列车供电系统接地故障分析及优化

2020-02-05何鹏

电子技术与软件工程 2020年7期

何鹏

（中国铁路兰州局集团有限公司机务部甘肃省兰州市 730000）

列车供电装置（以下简称列供）是列车供电系统的重要组成部件之一，列供主要给客车车厢提供稳定的DC600V 电源，该供电方式为机车集中整流，旅客车厢分散逆变的方式，各客车车厢的三相交流电由客车的三相逆变器提供，加热设备等其他取暖设备由DC600V 之间供电[1]。2017年下半年，列车供电装置进行应用考核过程中出现3 起列供接地故障，导致列供不能正常工作。为此对该故障原因进行了详细分析，制定了解决措施。

1 列供原理介绍

与相控降压型DC600V 列车供电装置完全不同的是，列车供电装置首次采用四象限升压整流方式，构建了一种基于PWM 整流器的新型DC600V 供电装置，即从牵引变压器供电绕组获取单相AC340V 输入电压后，通过PWM 整流器将单相交流整流升压为DC600V 输出，为客车的三相逆变器、充电机以及电阻伴热等负载供电。解决了传统相控列供功率因素低、重量重、体积大等问题[2]。主电路如图1 所示。

当DC110V 控制电源正常且列供无故障、输入电压在正常范围时，在接收到列供启动命令后，先充电接触器与充电电阻对滤波电容进行预充电，充电完成后闭合短接接触器并断开充电接触器，然后启动PWM 整流器，将电压整流到DC600V，同时通过滤波电容对输出电压进行滤波，最后闭合配电接触器为客车提供DC600V 电源。

2 故障原因分析

经对3 起列供柜接地故障处理，检查发现柜内模块元件的驱动线过压击穿，击穿点为线束捆扎在铝制支撑柱部位（支撑柱与散热器等电位，散热器接地良好），驱动线束对地放电击穿，击穿情况见图2，查看柜内其它部分，未发现有异常现象。将模块更换后，故障消失列供能正常工作。

下载故障数据分析，发现接地故障均是在机车升弓、主断闭合后，且列供未启动的工况下发生的。击穿的驱动线在主电路图中位置如图3 所示，都是与牵引变压器的列供绕组直接连接的部位。

由于列供未启动工况下，列供系统主电路（见图1）中配电接触器1KM4，2KM4 属于断开状态——列供接地检测回路（R3-R5)被甩开；造成机车升弓、闭合主断后，引牵变压器列供绕组对地产生的悬浮电压，无法通过列供系统接地检测回路吸收，导致列供最薄弱的绝缘点，被牵引变压器列供绕组存在的悬浮电压击穿。

图1：列供主电路

图2：模块驱动线击穿情况

图3：驱动线击穿位置

现场测试列供的输入端对地电压的峰值最大为6kV，超过了列供主电路上器件所能承受的耐压值，由于驱动线束绝缘性能较好，对地6kV 电压并不会一次就将线束绝缘击穿，驱动线束经过一定时间累积（相当于多次打耐压）后才会造成绝缘击穿，且一般只有在机车单机运行或列供系统故障等特殊工况才会有升弓合主断路器情况下不启动列供，所以此接地故障才会在列供试验阶段和运行前期未暴露，详细的电压波形见图4。

当列供的配电接触器闭合后，由于列供存在接地检测回路，接地检测电阻的中点接地，且为低阻接地，此时悬浮电压基本消除，对地电压波形与列供输入电压波形一致。

图4：列供绕组对地电压波形

图5：分布电容简化电路

图6：等效电路

图7：等效电路

从以上测试及分析结果可得出：当列供半电压接地点不接入列供主电路时，牵引变压器列供绕组的耦合电压对地幅值达到6kV，模块的驱动线束捆扎在铝支撑柱上，因此6kV 对地过电压将其绝缘击穿，使列供主电路接地，造成列供系统报接地故障。

3 变压器列供绕组悬浮电压分析

牵引变压器是由线圈、铁芯等部件构成的感性器件，通过法拉第电磁感应的原理，实现能量的传递与电气的隔离。虽变压器的一次侧与二次侧电气上隔离，但一次侧绕组与二次侧绕组之间存在分布电容，分布电容实现了一次侧与二次侧的电气连接。

电容的决定式为：

其中ε 为介电常数，S 为横截面积，k 为静电力常量，d 为距离。

分布电容存在于这些感性线圈中，其大小取决于绕组结构、线径粗细、绝缘材料的性质及薄厚。由于一次侧绕组与二次侧绕组经过绝缘套在同一铁芯柱上形成C1，其值取决于绕组的表面积、绝缘材料和绝缘距离。C2为二次侧绕组对变压器外壳的分布电容，其值取决于绝缘材料和绝缘距离，由于二次绕组的一点在电气上直接跟列供柜相连，对变压器建立等效分布电容简化模型如图5。

在交流电场内的悬浮体的电位，是按照电容分布的。如图6 所示，高电位点A 的对地电位UA，点B 是处于点A 电场内的一悬浮点。A、B 点之间电容C1，点B 对地电容为C2，因此点B 的悬浮电位为：

图8：增加高阻接地

图9：接地电阻等效电路

图10：列供绕组对地电压波形

UB随着C1增加或C2减小而增加，而二次侧绕组对变压器外壳绝缘距离远，C2值较小，且远小于C1，此时可认为，变压器二次侧对地悬浮电压过高主要是变压器由于其一次侧绕组与二次侧绕组的分布参数特性C1过大造成。

4 解决措施

由于阻抗表达式为：

通过上式可以看出，当d 减小时，其对应的阻抗也减小，其对应的串联分担的电压也降低即UB减小。降低悬浮电压，也就是降低二次侧电压对地的阻抗。

通过上述分析，可以从以下两个方面降低悬浮电压。

方案1：列供系统给列供绕组提供一个永久的零电位点，即在列供绕组输入端增加一个相对分布电容参数较小的阻抗与大地相连。

方案2：调整牵引变压器绕组分布参数，减小一次侧到二次侧的分布电容值。

通过对比以上两个方案，如果要改变牵引变压器分布电容参数需要对其重新设计故采用第一种方案。

如图6 所示，若使变压器列供绕组二次侧的对地电压不超过列供额定输出电压600V，即加在电阻R 上的电压不超过600V，根据图7 简化等效电路有：

通过对牵引变压器一次侧到二次侧的阻抗进行测试，一次侧到二次侧分布电容C1为9.5nF。同时将UB为6000V 带入公式得出：

R ≤37230Ω，根据工程应用电阻取30kΩ。

由于列车供电系统要满足《机车车辆DC600V 系统供电绝缘检测技术要求》中漏电流大于160mA 报接地故障要求，增加的接地电阻要不能造成接地保护误判。

在每个支路增加一个30kΩ的接地电阻接地后的主电路见图8，由于绕组前端存在接地点，可能造成列供系统的接地保护误判，根据图9 接地电阻等效电路参数进行计算，漏电流LH 为9.7mA，半电压VH 为全电压的0.5051 倍，这对列供系统接地保护判断逻辑影响极小，同时也满足《机车车辆DC600V 系统供电绝缘检测技术要求》中关于接地故障判断要求。

对列供增加高阻接地改造后，实测列供绕组对地电压峰值小于600V，满足要求，电压波形见图10，因此在列供输入端即变压器列供绕组采用通过大电阻直接接地的方法，既可保证小电流接地系统的作用，又能很好的消除悬浮电压.同时也未对列车供电系统的接地保护判断产生影响。