一种动车组牵引变流器接地故障检测策略

周江伟，梁大伟，张春磊

（中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东青岛266109）

目前，动车组列车已经成为我国高速铁路、快速铁路、城际铁路主力客运列车，在保障国民经济快速发展、促进社会进步和可持续发展方面发挥了巨大作用。牵引系统作为动车组列车“心脏”，主要负责将接触网上的电能转换为列车的动能，为列车提供牵引动力。

牵引系统运行过程中部件的老化、电缆的振动摩擦等可能造成接地故障。一点接地对牵引系统的正常工作影响不大，但两点接地或多点接地，会产生很大的短路电流，造成牵引系统部件烧损[1]。目前动车组牵引系统接地故障检测方法主要是根据电压传感器检测的接地电压值与系统正常时的电压值比较，若两者差值超过预设值，则判断牵引系统发生接地故障，封锁牵引变流器脉冲，断开列车主断路器[2]。现有接地故障检测方法存在的问题有:（1）当牵引系统发生接地故障时，无法自动定位接地故障位置，需要人工对牵引系统各设备进行检修，故障处理难度大，周期长；（2）当牵引系统发生接地故障时，无法根据不同牵引系统设备的接地故障采取不同严重程度的保护动作，保护手段单一。

1 主电路接地原理

某型动车组牵引变流器电气原理图如图1 所示。牵引系统主要由牵引变压器100、牵引变流器200 和牵引电机300 组成，牵引变流器由四象限整流器201、牵引逆变器202、辅助逆变器203、接地检测电路204、开关部件电路205 等组成。牵引变压器将接触器网25 kV 交流电转换为950 V 交流电进入到牵引变流器中。开关部件电路将950 V 交流电经过预充电、不控整流为1 343 V 直流电，避免中间直流母线电路大电流冲击。四象限整流器将950 V 交流电整流为1 850 V 直流电，为牵引逆变器和辅助逆变器供电。牵引逆变器将1 850 V 直流电逆变为电压和频率均可控制的三相交流电以驱动牵引电机。辅助逆变器从中间直流环节取电，将1 850 V直流电逆变为550 V/50 Hz 三相交流电，然后经过工频变压器变换为380 V/50 Hz 交流电，为列车中压负载供电。

接地检测电路204 由两个阻值为1：1 的电阻、滤波电容和电压传感器U33组成，用于检测牵引系统是否发生接地故障。牵引变流器正常工作时，电压传感器U33检测到的接地电压理论上为直流母线电压一半925 V，而实际上由于四象限整流器201 和牵引逆变器202 功率器件的快速通断，产生较高的du/dt和di/dt，作用于变流器中的杂散电感、功率器件及系统部件对地的分布电容，造成接地电压在正常值附近上下波动[1，3]，如图2a 所示。当牵引系统发生接地故障时，电压传感器U33检测到的接地电压会偏离正常接地电压。

根据接地故障点在牵引系统中发生位置，接地故障分为牵引变压器二次侧接地、中间直流母线正极接地、中间直流母线负极接地、辅助逆变器高压侧接地和牵引电机侧接地。如图 1 所示，主电路 1 点、2 点、3 点、4 点发生的接地故障属于牵引变压器二次侧接地，主电路5 点发生的接地故障属于中间直流母线正极接地，主电路6点发生的接地故障属于中间直流母线负极接地，主电路7 点、8 点、9 点发生的接地故障属于辅助逆变器高压侧接地故障，主电路 10 点、11 点、12 点、13 点、14 点、15 点发生的接地故障属于牵引电机侧接地故障。

图1 牵引变流器主电路原理图

根据接地故障发生时的接地电压波形不同，上述5种接地故障可以分为3 类。第1 类包括牵引变压器二次侧接地、牵引电机侧接地和辅助逆变器高压侧接地，如图2b 所示，接地电压波形为PWM 脉冲型，脉冲幅值为中间直流母线电压1 850 V，脉冲频率根据接地故障发生的接地点不同而不同。当发生牵引变压器二次侧接地时，接地电压脉冲频率等于四象限整流器的开关频率；当发生牵引电机侧接地时，接地电压脉冲频率等于牵引逆变器的开关频率；当发生辅助逆变器高压侧接地时，接地电压脉冲频率等于辅助逆变器的开关频率。本实施例中，四象限开关频率为350 Hz，辅助逆变器开关频率为1 050 Hz，牵引逆变器开关频率在110～550 Hz范围内变化。第2 类为中间直流母线正极接地，接地电压等于中间直流母线电压1 850 V，如图2c 所示。第3类为中间直流母线负极接地，接地电压等于0 V，如图2d 所示。需要说明的是，此处未考虑接地故障点等效接地电阻，即等效接地电阻为0。若考虑接地故障点等效电阻为R0，接地检测电阻R1=R2，则接地电压最大值为

接地电压最小值为

式中，U33为接地电压值；U32为中间直流母线电压值。

2 接地故障检测策略

文献[4]通过接地电压周期平均值与中间直流母线电压比值判断牵引变流器是否发生接地，但未给出接地故障点位置判断方法。文献[5]通过全电压的一半与半电压差值的绝对值是否大于等于720 V 判断牵引变流器主电路是否发生接地，然后根据升弓合主断即报主电路接地，给方向手柄后报主电路接地，给级位手柄后报主电路接地等故障现象判断接地故障点范围，该接地故障检测策略需要人工参与判断，不能直接自动判断出接地故障点范围。

图2 接地电压波形

针对5 种3 类接地故障，文中提出的一种新型的动车组牵引变流器接地故障检测策略，接地故障检测策略流程图如图3 所示。主要包括以下步骤:

（1）获取接地电压传感器检测到的接地电压和中间母线电压传感器检测到的中间母线电压，通过现场可编程门阵列（FPGA）计算接地电压平均值和接地故障标志位。接地电压平均值为接地电压传感器实测电压的周期平均值，接地故障标志位判断条件为接地电压大于1 600 V 置 1；接地电压小于 1 200 V 清零。

（2）当中间直流母线电压大于预设值时，若接地故障标志位置1，则认为牵引系统发生接地故障，封锁牵引逆变器脉冲，跳转步骤3，否则返回继续判断；当中间直流母线电压大于预设值时，接地故障电压平均值与中间直流母线电压比值大于接地故障高门槛值0.75，则认为是牵引变流器内部正极母线接地故障，封锁牵引和辅助变流器脉冲，断开牵引变流器主接触器和充电接触器，结束判断；当中间直流母线电压大于预设值时，若接地故障电压平均值小于接地故障低门槛值0.15，则认为是变流器内部负极母线接地，封锁牵引和辅助变流器脉冲，断开牵引变流器主接触器和充电接触器，结束判断。

（3）当牵引逆变器脉冲封锁后，若接地故障标志位为1，则继续封锁辅助逆变器脉冲，跳转步骤4；若接地故障标志位为零，则认为是牵引电机侧接地，结束判断。

（4）当辅助逆变器脉冲封锁后，若接地故障标志位为1，则认为是牵引变压器二次侧接地，封锁牵引变流器脉冲，断开列车主断路器（VCB），结束判断；若接地故障标志位为0，则认为是辅助逆变器高压侧接地，重新启动牵引逆变器脉冲，维持封锁辅助逆变器脉冲，结束判断。

图3 接地故障检测方法

3 试验验证

为了验证接地故障检测策略的正确性，对现场某牵引变流器分别进行了牵引变压器二次侧接地、中间直流母线正极接地、中间直流母线负极接地、辅助逆变器高压侧接地和牵引电机侧接地试验，试验波形如图4～图8 所示。

图4 四象限1 输入侧接地波形

图5 直流母线正极接地波形

根据图4 所示，检测策略能够判断出牵引变压器二次侧接地故障，并断开主断路器；根据图5 和图6 所示，检测策略能够判断出直流母线正极接地和直流母线负极接地故障，并断开充电接触器和主接触器；根据图7所示，检测策略能够判断出电机侧接地，并封锁牵引逆变器脉冲；根据图8 所示，检测策略封锁牵引逆变器后，接地电压未恢复正常，继续封锁辅助逆变器脉冲，接地故障恢复正常，判断出辅助逆变器高压侧接地后，重新启动牵引逆变器。试验表明，本文提出的牵引变流器接地故障检测策略能够准确快速的判断出变压器二次侧接地、直流母线正极接地、直流母线负极接地、电机侧接地和辅助逆变器高压侧接地。

图6 直流母线负极接地波形

图7 电机侧接地波形

4 结 论

根据接地故障电压平均值与中间直流母线电压的比值以及FPGA 检测出的接地故障标志位判断牵引系统是否发生接地故障。当接地故障标志位置1 时，分时封锁牵引逆变器和辅助逆变器脉冲，通过脉冲封锁前后接地故障是否消失，来逐步判断接地故障点的可能位置，并采取不同程度的保护措施；当接地故障电压平均值与中间直流母线电压的比值超过或低于接地故障门槛值时，可直接判断出牵引变流器正极或负极母线发生接地故障。试验结果验证了本文提出的牵引变流器接地故障检测策略的可行性。该策略能够有效保证车辆安全运行，并降低接地故障的维护检修难度和检修周期。

图8 辅助逆变器高压侧接地波形