，但均為2018年之后TCU機(jī)箱升級(jí)后的新造機(jī)車，由此可初步推測(cè)：機(jī)車限功率運(yùn)行的原因?yàn)門CU機(jī)箱升級(jí)或“小覺—古月”區(qū)段機(jī)車使用再生制動(dòng)造成的。

1.3 網(wǎng)壓波動(dòng)原因分析

1.3.1 黃大鐵路網(wǎng)壓波動(dòng)原因分析

由上述分析可知，黃大鐵路的某電力機(jī)車限功率可能是由高壓絕緣檢測(cè)的硬件電路引發(fā)的，因此本節(jié)對(duì)高壓絕緣檢測(cè)原理進(jìn)行詳細(xì)分析。

高壓絕緣檢測(cè)關(guān)系到機(jī)車車頂高壓設(shè)備的絕緣問題，對(duì)機(jī)車的運(yùn)用安全至關(guān)重要。該系統(tǒng)是閉環(huán)開關(guān)電源檢測(cè)技術(shù)和直流逆變交流技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，通過逆變器將機(jī)車蓄電池的DC110 V直流電轉(zhuǎn)化成正弦交流電，從而使高壓電壓互感器的一次側(cè)感應(yīng)25 kV高壓電，模擬接觸網(wǎng)在線電壓，但模擬出的電功率小于接觸網(wǎng)上的電功率。當(dāng)車頂高壓電氣設(shè)備絕緣性能下降時(shí)，高壓電壓互感器一次側(cè)等效阻抗就會(huì)下降，當(dāng)下降到一定程度時(shí)，由于高壓絕緣檢測(cè)裝置加載在車頂高壓電氣設(shè)備上的電流被限定在一定范圍后相關(guān)電壓會(huì)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(shè)備的絕緣狀態(tài)，高壓絕緣檢測(cè)原理簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 高壓絕緣檢測(cè)原理簡(jiǎn)圖

從原理圖可知，高壓絕緣檢測(cè)箱輸出JY+信號(hào)通過繼電器K1進(jìn)行接通與切除，當(dāng)高壓絕緣檢測(cè)箱不工作時(shí)，通過斷開繼電器K1，實(shí)現(xiàn)高壓絕緣檢測(cè)箱信號(hào)的斷開；當(dāng)高壓絕緣檢測(cè)箱工作時(shí)，繼電器K1接通，由高壓絕緣檢測(cè)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 kV的高壓進(jìn)行車頂絕緣檢測(cè)[2]。

由于繼電器位置設(shè)置不合理，位于高壓絕緣檢測(cè)箱主控板與濾波電容之間，導(dǎo)致高壓絕緣檢測(cè)箱與外部電路未實(shí)現(xiàn)完全隔離，導(dǎo)致高壓絕緣箱與外部電路未實(shí)現(xiàn)完全隔離，此時(shí)網(wǎng)壓監(jiān)測(cè)電路可簡(jiǎn)化為圖3所示LCR電路，高壓互感器簡(jiǎn)化為一個(gè)電感[3]。當(dāng)外界輸入電壓頻率與該電路諧振頻率一致時(shí)，該電路會(huì)發(fā)生諧振，從而導(dǎo)致TCU網(wǎng)壓檢測(cè)失真。

圖3 高壓互感器簡(jiǎn)化電路

黃大鐵路作為新開通線路，可能存在電壓不穩(wěn)、諧波較多的情況，網(wǎng)壓中某次諧波頻率正好與電力機(jī)車高壓互感器網(wǎng)壓監(jiān)測(cè)電路諧振頻率匹配，造成電壓持續(xù)諧振現(xiàn)象。

1.3.2 朔黃鐵路“小覺—古月”區(qū)段網(wǎng)壓波動(dòng)原因分析

由上可知，“小覺—古月”區(qū)段網(wǎng)壓波動(dòng)現(xiàn)象疑似與進(jìn)入該區(qū)域再生制動(dòng)力加大以及2018年后新造機(jī)車TCU機(jī)箱升級(jí)有關(guān)，因此本節(jié)著重從再生制動(dòng)及TCU網(wǎng)壓檢測(cè)兩方面進(jìn)行分析。

由文獻(xiàn)[4]可知，相同條件下再生制動(dòng)工況下高次諧波電流含量遠(yuǎn)大于牽引工況，由此可知機(jī)車再生制動(dòng)過程可能會(huì)造成車網(wǎng)諧振現(xiàn)象。由文獻(xiàn)[5]可知，機(jī)車在再生制動(dòng)工況下，其諧波含有率幅值大小隨再生制動(dòng)功率增大而減小，網(wǎng)側(cè)電流諧波畸變率隨再生制動(dòng)功率的增加而下降，諧波次數(shù)和頻率無關(guān)，即機(jī)車再生制動(dòng)力越大，造成的諧波問題越小，且朔黃鐵路西線為延續(xù)百公里的長(zhǎng)大下坡道，重線方向最大坡道為12‰，而問題集中發(fā)生于“小覺—古月”區(qū)段。由此分析，再生制動(dòng)力不是造成該區(qū)段網(wǎng)壓波動(dòng)現(xiàn)象的決定性因素。

機(jī)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(wǎng)壓信號(hào)通過限流電阻限流后傳入主變流柜 ，經(jīng)過同步控制變壓器將AC150 V信號(hào)按150:10的變比輸出到同步控制變壓器次邊，進(jìn)而送入TCU機(jī)箱LSC、LCC、MCC、SMC板卡進(jìn)行網(wǎng)壓采集、信號(hào)濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換，控制整流側(cè)LCC脈沖開斷。網(wǎng)壓檢測(cè)信號(hào)流程圖和各板卡的作用如圖4所示。

圖4 網(wǎng)壓檢測(cè)信號(hào)處理流程圖

LCC板是對(duì)網(wǎng)壓信號(hào)進(jìn)行計(jì)算控制，計(jì)算網(wǎng)壓有效值、瞬時(shí)值。 而通過調(diào)研，2018年4月及以后的新造機(jī)車，LCC插件在器件和芯片上均進(jìn)行升級(jí)，浮點(diǎn)運(yùn)算能力提升了約20%，整體運(yùn)算精度及性能均較原有TCU提升5倍以上，在此基礎(chǔ)上實(shí)施網(wǎng)側(cè)抑制軟件優(yōu)化后的THD可同比降低30%，對(duì)于網(wǎng)壓的判斷較老車更為靈敏。

由此可見，機(jī)車TCU機(jī)箱的LCC插件參數(shù)改變或“小覺—古月”區(qū)段使用再生制動(dòng)時(shí)可能發(fā)生車網(wǎng)諧振現(xiàn)象，使得列車端電壓幅值明顯升高，影響機(jī)車功率發(fā)揮。

2 消除網(wǎng)壓波動(dòng)的優(yōu)化建議

2.1 黃大鐵路網(wǎng)壓波動(dòng)優(yōu)化建議

對(duì)于黃大鐵路出現(xiàn)的高壓絕緣檢測(cè)箱造成網(wǎng)壓波動(dòng)問題，以此建議對(duì)高壓絕緣檢測(cè)箱內(nèi)部電路進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。將高壓絕緣檢測(cè)箱內(nèi)部K1繼電器位置更改到濾波電容后，且增加K2繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)箱在不工作時(shí)與外電路完全隔離。

圖5 建議改造后高壓絕緣檢測(cè)箱原理簡(jiǎn)圖

2.2 朔黃鐵路網(wǎng)壓波動(dòng)優(yōu)化建議

對(duì)朔黃鐵路“小覺—古月”區(qū)段網(wǎng)壓波動(dòng)現(xiàn)象，提出以下建議。

1)監(jiān)測(cè)機(jī)車弓網(wǎng)受流情況?？紤]在曾經(jīng)發(fā)生過網(wǎng)壓波動(dòng)的機(jī)車上安裝機(jī)車網(wǎng)側(cè)受流檢測(cè)裝置，實(shí)時(shí)收集、記錄機(jī)車原邊回路及高壓電壓互感器副邊繞組電壓狀態(tài)值，分析受流情況，為故障原因查找提供線索。

2)優(yōu)化機(jī)車控制軟件?？紤]在TCU軟件中增加網(wǎng)壓異常情況下的實(shí)時(shí)故障記錄觸發(fā)功能，記錄網(wǎng)壓波動(dòng)時(shí)期的實(shí)時(shí)故障波形，獲取異常情況下的網(wǎng)壓特征，然后根據(jù)波形特征進(jìn)行控制軟件優(yōu)化，通過調(diào)整控制策略來改變機(jī)車諧波特性，避開車網(wǎng)諧振頻率。

3)地面諧波治理。在優(yōu)化機(jī)車軟件不能達(dá)到目的的情況下，考慮加裝地面諧波治理設(shè)備，消除網(wǎng)壓中的諧振頻率。

3 結(jié)語

本文以朔黃鐵路某型交流傳動(dòng)重載電力機(jī)車出現(xiàn)的多起網(wǎng)壓波動(dòng)現(xiàn)象為背景，討論了可能造成電力機(jī)車網(wǎng)壓波動(dòng)的原因，提出了解決思路和建議，目前優(yōu)化改進(jìn)后的高壓絕緣檢測(cè)裝置有效解決了黃大鐵路偶發(fā)網(wǎng)壓波動(dòng)問題，給類似問題的處理提供了參考，同時(shí)也為后續(xù)工作開展提供了幫助。