HXD1C型机车主电路接地保护改进分析

林 辉

(西安铁路职业技术学院，陕西 西安 710014)

HXD1C型机车主电路接地保护改进分析

林 辉

(西安铁路职业技术学院，陕西 西安 710014)

对HXD1C型电力机车主电路接地保护原理进行了分析，针对主电路接地保护设计的不足提出了改进措施，并从理论上对改进HXD1C型电力机车主电路接地保护原理进行了分析，为HXD1C型电力机车主电路接地保护的准确处理提供了明确的思路和方法。

HXD1C型电力机车；主电路；接地；改进

HXD1C型电力机车是南车株洲电力机车有限公司设计制造的7 200 kW新型大功率交流传动机车。该机车主要用于铁路牵引重载列车，具有牵引性能优越、功率大、黏着利用率高、起动加速性能好、可靠性高和节能等优点，可满足我国干线铁路运输的需求。HXD1C型电力机车自2009年运用以来，主电路接地故障偶有发生，曾出现过主回路活接地故障，机车回段后故障现象消失。由于该机车控制系统没有相关的参数分析、记录和存储，因而造成故障查找困难，对机车运用产生不利影响[1]。

本文对HXD1C型电力机车主电路进行了分析，通过改进设计来消除主电路接地故障，进而降低了机车接地故障，提高了机车运用效率。

1 主电路接地保护设计原理分析

1.1 主电路接地保护设计原理

HXD1C型电力机车主电路原理图如图1所示。阻值为10 kΩ的电阻R1和R2串联在直流回路的两端，中间点接地。正常时，电压传感器VH1检测电阻R1的电压是直流回路端电压的一半，电压传感器VH2和VH3检测的是直流回路的端电压。主电路出现接地故障时，电阻R1上的电压就会发生改变，电压传感器VH2和VH3检测的直流电路的端电压作为基准电压对电阻R1上的电压进行比较判断：当电阻R1上的电压变化超过正常值的80%时，就认为主电路接地，机车跳主断进行保护[2]。

图1 HXD1C型电力机车主电路原理图

1.2 主电路接地保护设计不足

主电路接地保护的设计存在下述不足。

1)当进行接地保护时，并没有进行相对接地范围的判断和指示，给检修人员查找故障带来困难。

2)当电阻R1和R2的中间点接地后，主回路中存在的很多干扰能量(主要为高次谐波能量)就会通过电阻R1和R2对地进行释放，这些干扰能量的释放将会在电阻R1和R2上产生干扰电压，即会造成电阻R1上的电压波动。为了避免干扰电压带来的误判，设计为当电阻R1的电压变化超过正常值的80%时，判断为主回路接地，跳主断进行保护，即干扰电压幅值在正常电压的80%内都不会造成误判，但电路中没有考虑滤除在电阻R1上干扰电压的设计。

3)主电路接地保护存在盲区，从理论上分析交流绕组的大部分接地都得不到有效保护[3]。

2 改进后的主电路接地保护分析

2.1 改进后的主电路接地保护原理

改进后的HXD1C型电力机车主电路原理图如图2所示。

图2 改进后的HXD1C型电力机车主电路原理图

主电路接地保护的原理改进主要在下述3个方面(图2中虚线框部分)。

1)硬件部分。阻值为10 kΩ的电阻R1和阻值为30 kΩ的电阻R2串联在直流回路的两端，两电阻之间的点接地。正常时，电压传感器VH1检测电阻R1的电压是直流回路端电压的1/4，电压传感器VH2和VH3检测的是直流回路的端电压。当电路中出现接地故障时，电阻R1上的电压就会发生改变，电压传感器VH2和VH3检测的直流回路的端电压作为基准电压对电阻R1上的电压进行比较判断：当电阻R1上的电压变化超过正常值的100%时，认为主电路接地，机车跳主断进行保护。

2)程序部分。通过编程对电压传感器VH1检测电阻R1电压的信号进行进一步的分析：若识别出存在50 Hz的固定频率的交流分量信号，则可判断为供电绕组部分有接地点；若识别出存在200 Hz以内的交流分量信号，但不是50 Hz固定频率，则可判断为电动机绕组部分有接地点；若识别没有200 Hz以内的交流分量信号，且电压为0，则可判断为直流回路的“+”极部分有接地点；若识别没有200 Hz以内的交流分量信号，且电压为最大端电压时，则可判断为直流回路的“-”极部分有接地点。

3)关键参数记忆存储部分。通过程序对电压传感器VH1检测电阻R1电压波形和电压传感器VH2检测的全电压波形进行跟踪和部分的记忆存储。对接地故障发生时前、后各短时间(如1 s)内的波形进行记忆存储，通过查看和分析故障发生时间的相关波形来相对精确地判断故障点。

2.2 改进后的主电路接地保护电路分析

2.2.1 改进后的供电绕组正半波电路分析

a1x1绕组供电，当a1端为“+”，x1端为“-”，并且为最大值时，四象限工作的等效电路如图3所示。图3中的D1、D2二极管为四象限的等效情况，a1x1绕组中的0点为绕组的中心点，a0.5点为中心点0到a1端点0.5倍的地方，x0.5点为中心点0到x1端点0.5倍的地方，虚线分别为具有电路特性点处的假设接地回路。

图3 改进后正半波供电绕组接地保护等效电路图

当a0.5点接地时，即假设的虚线2接通，供电绕组a0.5点到a1点的电压加到电阻R1上。由于a0.5点到a1点的电压等于1/4的a1x1端电压，也等于电阻R1上的电压，所以不会给电阻R1上的电压带来变化，即电阻R1上的电压还是维持1/4的直流回路端电压，保护电路不动作。当0点接地时，即假设的虚线1接通，可以看到供电绕组a1点到x1点的端电压加在电阻R1上了，使电阻R1上的电压从1/4端电压变成了1/2端电压，电阻R1上的电压发生了100%的变化，正好处于保护设计的临界状态。当a1点接地时，即假设的虚线3接通，可以看到供电绕组a1点到0点的端电压全部加在电阻R2上了，电阻R1上的电压从1/4端电压变成了零，电阻R1上的电压发生了100%的变化，也正好处于保护设计的临界状态。当x1点接地时，即假设的虚线5接通，可以看到供电绕组a1x1的端电压全部加在电阻R1上了，电阻R1上的电压从1/4端电压变成了全部的端电压，电阻R1上的电压发生了300%的变化，接地保护电路将保护动作。

综上所述，供电绕组a1x1中，当a1端为“+”，x1端为“-”，并且为最大值，四象限工作的情况下， a1到0段绕组接地不保护，0到x1段绕组接地起保护。

2.2.2 改进后的供电绕组负半波电路分析

a1x1绕组供电，当x1端为“+”，a1端为“-”，并且为最大值时，四象限工作的等效电路如图4所示。图4中的D3、D4二极管为四象限的等效情况，a1x1绕组中的0点为绕组的中心点，a0.5点为中心点0到a1端点0.5倍的地方，x0.5点为中心点0到x1端点0.5倍的地方，虚线分别为具有电路特性点处的假设接地回路。同理分析得出，供电绕组a1x1中，当x1端为“+”，a1端为“-”，并且为最大值，四象限工作的情况下，x1到0段绕组接地不保护，0到a1段绕组接地起保护[4]。

图4 改进后负半波供电绕组接地保护等效电路图

2.2.3 改进后的供电绕组全波电路分析

综上所述，在1个周波的电压变化内，供电绕组a1x1的接地全部能够判断和保护。进一步分析可知，供电绕组a1x1内的1点接地，造成电阻R1电压的变化，是随着供电绕组a1x1输出电压的大小和极性的变化而改变，呈现出与a1x1供电绕组输出电压相同的周期性，所以若识别出电阻R1存在50 Hz的固定频率的交流分量信号，则可相对判断为供电绕组部分有接地点。

3 结语

通过对HXD1C型电力机车主电路接地保护改进分析可知，改进后的主电路接地保护可实现可靠的、全回路的接地保护范围，相对准确的故障范围判断，以及高次干扰谐波的滤除电路，对判断和查找主电路接地故障提供了方便。主电路接地保护的改进具有可行性，硬件设备和参数记忆存储部分的改进实现相对比较容易，并且起到关键性的作用，程序改进部分的实现相对比较困难，可在研究成熟后实施。

[1] 康明明,樊运新.HXD1C型大功率交流传动电力机车概述[J].电力机车与城轨车辆,2011(3):5-8.

[2] 徐培刚,彭军华,罗铁军. HXD1C型机车主电路接地故障分析[J].机车电传动,2013(3):103-107.

[3] 龚菊芳,彭军华,任小冬. HXD1C型机车辅助电路接地故障分析及处理[J].机车电传动, 2013(4):105-106.

[4] 高首聪,刘可安,李鹏. HX_D1C型电力机车电传动系统设计及运用[J].机车电传动,2012(2):70-74.

责任编辑马彤

AnalysisofMainCircuitGroundingFaultProtectionImprovementsofHXD1CLocomotive

LIN Hui

(Xi′an Railway Vocational & Technical Institute, Xi′an 710014, China)

HXD1C electric locomotive circuit ground protection principle was analyzed, the main circuit ground protection against inadequate design recommendations for improvement was presented, and improvement of HXD1C electric locomotive circuit grounding protection was theoretically analyzed, it provided ideas and methods for the accurate processing of explicit type HXD1C electric locomotive main circuit grounding protection.

HXD1C electric locomotive, main circuit, grounding, improvement

U 269.6

：B

林辉(1975-)，男，副教授，主要从事控制理论与控制工程等方面的研究。

2014-09-18