交流传动电力机车主电路保护技术分析

何 平

（中国国家铁路集团有限公司，北京 100844）

我国铁路牵引供电制式是单相交流25 kV/50 Hz。交流传动电力机车整车牵引功率大、网侧电流大，主电路的稳定工作和安全运行是交流传动电力机车牵引功率发挥、铁路弓网正常运用的重要保障。HXD1系列、HXD2系列以及HXD3系列交流传动电力机车主电路均设计有较为完善的保护方案，由于各系列机车技术平台不同，在主电路设计和保护方案上略有差异。将综合各和谐系列电力机车的技术特点，对交流传动电力机车的主电路保护技术方案进行介绍和分析。

1 典型主电路介绍

现和谐系列交流传动电力机车采用交-直-交电传动，水冷IGBT变流技术。机车通过网侧电路的受电弓、主断路器等将接触网电源引至牵引变压器原边，牵引变压器次边牵引绕组向牵引变流器四象限变流器供电，经四象限变流器整流成直流电后形成中间直流回路，再经PWM逆变器向牵引电机供电。以一架为例，交流传动电力机车的典型主电路原理示意图如图1所示。

主电路还包括高压隔离开关、避雷器、电压互感器、原边电流互感器（或过流继电器）、回流电流互感器等设备。主断路器起正常工作或故障保护时主电路的分、合闸作用，电压及电流互感器将检测的信号送给机车牵引控制系统，同时给机车能耗表，用于显示机车的能耗情况。

根据电路的功能和结构，现将图1主电路划分为网侧电路、变压器次边、四象限整流电路（含预充电电路）、中间直流回路（含斩波电路或撬棒放电电路）以及逆变器输出电路，其中中间直流回路包括支撑电容、接地检测电路以及滤波电路。

图1 典型交流传动电力机车主电路示意图

2 主电路保护

交流传动电力机车对主电路的各个回路均进行了接地、过压及过流/短路检测，并对接地、过压及过流/短路故障进行了安全保护设计。

2.1 网侧电路保护

针对主断路器前的网侧电路部分，设置有受电弓、高压隔离开关和避雷器，以及网侧电压监测的高压电压互感器，其中车顶避雷器用于吸收雷电过电压、操作过电压。各高压电器通过软连线或导电杆连接，该段电路通过升起受电弓直接与接触网连接，无自动隔离的保护电气设备，机车对该段电路不具备隔离保护功能。电力机车该段电路整体上比较稳定可靠，常见的故障有刮弓、避雷器绝缘击穿，以及恶劣天气下的绝缘子闪络、高压电器带电裸露部分的对地绝缘击穿等。该类故障发生后，通过牵引供电网的地面保护设备进行切断保护。以下介绍的交流传动电力机车的网侧电路检测保护不包括主断路器前部分的电路。

（1）网侧电路接地、过流/短路检测保护网侧电路接地检测保护主要有2个方式。

第1种是通过比较原边电流互感器与回流电流互感器电流差值，在差值大于设定值时，则判断为接地故障，触发接地保护动作，进行保护性分主断等。

第2种是通过主断路器后的过流继电器检测，在发生过流或短路故障时，过流继电器检测电流值超过设定保护值，过流继电器辅助触点硬线信号触发机车的保护性分主断，故障消除后，过流继电器恢复，才允许重新合主断。

针对第1种接地检测保护方式，过流/短路检测保护是通过原边电流互感器电流值判断，在原边电流互感器的电流有效值大于保护门限值时，触发过流/短路保护，机车将进行保护性分主断等。与接地保护一样，过流/短路保护均通过网络控制进行保护性分主断。

对比2种接地保护方式，理论上第1种方式可以对因低绝缘破坏产生的较低等级的接地泄漏电流进行检测和保护，综合目前采用该2种保护方式的机车，实际工程运用中均比较可靠，都实现了对机车的良好可靠的保护。

（2）网侧电路过压保护

网侧电路过压保护通过主断路器前的高压电压互感器检测的电压大小进行判断，电压互感器检测的网压值反应了主电路各电气设备的实际工作电压值。网压长时间过高，对网侧电路的高压设备、主变压器原边绕组的绝缘等有影响，同时网压过高影响变压器次边绕组电压，影响与变压器次边绕组直接连接的牵引变流器电气设备的绝缘可靠性。一般而言，交流传动电力机车设计的功率发挥的网压范围为17.5～29 kV，网压超过29 kV但不大于32 kV时机车进行线性降功率保护，超过32 kV时进行断主断保护等，只有当网压恢复正常范围机车才允许重新合主断。

2.2 变压器次边、四象限整流电路、中间直流回路及逆变输出接地检测保护

四象限整流电路及逆变电路与二极管桥式电路相比，采用了IGBT与二极管反向并联，在IGBT的控制门电路启动之前，由于IGBT被关闭，与二极管的电路功能一样。IGBT开通后，中间直流回路随IGBT通断与四象限整流输入电路及PWM逆变输出电路联通。目前和谐系列交流传动电力机车的变压器次边、四象限整流电路、中间直流回路及逆变输出接地均通过中间直流回路的接地检测电路实现。

2.2.1接地检测

变压器次边、四象限整流电路、中间直流回路及逆变输出接地检测的方式有2种：方式1是通过中间直流回路接地检测电路的全电压与半电压的比值或差值大小判断，电路原理如图2所示；方式2是通过串接在中间直流回路的接地检测电路的电流传感器进行检测判断，电路原理如图3所示。

图2 电压比较法接地检测电路

图3 接地电流传感器检测法接地检测电路

如图2所示，方式1接地检测电路由跨接在中间直流电路的两个阻值相同的分压电阻R1、R2和中点电压检测的VH1电压传感器组成。正常工况下，VH1传感器测得的直流电压值为VH2、VH3测得的中间直流支撑电压的一半。当电路中出现接地故障，两电压值的差值或比值超过设定值时，则判断为接地故障，机车控制系统可进行断主断等保护。

如图3所示，方式2接地检测电路由跨接在中间直流电路的两个阻值相同的分压电阻R1、R2和与中点串联的接地电流传感器GCT组成，接地检测功能投入时，电流传感器另一端通过开关打至接地状态。工作正常时，由于只有1点接地，接地电流传感器GCT中无电流流过，当电路中出现接地故障时，接地电流传感器的接地端、接地故障点与中间直流电路形成回路，接地检测电流传感器有电流流过，接地保护装置动作，机车控制系统可进行断主断等相关保护。中间直流回路单点接地等不影响电气功能的故障，可通过将GS1打至非接地位，隔离接地检测功能，可维持机车继续运行。

变压器次边、四象限整流电路、中间直流回路及逆变输出接地故障均可通过中间直流回路的接地检测、电路检测判断。其中，变压器次边电压直接随变压器特性和原边电压变化而变化，中间直流回路电压受四象限整流器控制，逆变器输出电压受PWM逆变器控制。各回路单点接地故障后影响不同，各谱系机车大多进行了断主断、隔离封锁对应变流器后继续行车的保护方案，具体保护细节上各谱系机车略有差异。

2.2.2接地位置的定位

隔离封锁对应变流器，可以隔离四象限整流、中间直流以及逆变输出电路的接地故障点。针对变压器次边接地故障，隔离封锁对应变流器后，接地检测装置也被隔离，故障点仍存在且处于不被监控状态。交流传动电力机车变压器次边电压达1 000 V左右，长时间接地且不被监控运行是极其危险的。各回路单点接地故障对系统的影响也不同，进行区分后可以进行区别性保护和处理，同时也有利于对故障的查找，便于检修与维护，各回路接地故障定位方法如下。

（1）四象限整流电路、中间直流回路及逆变输出接地点定位

水冷IGBT控制变流器，中间直流电源为持续稳定的直流电源信号，四象限整流器的IGBT开关频率为固定值，PWM逆变器IGBT开关频率在最大工作频率内随电机控制需要变化，四象限整流电路、中间直流回路及逆变器输出接地点定位判断逻辑框图如图4所示。

（2）变压器次边接地点定位

按上述判断逻辑定位的四象限整流电路接地点，具体接地位置可能是与四象限整流器连接的变压器次边，也可能四象限整流器的IGBT模块与预充电电路之间部分，如图5所示。正常工作变流器，断开短接接触器k2可隔离预充电电路后的接地点。变流器不能隔离变压器次边的接地点，因此需要进一步定位。

图4 四象限整流电路、中间直流回路及逆变输出接地点定位判断逻辑框图

如图5所示，在四象限整流器IGBT关闭时，若a点接地（机车地），b点经与IGBT反向并接的二极管、接地检测分压电阻，最后经机车地e与a点形成回路，可以实现a点接地状态的检测。b点接地检测，需启动特殊的接地检测判断逻辑，在四象限整流器IGBT关闭时，闭合预充电接触器k1，a点经k1、预充电电阻R1，以及与IGBT反向并接的二极管、接地检测分压电阻，最后经机车地e与b点形成回路，实现a点接地检测。接地电流传感器检测法的变压器次边接地点定位判断控制逻辑相同。

通过上述方案，实现了变压器次边、四象限整流电路、中间直流回路及逆变输出电路的接地检测与定位，各谱系交流传动电力机车根据其具体的设备电压等级、结构、保护能力以及接地故障后影响的不同，可以制定不同的细化保护方案。

2.3 变压器次边短路检测保护

牵引变压器是利用电磁感应原理将原边的交流电压变成同频率的一种或多种电压等级的静止感应电器，任一变压器次边短路故障，会直接反馈到原边的电流变化。同时，变压次边短路故障会直接影响到该回路的四象限整流电路的正常工作，变压器次边的短路检测判断方法有以下3种：

方法1，机车升弓合主断，在四象限整流器未投入工作时，检测到原边电流互感器电流值大于设定值，在无其他故障情况下，经综合判断后可确定该异常电流为变压器次变短路引起。

图5 四象限整流输入电路

方法2，机车升弓合主断，与变压器次边连接设备投入工作后，各变压器次边连接设备的工作电流换算到原边的总电流与原边电流互感器检测的电流的差值大于设定值，经综合判断后可确定该异常电流为变压器次变短路引起。

方法3，机车升弓合主断，预充电接触器闭合，检测到预充电电流小于设定值，中间直流回路电压小于设定值，经综合判断可确定为变压器次边短路。

变压器次边短路故障后，需进行断主断保护，恢复正常后才允许重新闭合主断。

2.4 四象限整流、中间直流回路过流/短路检测保护

四象限整流电路输入端串接的电流传感器可对四象限整流器和中间直流回路的过流/短路故障进行检测，引起该类故障的原因可能为变流器硬件设备故障。若故障在牵引变流器投入工作前已经存在，则在变流器启动工作时，中间直流回路支撑电容会反应充电超时、充电电压异常等故障。另外，接触网电压低异常也会引起四象限输入电流故障。

四象限整流器和中间直流回路过流/短路故障后，机车将进行断主断，封锁充预充电接触器，牵引控制系统封锁整流、逆变器等保护。

2.5 变压器次边、中间直流回路及逆变器输出过压检测保护

（1）变压器次边过压检测保护

变压器次边电压是通过与原边耦合产生的，在变压器结构确定后，如果次边过压，则原边也会有相关体现。因此，变压器次边过压检测保护在网侧电路的过压检测保护中实现。

（2）中间直流回路过压检测保护

如图5所示，并接在中间直流回路的电压传感器对中间直流电压实时监测，在模块故障、支撑电容故障、网压波动等，过电压斩波电路或TCU撬杠保护放电失效等中间直流回路过压故障，机车进行断主断，牵引控制系统封锁整流、逆变器等保护。

（3）逆变器输出过压检测保护

PWM逆变器输出电压受牵引逆变器控制，电压最大值与中间直流电压成比例关系，该保护包含在中间直流回路过压保护中。

2.6 逆变器输出过流检测保护

串接在逆变器输出的电流传感器对逆变器输出电流进行监测，在牵引电机绝缘下降、锁轴等至逆变器输出过流故障时，机车可进行断主断，牵引控制系统封锁整流、逆变器等保护。

3 结束语

对和谐系列交流传动电力机车主电路进行了简要介绍，并结合典型主电路原理图，对既有和谐系列交流传动电力机车主电路的网侧电路、变压器次边、四象限整流电路、中间直流回路以及逆变器输出电路的接地、过压和过流/短路的检测判断方法和保护控制逻辑进行了对比分析，对理解和掌握交流传动电力机车的主电路保护逻辑具有重要参考意义。