浅谈接触网网压对HXD1型神华号电力机车的影响

摘要：HXD1型神华号大功率交流电力机车是南车集团株洲电力机车有限公司为了满足神华铁路的运输需求，在HXD1系列大功率交流传动电力机车的设计平台上进行研制的，朔黄铁路于2012年引进并大量投入运行，随着运量的不断攀升，基于HXD1平台的神华八轴9600W、神华十二轴14400W大功率交流机车已经逐步替代韶山直流机车成为主力机车。得益于HXD1型电力机车的大功率，朔黄铁路顺利开行单元万吨、1.6万吨、2万吨列车，机车功率的稳定发挥对列车的安全运行至关重要，当机车功率无法正常发挥时，对乘务员的操作造成很大的影响，本篇文章对HXD1型神华号大功率交流电力机车主电路原理、牵引变流器、传动控制单元TCU、网压监测进行介绍，结合故障案例对接触网网压对机车功率的影响进行浅析。

[Abstract] HXD1 Shenhua high-power AC electric locomotive is developed by CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.， Ltd. on the design platform of HXD1 series high-power AC drive electric locomotive in order to meet the transportation needs of Shenhua railway. Shuohuang railway was introduced and put into operation in 2012. With the continuous increase of traffic volume， Shenhua 8-axis 9600w Shenhua twelve axle 14400w high-power AC locomotive has gradually replaced Shaoshan DC locomotive as the main locomotive. Thanks to the high power of HXD1 Electric Locomotive， Shuohuang railway has successfully operated 10000 ton， 16000 ton and 20000 ton trains. The stable exertion of locomotive power is very important to the safe operation of the train. When the locomotive power cannot be normally exerted， it will have a great impact on the operation of stewards. This article discusses the main circuit principle of HXD1 Shenhua high-power AC electric locomotive Traction converter， transmission control unit TCU and network voltage monitoring are introduced. Combined with fault cases， the influence of catenary network voltage on locomotive power is analyzed.

关键词：HXD1型神华号大功率交流电力机车;主电路;牵引变流器;TCU; 接触网网压

[Key words] HXD1 Shenhua high power AC electric locomotive; Main circuit; Traction converter; TCU; Catenary voltage

前言

HXD1型神华号电力机车每节机车有一套完整的网侧电路和电传动系统，主变压器原边通过受电弓、主断路器得电，牵引变流器通过主变压器次边牵引绕组分别向4 个四象限整流器供电，每2个四象限整流器并联输出，共用一个中间直流回路。这个中间直流回路同时向3个电压型PWM 逆变器（2个牵引逆变器和1个辅助逆变器，辅助逆变器集成在主变流柜中）供电，每个牵引逆变器向一个转向架的1台异步牵引电动机供电，实现牵引电机轴控，再生制动过程相反。传动控制单元TCU是牵引变流器的核心控制单元，主要实现机车牵引力、制动力的换算、输出，以及相应的监测、保护等功能。

1 HXD1型神华号大功率交流电力机车主电路结构组成

主电路如图1.1所示按其主要功能和电压等级可分为网侧电路、四象限整流电路、中间直流回路、PWM逆变电路和牵引力电机负载支路等。

2 HXD1型神华号大功率交流电力机车牵引变流器结构组成

HXD1型神华号大功率交流电力机车采用TGA6C型牵引变流器，每台机车配置两台牵引变流器，每台牵引变流器中有两组完全独立的供电单元，每组内含有二组牵引逆变器和一组辅助变流器，其中每组牵引逆变器分别向一个转向架的两台牵引电机供电，实现牵引电机轴控，该控制方式能提高机车牵引力的发挥;牵引时将定频的单相交流电变压、变频后给三相异步牵引电机供电，以满足机车运行的需要;电制动时将牵引电机发出的三相电变换成单相电后通过牵引变压器反馈回接触网;将定频的单相交流電变压、变频后给辅助电路供电;牵引变流器关联关系如图2.1所示。

3 传动控制单元TCU

牵引变流器用于控制牵引变压器和牵引电机之间的能量传输，传动控制单元TCU控制机车输出的功率，进而控制牵引电机以获得所期望的转矩。

每台牵引变流器内都有二个专门的TCU（传动控制单元），采用冗余设计，提高机车的稳定性。TCU的主要功能是完成对机车的牵引/制动特性控制、逻辑控制、故障保护，实现对四象限整流器和牵引逆变器（辅助变流器）及交流异步牵引电机的实时控制、黏着利用控制，以满足机车动力性能、故障运行、救援能力及实现预期的运行速度等。

3.1 TCU主要保护功能

TCU主要保护功能有：电网电压过压、欠压保护;中间直流过压、欠压保护;牵引变压器原边过流、接地保护;IGBT元件故障保护;主回路接地保护;四象限整流器输入过流保护;逆变器、斩波器输出过流保护;电机三相不平衡、缺相保护;变流器模块过热保护;变流器水温过高保护;变流器冷却水压过高、过低保护;接触器卡分、卡合保护;辅变输出过流、过压保护;辅变输出缺相保护。

本文重点对电网电压过压、保护欠压保护、电压波动保护进行重点分析。HXD1型神话号电力机车设计在25KV/50HZ电压制式下运行，最低工作电压为17.5KV，最高工作电压为31KV，当接触网网压低于17KV且时间超过1S，触发欠压保护机车主断断开，牵引封锁，功率发挥为零，当接触网网压高于31.5KV且时间超过1S，触发过压保护机车主断断开，牵引封锁了，功率发挥为零。为保障机车正常运行，也防止弓网彻底被拉低，在网压波动时，机车进行部分功率限制。TCU根据网压的变化换算成相对一个相对稳定的虚拟电压控制机车功率的输出，原边电压大于17.5kV小于19.5kV时，允许发挥的最大功率为（0-84%）*额定功率。

3.2 TCU网压检测原理

以神华十二轴机车为例，当受电弓升起时，A＼B＼C三节TCU通过高压互感器获得网压。配置如图3.1所示。

（1）A/B节机车网压检测

选择升弓的那节机车，CCU给出命令A34_05高电平，闭合该节机车的网压检测中继=21-A10，检测该节机车高压互感器的网压。非升弓节CCU给出A34_05低电平。

（2）C节机车网压检测

如果A节升弓，C节车的CCU给出命令A34_05高电平，闭合C节机车的网压检测中继=21-A10，检测A节机车高压互感器输出的网压;

如果B节升弓，C节车的CCU给出命令A38_05高电平，闭合C节机车的网压检测中继=21-A11，检测B节机车高压互感器输出的网压;

（3）网压由TCU通过MVB传送至CCU并在司机室的HMI上显示。同时，网压/控制电压表=41-P02通过硬线直接读取网压。

4. 故障案例分析

4.1 事件概况：

2021年1月24日5时左右，配属朔黄线HXD1神12-8011机车，运行到贾象至海兴南间过分相后发现机车给流存在卸载现象，IDU和网压机械表显示网压波动异常。

4.2 机车运行状态及数据分析

① 如图4.1、4.2所示，HXD1神12-8011机车B节操作，5：21：56过完分相后，原边电压频繁波动，牵引力存在卸载情况。

② 如图4.3、4.4所示，5：21：56过完分相后，8011机车C节原边电压频繁波动，牵引力存在卸载情况。

③ 如图4.5、4.6所示，5：21：56过完分相后，8011机车A节原边电压频繁波动，牵引力存在卸载情况。

分析A、B、C三节车数据，共6个TCU采集的网压均有波动情况，另外根据司机反馈机械网压表网压示数同样有波动情况，判断为A节高压互感器采集网压异常或网压真实存在异常波动。

4.3原因分析

为了保障机车正常运行，也防止弓网彻底被拉低，因此在网压波动时，机车进行部分功率限制。原边网压低于17.5kV时，允许发挥最大牵功率为0kW;原边电压大于17.5kV小于19.5kV时，允许发挥的最大功率为（0-84%）*额定功率。

分析故障波形可以发现在故障发生时，原边网压约为16.89kV，低于17.5kV，此时允许发挥的最大功率为0，因此会造成牵引力卸载。

5.总结

安全暢通是铁路运输的生命线，而机车是实现铁路运输顺畅的重要载体，随着现代科学技术的进步，机车的使用与运维技术研究水平也不断提升。HXD1型神华号大功率交流电力机车作为朔黄铁路运输中主力机车类型，其功率的有效发挥是重载列车平稳操纵重要因素，

本文从网侧电路的获取、牵引变流器内部的转换、传功控制单元TCU的逻辑控制进行介绍，重点分析了当接触网网压波动时对机车功率的影响，结合案例了解TCU如何监测网压并作出相应的保护。

针对接触网网压波动时机车限制功率的自我保护功能，建议在司机室IDU屏及智能显示屏增加语音提示、故障显示功能，当TCU监测到网压波动时及时语音提示乘务员“网压波动、注意运行”，并在IDU屏及智能总线显示屏上文字提示“网压波动、注意运行”，乘务员根据提示结合司机室网压表网压可准确判断出：“接触网网压有波动，机车本身性能良好”，并根据实际线路情况提前做好操纵预想，实现列车的平稳操纵，保障运输安全。

参考文献

[1] 中车株洲电力机车有限公司.神华八轴大功率交流传动电力机车，2012.

[2] 高永强. "神华号"电力机车关键系统及部件故障诊断专家系统[J]. 控制与信息技术（3）：6.

作者简介：王马俊 男 1990年02月26日 山西省临汾市洪洞县 汉族 助理工程师  研究方向：铁路机务