牵引系统电气保护

刘诗佳， 陆　阳

(1　北京纵横机电技术开发公司， 北京 100094；2　中国铁道科学研究院　机车车辆研究所， 北京 100081)



牵引系统电气保护

刘诗佳1， 陆阳2

(1北京纵横机电技术开发公司， 北京 100094；2中国铁道科学研究院机车车辆研究所， 北京 100081)

首先介绍了常见电气故障的种类及产生机理，并对保护与故障诊断进行说明，重点阐述了保护试验的目的、试验流程及试验方法，将保护试验按照故障设置的难易程度分为实际故障的保护和模拟故障的保护，并对模拟故障的两种实现方式，即软件修改保护值和信号源模拟保护值两种方法进行对比。最后介绍了牵引系统主要故障的保护逻辑，并对系统保护设计提出期望。

电气故障； 保护试验； 保护逻辑

牵引系统由大量电气设备构成，结构复杂，其故障发生具有一定的随机性，牵引系统设置了各种故障检测和保护功能，其目的是在系统发生故障后能够及时地发现和定位，实现故障的隔离，防止故障进一步扩大，从而保证列车能够安全、可靠地运行，同时对保护牵引系统设备、提高设备的利用率也具有重要意义。

1　电气故障与保护

按照电气装置的构成特点，电气故障可分为3类：电源故障、电路故障、设备和元件故障。常见的故障种类包括：短路、过流、过载、失压、欠压、过压、过热等。短路主要发生在电气控制线路中的电器或配线绝缘遭到损坏、负载短路、接线错误时；过流是指设备或电气元件超过其额定电流的运行状态，多发生在负载短路时；过载属于过流的一种特殊情况，指负载运行电流超过其额定电流但小于一定倍数额定电流的运行状态；失压发生在电源电压突然消失，导致负载停止工作，一旦电源电压恢复正常，负载有可能自行起动，从而造成机械设备损坏；欠压是指设备或电气元件在电源电压降至一定百分比(如60%～80%)额定电压时的运行状态，会导致设备因过载而烧毁；过压是指电磁铁、电磁吸盘等大电感负载及直流电磁机构、直流继电器等，在通断时会产生较高感应电动势造成电磁线圈击穿而损坏；过热是由于电气设备绝缘损坏、长时间过压或散热不良引起的。

保护是建立在故障诊断的基础之上的，故障诊断的职能首先是对系统正常运行过程中可能出现的故障进行检测和辨识、区分故障模式，此外，故障诊断可以通过故障分析算法查找和确定导致相应故障模式的故障元件组，并提出合理的故障隔离和故障处理方案。

保护就其功能上讲与故障诊断大致相当，主要包括故障检测、故障辨识与评估、故障决策等。但是保护更侧重于在检测到某个具体故障时，能在预定的时间内、采取预定的措施对故障进行隔离，以保护其可能损坏的元件、防止故障范围的进一步扩大。因此保护更注重的是故障检测的灵敏性、准确性和隔离故障元件过程中的快速性和可靠性方面。

2　保护试验

2.1保护试验流程

这里的保护试验是指电力机车、电动车组整车组装完后投入运行前的试验。保护试验的目的是检验牵引系统主电路、辅助电路的保护功能是否符合技术规范的要求，在发生电气故障时，能否及时正确动作，有效地保护电路避免发生损坏。

进行保护试验前，首先要制定试验大纲，先由厂家拟定，再由检验单位提出修改意见，最终共同讨论确定。大纲应明确需要检验的故障类型、故障方法和评定标准。故障类型取决于车辆种类及设计，试验方法要详细写出故障如何实施，评定标准要明确列出具体的保护动作，以及具体保护限值。

试验时，要严格按照试验方法设置故障，详细记录整个试验过程中的操作和车辆保护动作，对司机显示屏上报出的故障信息、指示等进行拍照记录。在故障存在的情况下，按照信息提示，进行故障复位，检验系统的工作情况及保护逻辑。将故障恢复后，还应验证系统功能的恢复情况。最后将试验过程与评定标准进行对比，判定试验结果是否合格。

2.2保护试验方法及分析

保护试验可以按照试验状态分为：静态保护试验和动态保护试验。大部分保护试验为静态保护试验，个别保护试验需要低速动车，如电机缺相、电机接地和速度信号丢失故障等，具体试验项目根据车辆的设计不同而不同。

保护试验按照故障设置的难易程度可分为：实际故障的保护和模拟故障的保护。对于故障设置较容易的，可以直接对设备硬件操作实现故障设置，如：电机缺相故障，可采用工具直接拆下变流器输出至电机的其中一相线缆，并对断开的线缆做好绝缘处理；牵引变流器输出短路故障，可通过短路电缆将一台牵引变流器其中两相输出至电机的大线短接；中间直流环节接地故障，可通过短路电缆分别将一台牵引变流器中间直流环节正、负极接地；油泵停止运行故障，直接手动断开牵引变压器油泵保护空气开关等。

对于有些故障，在实际运用中发生的概率非常低，保护试验的试验条件也很难或不能满足故障的设置，如：牵引绕组过流、变流器输出过流等，则可以通过间接方法，即通过软件模拟该类故障，模拟的故障虽不是实际故障，但对保护逻辑和保护动作可以实现有效的验证。

模拟故障还可以通过两种方式实现，即软件修改保护值和信号源模拟保护值。软件修改保护值可通过计算机直接修改传输至控制系统及网络系统的信息，包括保护限值和检测值两种，操作简单，还可以在车辆动态下进行故障设置。但是该方法省略了故障诊断过程，直接验证保护逻辑，从实际运用的角度来看，只能算是一种功能性的验证。信号源模拟保护值是将传感器的输入、输出断开接入信号源，通过调节信号源的输出，实现故障的模拟，该方法更接近实际情况，但是由于需要用到信号源，故障实施过程较麻烦，同时也增加了设备维护、校准等相关工作量。

这两种方法各有利弊，互为补充。牵引变流器中间直流环节过压等故障通常采用软件修改保护值的方法模拟，牵引变压器过流、牵引变流器过流等故障则可采用信号源来模拟。

3　保护逻辑

保护逻辑通过程序来实现，是故障发生后系统的判断、处理、动作及信息反馈等一系列过程。只有明确了系统的保护逻辑，才能对整个保护试验有个全面的把握。

网压高异常(过电压)、网压低异常(低电压)故障发生后，系统针对网压变化的具体情况，主断立即跳开或在5 min后跳开，司机显示屏报出网压的相应故障，主断应不允许闭合，在网压恢复正常后，系统应能检测出来，司机屏可提示司机闭合主断，或主断自动闭合，复位后故障信息消失，系统可以正常工作。

牵引变压器原边过流故障发生后，主断应立即跳开(或隔离开关断开)，司机显示屏报出牵引变压器的相应故障，同时应提示司机进行切除变压器(或自动切除)，切除故障变压器后，主断允许闭合，车辆可以降功率运行。牵引变压器2次侧绕组短路、2次侧绕组过流、牵引变压器2次侧接地故障发生后，主断应立即跳开(或隔离开关断开)，司机显示屏报出牵引变压器的相应故障，同时应提示司机切除故障绕组相连接的变流器(或自动切除)，然后主断(隔离开关)允许闭合，车辆可以降功率运行。

牵引变流器中间直流环节短路/接地、牵引变流器输出短路/过流故障发生后，主断应立即跳开(或隔离开关断开)，司机显示屏报出牵引变流器的相应故障，同时应提示司机切除故障变流器(或自动切除)，然后主断(隔离开关)允许闭合，车辆可以降功率运行。

牵引电机缺相/接地故障发生后，一般的保护逻辑为：主断自动跳开(或隔离开关断开)，司机显示屏报出牵引电机的相应故障，同时应提示司机切除故障电机连接的相应逆变器(或自动切除)，然后主断(隔离开关)允许闭合，车辆可以降功率运行。由于车辆控制有车控和架控之分，控制方式不同，逆变器以及逆变器连接的电机数量不同，如果一个电机故障，将其连接的逆变器切除，与该逆变器连接的其他电机也同时被切除，如果仅切除故障电机，这样可以减少车辆的损失功率，提高车辆工作效率。

4　结束语

在验证系统能否对故障进行保护动作的同时，我们更关注的是系统保护逻辑的合理性。系统在发生故障时，应将故障定位至最小单元，并将其隔离，尽量减少系统的损失，对车辆运行的影响能够降至最低。同时，故障信息的显示也需正确清晰、分类合理，保证司机在实际驾驶车辆时，能够收到最简单的故障描述及故障处理信息，并能够按照提示进行相应的操作。对于检修和设计人员能够下载得到详细的故障信息，方便对故障进行分析处理。

[1]王磊.城市轨道交通能馈式牵引供电系统故障诊断及保护方法研究[D].北京：北京交通大学.2010.

[2]张曙光.CRH2型动车组.[M].北京:中国铁道出版社,2008.Electrical Protection of Traction System

LIUShijia1，LUYang2

(1Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co , Beijing 100094, China; 2Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

The types of common electrical fault and the reasons are described in this paper. Protection and fault diagnosis are explained as well. It focuses on the purpose, procedures and methods of protection test. According to the difficulty of fault setting, protection test is divided into actual fault protection and simulation fault protection. Two ways to achieve simulation fault are compared, changing protection value by software or signal source. Finally, the protection logic of main fault of traction system is introduced, and the protection design of traction system is proposed.

electrical fault; protection test; protection logic

1008-7842 (2016) 04-0106-02

��)女，助理工程师(

2015-12-18)

U260.4+1

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.27