電力機(jī)車牽引變流器接地檢測(cè)電路優(yōu)化

姜宋陽，任寶珠，周鵬，李韻楠

(中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司，遼寧 大連 116200)

隨著國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，我國鐵路行業(yè)迎來了發(fā)展的契機(jī)[1]，電力機(jī)車逐步成為鐵路運(yùn)輸?shù)闹髁囆汀Ｅc此同時(shí)，電力機(jī)車也在不斷的地升級(jí)優(yōu)化，其結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，功能越來越強(qiáng)大[2?3]。鐵路行業(yè)的特點(diǎn)也對(duì)電力機(jī)車的安全性、穩(wěn)定性和可靠性提出了更高的要求[4?5]。為了保證電力機(jī)車牽引變流器的工作安全性和穩(wěn)定性，保證司乘人員的作業(yè)安全，通常會(huì)在電力機(jī)車牽引變流器中設(shè)置接地檢測(cè)回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力機(jī)車牽引變流器接地狀態(tài)的有效判斷[6?10]。在變壓器次邊同名端接地工況下，曾出現(xiàn)主斷閉合后未及時(shí)閉合預(yù)充電接觸器的誤操作，使得變壓器次邊給直流母線中間回路異常充電。此時(shí)，牽引變流器并沒有開始工作，而主回路中已經(jīng)存在高壓電，影響了牽引變流器的正常工作，并且存在嚴(yán)重的安全隱患。目前，有關(guān)電力機(jī)車接地檢測(cè)的分析的多為TCU發(fā)脈沖時(shí)的常見接地故障[11?13]，發(fā)脈沖前的接地故障情況復(fù)雜，尚未有文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行深入研究。本文通過對(duì)TCU發(fā)脈沖前的接地故障進(jìn)行電路原理分析，發(fā)現(xiàn)異常充電的原因，并針對(duì)異常充電問題提出了一種接地檢測(cè)電路的優(yōu)化方法。經(jīng)過半實(shí)物仿真驗(yàn)證，優(yōu)化電路能避免在該情況下的異常充電，有效地提高了電力機(jī)車的安全性，且該方法安全可靠易于實(shí)現(xiàn)。

1 牽引變流器接地故障

1.1 牽引變流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文基于某動(dòng)車組車型的簡(jiǎn)化拓?fù)溥M(jìn)行異常充電原理分析及接地檢測(cè)回路優(yōu)化。該牽引變流器主電路的簡(jiǎn)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括牽引變壓器二次側(cè)、充電回路、四象限整流器、接地檢測(cè)回路、中間直流回路、牽引逆變器和牽引電機(jī)。交流電經(jīng)牽引變壓器二次側(cè)輸入到牽引變流器，經(jīng)四象限整流輸出直流電，經(jīng)中間直流回路后，經(jīng)牽引逆變器輸出頻率和幅值均可變的三相交流電，用于驅(qū)動(dòng)異步牽引電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電力機(jī)車的走行控制。

圖1 某動(dòng)車組牽引變流器主電路簡(jiǎn)化拓?fù)鋱DFig.1 FAD signals of axle identification

1.2 牽引變流器接地故障分類

牽引變流器接地故障可以分為牽引變壓器二次側(cè)同名端接地、牽引變壓器二次側(cè)異名端接地、中間直流回路正端接地、中間直流回路負(fù)端接地和牽引逆變器輸出接地，如圖2和表1所示。

表1 牽引變流器接地故障分類Table 1 Traction converter ground fault classification

圖2 牽引變流器接地故障點(diǎn)Fig.2 Traction converter ground fault points

1.3 牽引變流器接地檢測(cè)原理

該牽引變流器的接地檢測(cè)回路如圖1所示，由2個(gè)電阻、1個(gè)電容和1個(gè)電壓傳感器組成。其中：電阻R1和R2串聯(lián)，兩端分別連接到中間直流回路的兩端，R1和R2的中點(diǎn)引出接地點(diǎn)；電容并聯(lián)在電阻R2兩端，抑制共模電壓[14]；電壓傳感器并聯(lián)在電阻R1兩端，采集的電壓用于牽引變流器接地狀態(tài)的判斷。

接地檢測(cè)回路依據(jù)接地電阻阻值分為2種方式：等分式接地方式(即電阻R1=R2)和偏置式接地方式(即電阻R1≠R2)。其接地檢測(cè)原理一致，未發(fā)生接地故障時(shí)，接地電壓Uground見式(1)：

當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，接地裝置的接地點(diǎn)與故障接地點(diǎn)形成回路，導(dǎo)致牽引變流器電路拓?fù)涓淖?，使接地電壓產(chǎn)生變化。TCU對(duì)接地電壓Uground進(jìn)行檢測(cè)，通過接地電壓的變化情況可以實(shí)現(xiàn)對(duì)接地故障的判斷。

2 接地檢測(cè)優(yōu)化電路

2.1 異常充電原因分析

在變壓器次邊同名端接地工況下，曾出現(xiàn)主斷閉合后未及時(shí)閉合預(yù)充電接觸器的誤操作，使變壓器次邊給中間回路異常充電。在此,對(duì)現(xiàn)有接地電路在該工況下進(jìn)行電路原理分析，分析異常充電的原因。

未閉合接觸器時(shí)的等效電路拓?fù)淙鐖D3所示，其中黑線代表實(shí)際使用部分，灰線代表未使用部分。由于TCU未發(fā)脈沖，T1，T2，T3和T4管均處于關(guān)斷狀態(tài)；由于接觸器斷開，D1和D2管均處于關(guān)斷狀態(tài)。

圖3 未閉合接觸器時(shí)的等效電路拓?fù)銯ig.3 Equivalent circuit topology when the contactor is not closed

1)初始時(shí)刻

初始時(shí)刻，接地檢測(cè)回路中的D點(diǎn)、E點(diǎn)和C點(diǎn)電位均為0，接地電壓Uground為0。

2)當(dāng)D3管開通時(shí)

當(dāng)is1＜0或VB＞VD時(shí)，D3管開通。此時(shí)，D點(diǎn)和E點(diǎn)電位見式(2)和式(3)：

①當(dāng)VE≤0時(shí)

牽引變流器的電流流向如圖4所示。箭頭①為規(guī)定的正方向；箭頭②為接地回路電流流向；箭頭③為中間電容放電回路1的電流流向；箭頭④為中間電容放電回路2的電流流向。

圖4 牽引變流器的電流流向Fig.4 Traction converter current flow

如圖4所示，當(dāng)變壓器二次側(cè)電壓us1變化時(shí)，B點(diǎn)電位發(fā)生變化，當(dāng)VB＞VD時(shí)，D3管開通。A點(diǎn)與C點(diǎn)同時(shí)接地，D3管開通，原牽引變流器拓?fù)涓淖?，A-B-G-D-C之間形成回路，即圖4中箭頭②形成的回路。忽略D3管的導(dǎo)通壓降時(shí)，則VD=VB，從而D點(diǎn)與E點(diǎn)間形成電位差。根據(jù)各點(diǎn)電位差，形成中間電容放電回路1，即圖4中箭頭③形成的回路；形成中間電容放電回路2，即圖4中箭頭④形成的回路。由于直流母線電壓明顯低于二次側(cè)電壓us1，中間電容放電回路1和放電回路2產(chǎn)生的放電電流較小，使直流母線產(chǎn)生微弱的放電現(xiàn)象。此時(shí)，接地電壓Uground見式(4)，直流母線充電情況見式(5)和式(6)：

②當(dāng)VE＞0時(shí)

牽引變流器的電流流向如圖5所示。箭頭①為規(guī)定的正方向；箭頭②為接地回路電流流向；箭頭③為中間電容充電回路的電流流向；箭頭④為中間電容放電回路的電流流向。

如圖5所示，與VE≤0時(shí)原理相似，A-B-G-DC點(diǎn)間形成回路，即圖5中箭頭②形成的回路。根據(jù)各點(diǎn)電位差，形成中間電容充電回路，即圖5中箭頭③形成的回路；形成中間電容放電回路，即圖5中箭頭④形成的回路。箭頭④形成的中間電容放電回路由直流母線和二次濾波電路構(gòu)成，其放電效果要小于充電回路對(duì)直流母線的影響，所以電流對(duì)直流母線產(chǎn)生充電效果。此時(shí)，接地電壓Uground見式(7)，直流母線充電情況見式(8)和式(9)：

圖5 牽引變流器的電流流向Fig.5 Traction converter current flow

3)當(dāng)D4管開通時(shí)

當(dāng)is1＞0或VE＞VB時(shí)，D4管開通。此時(shí)E點(diǎn)和D點(diǎn)電位見式(10)和式(11)：

①當(dāng)VD≤0時(shí)

牽引變流器的電流流向如圖6所示。箭頭①為規(guī)定的正方向；箭頭②為接地回路電流流向；箭頭③為中間電容充電回路的電流流向；箭頭④為中間電容放電回路的電流流向。

圖6 牽引變流器的電流流向Fig.6 Traction converter current flow

如圖6所示，與D3管開通時(shí)原理相似，A-C-EB點(diǎn)之間形成回路，即圖6中箭頭②形成的回路。根據(jù)各點(diǎn)電位差，形成中間電容充電回路，即圖6中箭頭③形成的回路；形成中間電容放電回路，即圖6中箭頭④形成的回路。與D3管開通時(shí)原理相似，放電回路對(duì)中間電壓的影響小于充電回路的影響，電流對(duì)直流母線產(chǎn)生充電效果。此時(shí)，接地電壓Uground見式(12)，直流母線充電情況見式(13)和式(14)：

②當(dāng)VD＞0時(shí)

牽引變流器的電流流向如圖7所示。箭頭①為規(guī)定的正方向；箭頭②為接地回路電流流向；箭頭③為中間電容放電回路1的電流流向；箭頭④為中間電容放電回路2的電流流向。

如圖7所示，與D3管開通時(shí)原理相似，A-C-EB點(diǎn)之間形成回路，即圖7中箭頭②形成的回路。根據(jù)各點(diǎn)電位差，形成中間電容放電回路1，即圖7中箭頭③形成的回路；形成中間電容放電回路2，即圖7中箭頭④形成的回路。與D3管開通時(shí)原理相似，直流母線產(chǎn)生微弱的放電現(xiàn)象。此時(shí)，接地電壓Uground見式(15)，直流母線充電情況見式(16)和式(17)：

圖7 牽引變流器的電流流向Fig.7 Traction converter current flow

綜上，在變壓器二次側(cè)同名端接地工況下，主電路拓?fù)涓淖?，使變壓器二次?cè)對(duì)直流母線進(jìn)行異常充電。

2.2 接地檢測(cè)回路優(yōu)化

由2.1節(jié)可知，由于A點(diǎn)與C點(diǎn)同時(shí)接地，變壓器二次側(cè)與接地電阻R1和R2構(gòu)成了回路，使得D3和D4管開通，使D點(diǎn)和E點(diǎn)的電位改變，引發(fā)變壓器二次側(cè)經(jīng)過接地檢測(cè)回路向中間直流回路異常充電。

對(duì)此，本文提出一種優(yōu)化的接地電路，在C點(diǎn)增設(shè)接地接觸器GC，如圖8所示。在充電接觸器和主接觸器均斷開的情況下，接地接觸器GC保持?jǐn)嚅_狀態(tài)；當(dāng)充電接觸器或主接觸器有閉合時(shí)，由TCU控制接地接觸器GC閉合。

圖8 接地回路的優(yōu)化電路等效拓?fù)銯ig.8 Optimized circuit equivalent topography of the ground loop

當(dāng)接觸器均斷開時(shí)，接地接觸器GC斷開，使變壓器二次側(cè)與接地電阻R1和R2不能形成回路，從而避免異常充電；當(dāng)有接觸器閉合時(shí)，接地接觸器GC也閉合，此時(shí)的優(yōu)化電路與原接地回路等效。以文獻(xiàn)[15]中的接地檢測(cè)控制算法為例，無需更改即可實(shí)現(xiàn)對(duì)接地故障的檢測(cè)。

3 半實(shí)物仿真驗(yàn)證

本文采用基于dSPACE的硬件在環(huán)(HIL)半實(shí)物仿真方法進(jìn)行驗(yàn)證。搭建某動(dòng)車組原牽引變流器模型(采用原接地檢測(cè)回路模型)和優(yōu)化牽引變流器模型(采用接地檢測(cè)優(yōu)化回路模型)，采用該動(dòng)車組原接地檢測(cè)控制算法，基于變壓器次邊同名端接地工況，進(jìn)行半實(shí)物仿真對(duì)比驗(yàn)證。

基于原接地檢測(cè)回路的中間電壓如圖9所示。主斷閉合后，在a時(shí)刻閉合預(yù)充電接觸器，在b時(shí)刻TCU檢測(cè)出接地故障，并進(jìn)行保護(hù)。由圖9可以看出，至a時(shí)刻，直流母線異常充電至374 V。

圖9 原電路中間電壓波形Fig.9 Original circuit intermediate voltage waveform

基于接地優(yōu)化電路的中間電壓如圖10所示。主斷閉合后，在c時(shí)刻閉合預(yù)充電接觸器，在d時(shí)刻TCU檢測(cè)出接地故障，并進(jìn)行保護(hù)。由圖10可以看出，至c時(shí)刻，直流母線未發(fā)生異常充電；在c時(shí)刻，閉合預(yù)充電接觸器的同時(shí)閉合接地接觸器GC，使得接地檢測(cè)優(yōu)化回路等效于原接地檢測(cè)回路；在d時(shí)刻，通過該動(dòng)車組原接地檢測(cè)控制算法檢測(cè)出接地故障，進(jìn)行保護(hù)。

圖10 優(yōu)化電路中間電壓波形Fig.10 Optimized circuit intermediate voltage waveform

接地優(yōu)化回路能有效地解決在變壓器二次側(cè)同名端接地工況下，在主斷閉合且接觸器未閉合時(shí)直流母線異常充電的問題。無需更改TCU，現(xiàn)有接地檢測(cè)程序就可對(duì)優(yōu)化回路進(jìn)行接地檢測(cè)并保護(hù)。

4 結(jié)論

1)通過深入分析該工況下的接地原理，發(fā)現(xiàn)異常充電的原因并提出一種接地檢測(cè)回路的優(yōu)化方案。

3)通過dSPACE半實(shí)物仿真進(jìn)行原電路與接地優(yōu)化電路的對(duì)比驗(yàn)證，該接地檢測(cè)優(yōu)化電路能夠有效地解決異常充電問題，且使用該接地檢測(cè)優(yōu)化電路，TCU的接地檢測(cè)算法無需更改。

4)接地檢測(cè)優(yōu)化電路簡(jiǎn)單易行，使用可靠，解決了現(xiàn)有電力機(jī)車的安全隱患，提高了電力機(jī)車的安全性和可靠性，具有極高的實(shí)用價(jià)值。