电力机车网压波动故障的原因分析及应对措施

周占松

(国能朔黄铁路发展有限责任公司机辆分公司，河北 肃宁 062350)

0 引言

随着我国轨道交通行业的迅猛发展，轨道列车对电气化铁路接触网网压的平稳提出了更高的要求。电力机车受电弓直接从接触网受流，接触网网压过高或过低都会限制电力机车功率输出，造成列车失速甚至停车，最终对行车秩序造成不利影响[1]。近年来，朔黄铁路某型电力机车因网压异常波动致使机车卸载事件频繁发生，本文充分考虑朔黄铁路的线路环境以及故障机车的实际运行条件，分析机车监测到网压异常波动的可能原因，为问题的解决提供思路和建议。

1 故障原因分析

1.1 网压监测情况分析

网压波动现象集中发生在黄大线以及朔黄铁路“小觉—古月”区段，本文选取典型的网压波动数据进行分析(见图1)。在19：52′46″～19：56′10″，机车数据记录网压值在29～31 kV频繁波动，最高值为31.233 kV，导致机车出现卸载的情况。

图1 网压记录数据

1.2 线路环境与机车条件分析

对于黄大铁路，网压波动故障发生在个别电力机车上，且故障车辆均装载某同型号高压绝缘检测箱，而同一供电臂下运行的其他机车电压稳定，由此可初步推测：机车限功率运行的原因为高压绝缘检测箱硬件电路引起的网压检测失真。

对于朔黄铁路“小觉—古月”区段，该区段为11.5‰下坡道。网压波动现象多发于电制动期间，每次持续时间在数分钟内，同时故障所涉及的车辆较多，并非集中发生于个别机车上，但均为2018年之后TCU机箱升级后的新造机车，由此可初步推测：机车限功率运行的原因为TCU机箱升级或“小觉—古月”区段机车使用再生制动造成的。

1.3 网压波动原因分析

1.3.1 黄大铁路网压波动原因分析

由上述分析可知，黄大铁路的某电力机车限功率可能是由高压绝缘检测的硬件电路引发的，因此本节对高压绝缘检测原理进行详细分析。

高压绝缘检测关系到机车车顶高压设备的绝缘问题，对机车的运用安全至关重要。该系统是闭环开关电源检测技术和直流逆变交流技术的有机结合，通过逆变器将机车蓄电池的DC110 V直流电转化成正弦交流电，从而使高压电压互感器的一次侧感应25 kV高压电，模拟接触网在线电压，但模拟出的电功率小于接触网上的电功率。当车顶高压电气设备绝缘性能下降时，高压电压互感器一次侧等效阻抗就会下降，当下降到一定程度时，由于高压绝缘检测装置加载在车顶高压电气设备上的电流被限定在一定范围后相关电压会下降，这样通过模拟加载电压的大小就可以等效出车顶高压电气设备的绝缘状态，高压绝缘检测原理简图如图2所示。

图2 高压绝缘检测原理简图

从原理图可知，高压绝缘检测箱输出JY+信号通过继电器K1进行接通与切除，当高压绝缘检测箱不工作时，通过断开继电器K1，实现高压绝缘检测箱信号的断开；当高压绝缘检测箱工作时，继电器K1接通，由高压绝缘检测箱输出交流150 V(50 Hz)到高压互感器的次边，在高压互感器的原边产生25 kV的高压进行车顶绝缘检测[2]。

由于继电器位置设置不合理，位于高压绝缘检测箱主控板与滤波电容之间，导致高压绝缘检测箱与外部电路未实现完全隔离，导致高压绝缘箱与外部电路未实现完全隔离，此时网压监测电路可简化为图3所示LCR电路，高压互感器简化为一个电感[3]。当外界输入电压频率与该电路谐振频率一致时，该电路会发生谐振，从而导致TCU网压检测失真。

图3 高压互感器简化电路

黄大铁路作为新开通线路，可能存在电压不稳、谐波较多的情况，网压中某次谐波频率正好与电力机车高压互感器网压监测电路谐振频率匹配，造成电压持续谐振现象。

1.3.2 朔黄铁路“小觉—古月”区段网压波动原因分析

由上可知，“小觉—古月”区段网压波动现象疑似与进入该区域再生制动力加大以及2018年后新造机车TCU机箱升级有关，因此本节着重从再生制动及TCU网压检测两方面进行分析。

由文献[4]可知，相同条件下再生制动工况下高次谐波电流含量远大于牵引工况，由此可知机车再生制动过程可能会造成车网谐振现象。由文献[5]可知，机车在再生制动工况下，其谐波含有率幅值大小随再生制动功率增大而减小，网侧电流谐波畸变率随再生制动功率的增加而下降，谐波次数和频率无关，即机车再生制动力越大，造成的谐波问题越小，且朔黄铁路西线为延续百公里的长大下坡道，重线方向最大坡道为12‰，而问题集中发生于“小觉—古月”区段。由此分析，再生制动力不是造成该区段网压波动现象的决定性因素。

机车通过高压电压互感器，将原边电压按25 kV：150 V变比输出到高压电压互感器次边2，次边绕组将150 V单相交流网压信号通过限流电阻限流后传入主变流柜 ，经过同步控制变压器将AC150 V信号按150:10的变比输出到同步控制变压器次边，进而送入TCU机箱LSC、LCC、MCC、SMC板卡进行网压采集、信号滤波和模数转换，控制整流侧LCC脉冲开断。网压检测信号流程图和各板卡的作用如图4所示。

图4 网压检测信号处理流程图

LCC板是对网压信号进行计算控制，计算网压有效值、瞬时值。 而通过调研，2018年4月及以后的新造机车，LCC插件在器件和芯片上均进行升级，浮点运算能力提升了约20%，整体运算精度及性能均较原有TCU提升5倍以上，在此基础上实施网侧抑制软件优化后的THD可同比降低30%，对于网压的判断较老车更为灵敏。

由此可见，机车TCU机箱的LCC插件参数改变或“小觉—古月”区段使用再生制动时可能发生车网谐振现象，使得列车端电压幅值明显升高，影响机车功率发挥。

2 消除网压波动的优化建议

2.1 黄大铁路网压波动优化建议

对于黄大铁路出现的高压绝缘检测箱造成网压波动问题，以此建议对高压绝缘检测箱内部电路进行设计优化。将高压绝缘检测箱内部K1继电器位置更改到滤波电容后，且增加K2继电器实现对JY-的隔离，如图5所示，控制逻辑与K1继电器保持一致，从而保证高压绝缘检测箱在不工作时与外电路完全隔离。

图5 建议改造后高压绝缘检测箱原理简图

2.2 朔黄铁路网压波动优化建议

对朔黄铁路“小觉—古月”区段网压波动现象，提出以下建议。

1)监测机车弓网受流情况。考虑在曾经发生过网压波动的机车上安装机车网侧受流检测装置，实时收集、记录机车原边回路及高压电压互感器副边绕组电压状态值，分析受流情况，为故障原因查找提供线索。

2)优化机车控制软件。考虑在TCU软件中增加网压异常情况下的实时故障记录触发功能，记录网压波动时期的实时故障波形，获取异常情况下的网压特征，然后根据波形特征进行控制软件优化，通过调整控制策略来改变机车谐波特性，避开车网谐振频率。

3)地面谐波治理。在优化机车软件不能达到目的的情况下，考虑加装地面谐波治理设备，消除网压中的谐振频率。

3 结语

本文以朔黄铁路某型交流传动重载电力机车出现的多起网压波动现象为背景，讨论了可能造成电力机车网压波动的原因，提出了解决思路和建议，目前优化改进后的高压绝缘检测装置有效解决了黄大铁路偶发网压波动问题，给类似问题的处理提供了参考，同时也为后续工作开展提供了帮助。