1 000 kW轨道车接地保护电路仿真分析

吴晓威， 李 磊， 韩建宁， 王武俊

（中车永济电机有限公司, 陕西 西安 710018）

引言

轨道车作为铁路设备维修、大修、基建等设施部门执行任务的主要运输工具，是铁路运输工作中的重要组成部分。

轨道车在运用过程中因为电缆老化、振动摩擦、冷却液漏液等因素造成主回路发生接地故障。一般而言，单点接地对系统的正常工作不会有太大影响，但两点或多点接地，就可能产生很大的短路电流，造成轨道车电传动系统部件烧损，严重情况下甚至会发生火灾[1，2]。因此，针对主回路接地故障问题进行分析探讨，准确、迅速地对接地故障进行判断和处理是十分重要的。

1 接地保护电路

轨道车主电路系统接地保护电路采用成熟的HXD3B型电力机车接地方式，是由跨接在中间电路的3个串联电阻（R1、R2、R3）和电压传感器TV3组成。R2和R3的连接部位与地相连，其中电阻R1和R2是 82kΩ，R3是 56kΩ。

2 接地检测分析

图1 牵引系统原理图

整车控制单元LCU监测主回路主要接地点，分别为发电机某相绕组输出端、牵引变流器的输入端、整流器、中间直流母线正端、直流母线负端、牵引逆变器输出端等。列车控制单元LCU监测接地电压传感器TV3的输出电压，根据接地电压的波形可以判断变流柜的绝缘性能，初步定位变流器发生接地故障的区域，从而检查、维修相关部件和电缆连接等。

根据接地电压判定接地故障的依据如下。

1）接地电压传感器TV3的输出电压范围为时该变流柜支路无接地故障发生。

2）接地电压传感器TV3的输出电压范围为0时，中间直流回路的负极发生接地故障。

3）接地电压传感器TV3的输出电压范围为Udc时，中间直流回路的正极发生接地故障。

4）接地电压传感器TV3的输出电压在0和Udc之间交替变化，并且频率为发电机频率，发电机绕组接地或者变流器输入端接地。

5）接地电压传感器TV3的输出电压在0和Udc之间交替变化，并且频率为逆变器开关频率，牵引电机输入端接地或者变流器输出端接地。

当整车控制单元LCU检测到接地电压Ug超过正常值的30%就认为出现接地故障，从而将主发电机卸载，主发励磁电流降为0，并将柴油机转速降至惰转转速，同时辅发励磁电流降至惰转时的励磁电流，此时系统降功运行，列车可以继续维持运行。

当整车控制单元LCU检测到接地电压Ug超过正常值的20%，即轨道车报接地故障，从而将主发电机卸载，主发励磁电流降为0，并将柴油机转速降至惰转转速，同时辅发励磁电流降至惰转时的励磁电流，此时系统降功运行，列车可以继续维持运行。

3 仿真分析

根据牵引系统主回路搭建系统仿真模型，见图2。牵引系统仿真模型由3个部发电机模块，整流模块、中间回路、逆变模块以及电机控制模块组成。在直流母线电压DC 1 850 V，逆变输出频率30 Hz情况下进行接地故障仿真。

图2 牵引系统matlab仿真模型

图3 直流母线电压DC1850V时波形图

图4 主发电机组输出一相接地（变流器输入接地）

仿真波形图3-7，分别为电机某相绕组接地、直流母线正接地、直流母线负接地和逆变器输出接地故障仿真结果。其中：曲线1是输入电压，曲线2是电容电流，曲线3是直流母线电压，曲线4是接地电压，曲线5是母线前端电流，曲线6是母线后端电流，曲线7是牵引电机电压，曲线8是牵引电机电流。

图5 直流母线正端接地

图6 直流母线负端接地

从仿真波形图3中，可以看出正常情况下，接地电压与中间电压成比例变化，接地电压大约为3/4Udc。从仿真波形图4中可以看出，当主发电机组输出一相接地（变流器输入接地）情况，接地电压的外包络线基本与中间电压相同，由于出现接地故障时，输出电压在0和Udc之间交替变化，并且频率为发电机频率。上页图5是直流母线正端接地，此时接地电压传感器TV3的输出电压范围为Udc。上页图6反应的是直流母线负端接地情况，此时检测到接地电压传感器TV3的输出电压范围为0时。从图7中可以看出，当接地电压传感器TV3的输出电压在0和Udc之间交替变化，并且频率为逆变器开关频率，牵引电机输入端接地或者变流器输出端接地。4 结论

图7 逆变器输出一相接地（电机侧接地）

本文针对1 000 kW轨道车接地检测装置进行仿真分析，仿真结果表明，轨道车接地检测装置设计较为合理，能够及时检测接地故障，并且不会对牵引系统造成破坏性影响。

参考文献

[1]李伟，郭晓燕，张波.“和谐”系列电力机车传动系统接地检测比较[J].机车电传动，2010（6）：88-91.

[2] 何欣，韩建宁，金春羽.HXD2型机车电传动系统接地故障浅析[J].铁道机车与动车，2015（1）：73-75.