电力机车牵引变流器接地检测电路优化

姜宋阳，任宝珠，周鹏，李韵楠

(中车大连电力牵引研发中心有限公司，辽宁 大连 116200)

随着国家可持续发展战略的持续推进，我国铁路行业迎来了发展的契机[1]，电力机车逐步成为铁路运输的主力车型。与此同时，电力机车也在不断的地升级优化，其结构越来越复杂，功能越来越强大[2−3]。铁路行业的特点也对电力机车的安全性、稳定性和可靠性提出了更高的要求[4−5]。为了保证电力机车牵引变流器的工作安全性和稳定性，保证司乘人员的作业安全，通常会在电力机车牵引变流器中设置接地检测回路，实现对电力机车牵引变流器接地状态的有效判断[6−10]。在变压器次边同名端接地工况下，曾出现主断闭合后未及时闭合预充电接触器的误操作，使得变压器次边给直流母线中间回路异常充电。此时，牵引变流器并没有开始工作，而主回路中已经存在高压电，影响了牵引变流器的正常工作，并且存在严重的安全隐患。目前，有关电力机车接地检测的分析的多为TCU发脉冲时的常见接地故障[11−13]，发脉冲前的接地故障情况复杂，尚未有文献对其进行深入研究。本文通过对TCU发脉冲前的接地故障进行电路原理分析，发现异常充电的原因，并针对异常充电问题提出了一种接地检测电路的优化方法。经过半实物仿真验证，优化电路能避免在该情况下的异常充电，有效地提高了电力机车的安全性，且该方法安全可靠易于实现。

1 牵引变流器接地故障

1.1 牵引变流器主电路拓扑结构

本文基于某动车组车型的简化拓扑进行异常充电原理分析及接地检测回路优化。该牵引变流器主电路的简化拓扑结构如图1所示，主要包括牵引变压器二次侧、充电回路、四象限整流器、接地检测回路、中间直流回路、牵引逆变器和牵引电机。交流电经牵引变压器二次侧输入到牵引变流器，经四象限整流输出直流电，经中间直流回路后，经牵引逆变器输出频率和幅值均可变的三相交流电，用于驱动异步牵引电机，从而实现对电力机车的走行控制。

图1 某动车组牵引变流器主电路简化拓扑图Fig.1 FAD signals of axle identification

1.2 牵引变流器接地故障分类

牵引变流器接地故障可以分为牵引变压器二次侧同名端接地、牵引变压器二次侧异名端接地、中间直流回路正端接地、中间直流回路负端接地和牵引逆变器输出接地，如图2和表1所示。

表1 牵引变流器接地故障分类Table 1 Traction converter ground fault classification

图2 牵引变流器接地故障点Fig.2 Traction converter ground fault points

1.3 牵引变流器接地检测原理

该牵引变流器的接地检测回路如图1所示，由2个电阻、1个电容和1个电压传感器组成。其中：电阻R1和R2串联，两端分别连接到中间直流回路的两端，R1和R2的中点引出接地点；电容并联在电阻R2两端，抑制共模电压[14]；电压传感器并联在电阻R1两端，采集的电压用于牵引变流器接地状态的判断。

接地检测回路依据接地电阻阻值分为2种方式：等分式接地方式(即电阻R1=R2)和偏置式接地方式(即电阻R1≠R2)。其接地检测原理一致，未发生接地故障时，接地电压Uground见式(1)：

当发生接地故障时，接地装置的接地点与故障接地点形成回路，导致牵引变流器电路拓扑改变，使接地电压产生变化。TCU对接地电压Uground进行检测，通过接地电压的变化情况可以实现对接地故障的判断。

2 接地检测优化电路

2.1 异常充电原因分析

在变压器次边同名端接地工况下，曾出现主断闭合后未及时闭合预充电接触器的误操作，使变压器次边给中间回路异常充电。在此,对现有接地电路在该工况下进行电路原理分析，分析异常充电的原因。

未闭合接触器时的等效电路拓扑如图3所示，其中黑线代表实际使用部分，灰线代表未使用部分。由于TCU未发脉冲，T1，T2，T3和T4管均处于关断状态；由于接触器断开，D1和D2管均处于关断状态。

图3 未闭合接触器时的等效电路拓扑Fig.3 Equivalent circuit topology when the contactor is not closed

1)初始时刻

初始时刻，接地检测回路中的D点、E点和C点电位均为0，接地电压Uground为0。

2)当D3管开通时

当is1＜0或VB＞VD时，D3管开通。此时，D点和E点电位见式(2)和式(3)：

①当VE≤0时

牵引变流器的电流流向如图4所示。箭头①为规定的正方向；箭头②为接地回路电流流向；箭头③为中间电容放电回路1的电流流向；箭头④为中间电容放电回路2的电流流向。

图4 牵引变流器的电流流向Fig.4 Traction converter current flow

如图4所示，当变压器二次侧电压us1变化时，B点电位发生变化，当VB＞VD时，D3管开通。A点与C点同时接地，D3管开通，原牵引变流器拓扑改变，A-B-G-D-C之间形成回路，即图4中箭头②形成的回路。忽略D3管的导通压降时，则VD=VB，从而D点与E点间形成电位差。根据各点电位差，形成中间电容放电回路1，即图4中箭头③形成的回路；形成中间电容放电回路2，即图4中箭头④形成的回路。由于直流母线电压明显低于二次侧电压us1，中间电容放电回路1和放电回路2产生的放电电流较小，使直流母线产生微弱的放电现象。此时，接地电压Uground见式(4)，直流母线充电情况见式(5)和式(6)：

②当VE＞0时

牵引变流器的电流流向如图5所示。箭头①为规定的正方向；箭头②为接地回路电流流向；箭头③为中间电容充电回路的电流流向；箭头④为中间电容放电回路的电流流向。

如图5所示，与VE≤0时原理相似，A-B-G-DC点间形成回路，即图5中箭头②形成的回路。根据各点电位差，形成中间电容充电回路，即图5中箭头③形成的回路；形成中间电容放电回路，即图5中箭头④形成的回路。箭头④形成的中间电容放电回路由直流母线和二次滤波电路构成，其放电效果要小于充电回路对直流母线的影响，所以电流对直流母线产生充电效果。此时，接地电压Uground见式(7)，直流母线充电情况见式(8)和式(9)：

图5 牵引变流器的电流流向Fig.5 Traction converter current flow

3)当D4管开通时

当is1＞0或VE＞VB时，D4管开通。此时E点和D点电位见式(10)和式(11)：

①当VD≤0时

牵引变流器的电流流向如图6所示。箭头①为规定的正方向；箭头②为接地回路电流流向；箭头③为中间电容充电回路的电流流向；箭头④为中间电容放电回路的电流流向。

图6 牵引变流器的电流流向Fig.6 Traction converter current flow

如图6所示，与D3管开通时原理相似，A-C-EB点之间形成回路，即图6中箭头②形成的回路。根据各点电位差，形成中间电容充电回路，即图6中箭头③形成的回路；形成中间电容放电回路，即图6中箭头④形成的回路。与D3管开通时原理相似，放电回路对中间电压的影响小于充电回路的影响，电流对直流母线产生充电效果。此时，接地电压Uground见式(12)，直流母线充电情况见式(13)和式(14)：

②当VD＞0时

牵引变流器的电流流向如图7所示。箭头①为规定的正方向；箭头②为接地回路电流流向；箭头③为中间电容放电回路1的电流流向；箭头④为中间电容放电回路2的电流流向。

如图7所示，与D3管开通时原理相似，A-C-EB点之间形成回路，即图7中箭头②形成的回路。根据各点电位差，形成中间电容放电回路1，即图7中箭头③形成的回路；形成中间电容放电回路2，即图7中箭头④形成的回路。与D3管开通时原理相似，直流母线产生微弱的放电现象。此时，接地电压Uground见式(15)，直流母线充电情况见式(16)和式(17)：

图7 牵引变流器的电流流向Fig.7 Traction converter current flow

综上，在变压器二次侧同名端接地工况下，主电路拓扑改变，使变压器二次侧对直流母线进行异常充电。

2.2 接地检测回路优化

由2.1节可知，由于A点与C点同时接地，变压器二次侧与接地电阻R1和R2构成了回路，使得D3和D4管开通，使D点和E点的电位改变，引发变压器二次侧经过接地检测回路向中间直流回路异常充电。

对此，本文提出一种优化的接地电路，在C点增设接地接触器GC，如图8所示。在充电接触器和主接触器均断开的情况下，接地接触器GC保持断开状态；当充电接触器或主接触器有闭合时，由TCU控制接地接触器GC闭合。

图8 接地回路的优化电路等效拓扑Fig.8 Optimized circuit equivalent topography of the ground loop

当接触器均断开时，接地接触器GC断开，使变压器二次侧与接地电阻R1和R2不能形成回路，从而避免异常充电；当有接触器闭合时，接地接触器GC也闭合，此时的优化电路与原接地回路等效。以文献[15]中的接地检测控制算法为例，无需更改即可实现对接地故障的检测。

3 半实物仿真验证

本文采用基于dSPACE的硬件在环(HIL)半实物仿真方法进行验证。搭建某动车组原牵引变流器模型(采用原接地检测回路模型)和优化牵引变流器模型(采用接地检测优化回路模型)，采用该动车组原接地检测控制算法，基于变压器次边同名端接地工况，进行半实物仿真对比验证。

基于原接地检测回路的中间电压如图9所示。主断闭合后，在a时刻闭合预充电接触器，在b时刻TCU检测出接地故障，并进行保护。由图9可以看出，至a时刻，直流母线异常充电至374 V。

图9 原电路中间电压波形Fig.9 Original circuit intermediate voltage waveform

基于接地优化电路的中间电压如图10所示。主断闭合后，在c时刻闭合预充电接触器，在d时刻TCU检测出接地故障，并进行保护。由图10可以看出，至c时刻，直流母线未发生异常充电；在c时刻，闭合预充电接触器的同时闭合接地接触器GC，使得接地检测优化回路等效于原接地检测回路；在d时刻，通过该动车组原接地检测控制算法检测出接地故障，进行保护。

图10 优化电路中间电压波形Fig.10 Optimized circuit intermediate voltage waveform

接地优化回路能有效地解决在变压器二次侧同名端接地工况下，在主断闭合且接触器未闭合时直流母线异常充电的问题。无需更改TCU，现有接地检测程序就可对优化回路进行接地检测并保护。

4 结论

1)通过深入分析该工况下的接地原理，发现异常充电的原因并提出一种接地检测回路的优化方案。

3)通过dSPACE半实物仿真进行原电路与接地优化电路的对比验证，该接地检测优化电路能够有效地解决异常充电问题，且使用该接地检测优化电路，TCU的接地检测算法无需更改。

4)接地检测优化电路简单易行，使用可靠，解决了现有电力机车的安全隐患，提高了电力机车的安全性和可靠性，具有极高的实用价值。