GE 控制系统（AC）接地保护原理与故障点快速诊断

2022-12-16庞松华

露天采矿技术 2022年6期

庞松华

（国能集团准能公司哈尔乌素露天矿设备维修中心，内蒙古鄂尔多斯 010300）

GE 控制系统（GE320AC，GE240AC）是美国通用电气公司开发的用于矿用电动轮卡车的控制系统。黑岱沟露天煤矿、哈尔乌素露天煤矿、平朔露天煤矿等都大量使用此电控系统的卡车，承担着矿山开采中主要的运输任务，例如MT4400 卡车、小松930E-4、湘电SF33900 卡车。采用交-直-交电传动系统，交流发电机发出三相交流电，经过硅整流器通过三相桥式整流后变成直流电，再经过逆变器，将直流电变成可变频率的三相交流电，以供给各个牵引电机使用。逆变后的三相交流电的频率根据需要是可控制的，这就是目前AC 型矿用车的传动方式[1]。其中直流母线的最高电压可达l 500 V。为防止卡车发电机部分、整流桥、直流母线、电阻栅、电动轮、变频器和电缆由于绝缘损坏导致的短路故障的发生，GE 设计了接地故障检测电路。主要由GRR、GRR9、GRR10、FB173 卡部分组成。

1 主要部件的作用及接地保护电路工作原理

接地保护电路原理图如图1。GRR 和GRR9、GRR10、FB173 卡组成接地故障监测系统，当主回路发生接地故障时，有接地电流流过GRR9 和GRR10电阻，输入到FB173 卡。接地电流足够大时GE 控制系统产生2-1 接地故障代码。2-1 代码禁止产生直流母线电压，卡车失去牵引和动态制动，直流母线电压≥1 000 V 时，接地故障电流报警阈值为641 ma，超过阈值会产生故障代码2-1。卡车在正常运行时有200 ma 以下的接地电流，为正常现象。

图1 接地保护电路原理图

1）GRR（ground rekly resister）接地传送电阻。GRR 安装在电气柜后面散热网孔内，由8 个375 Ω/300 W 电阻分2 组串联构成，串联电阻一端“N2A”接线端由DCP20 电缆连接到直流母线正级上（DC LINK+）；另一端“N2H”接线端由DCN20 电缆连接到直流母线负级（DC LINK-）；中间“N2D”和“N2E”接线端短接。从“N2E”点输出电压信号输出到GRR9和GRR10 上，起到承载接地电压和分压传送信号的作用。若RP2 接触器没有闭合，由于GRR 和FDR 跨接在直流母线上，所以起到了释放电压的作用。

2）GRR9 和GRR10。GRR9 和GRR10 安装位置都在ICP（综合控制盘）电气柜内，分别由50 Ω/100 W 和10 Ω/100 W 的电阻组成，CRR9 电阻的B 点与N2E 端子相连，A 点与CRR10 电阻A 点相连，GRR10 电阻的B 点与卡车车架相连接。起到承载进一步降低传送信号电压的作用，给FB173 卡传输信号。例如直流母线电压为1 000 V，在直流母线上接地，则wPTU GFAULT 为641 mA。

3）FB173 卡。FB173 卡位于ICP 控制盒内，位于6 号卡槽内，是PSC（推进系统控制器）的模拟输入输出卡。FB173 卡的94 针与GRR9 的A 点连接，FB173 卡的96 针与GRR10 的B 点连接，通过这2个针脚的电流来计算接地电流的大小，传输到PSC CPU 卡内，进行检测和故障报警。

2 接地故障点位置快速判断方法

1）通过wPTU Toolbox 软件来判断接地故障位置。wPTU Toolbox 是GE 系统卡车专用的软件，可以进行实时数据的检测和故障的记录等强大的功能。在卡车运行中，通过检测软件内PSC 系统中LINKV（DC Link Voltage）和LINK-POS（DC Link Voltage to Positive Ground）的实时数据可以判断接地故障大概范围[2-3]：①没有接地时LINK-POS 值约为LINKV 的1/2；②LINKV 约等于0 时表示接地点发生在正极直流母线侧，用万用表红黑表笔测量CRR10 电阻的A，B 端，万用表读数（电压）为负，同时系统高压指示灯CCL1 和CCL2 的其中1 个灯珠不亮；③LINKV约等于LINKV-POS 时表示接地点发生在负极直流母线侧，此时不需要对发电机交流部分进行检查，用万用表红黑表笔测量CRR10 电阻的A，B 端，万用表读数（电压）为正，同时系统高压指示灯CCL1 和CCL2 的其中1 个灯珠不亮；④LINKV-POS 信号不断变化时表示接地点发生在发电机交流侧，所以此时不需要对系统内直流部分进行检查。

2）判断电动轮部分接地的方法。卡车有2 个电动轮，分左侧和右侧，每一侧电动轮部分都包含其对应的变频器。首先判断是否变频器或电动轮部分接地，通过驾驶室DID 操作面板分别切除变频器1 或变频器2；在牵引卡车后，检查是否发生2-1 接地故障代码，从而判断是哪一侧的电动轮部分发生接地。若切除两侧变频器后仍然发生2-1 接地故障代码，判断非电动轮部分接地。

3）测试接地故障电路。发动机熄火且释放母线电压后，在GRR9 电阻的B 端施加24 V 电压；测量GRR10 电压；在PSC wPTU 可读到V（GRR10）×100数值为接地测试电流值。对比wPTU GFAULT 数值可以测试FB173 卡的监测功能是否完好。

3 接地故障处理

3.1 交流部分接地故障处理

判断为交流部分接地故障时，可断开整流桥A、B、C 连接线，用工具检查交流部分接地点，检查是否主发内部接地，三相输出电缆是否有磨损。可先对输出电缆拿兆欧表进行测量，如果发现接地再拆主发动机上的接线盒，判断连接电缆还是主发动机本身接地[4]。

测量前，应将兆欧表保持水平位置，左手按住表身，右手摇动兆欧表摇柄，转速约120 r/min，指针应指向无穷大，否则说明兆欧表有故障，摇动兆欧表时，不能用手接触兆欧表的接线柱和被测回路，以防触电。在测量前后，都要对测量的设备进行放电[5]。主发电机与主整流电路图如图2。

图2 主发电机与主整流电路图

3.2 直流接地故障处理

1）判断变频器和电动轮接地时处理方法。需要拆开以下部分电气元件，防止高压损坏电气元件。拆开GND 端子；拆开GRR9 端子连接线；拆除BATFU；拆除CNA 至CNF 插头；拆除GDPC 插头；拆除PS插头；拆除AFSE 插头；拆除VAM1、VAM2、VAM3、VAM4 插头；拆除CCLR1 和CCLR2 插头；跳线跳接正极和负极直流母线，及RP1 和RP2 触头两端。拆开上述部位后，对电器柜内部电动轮输出端子进行兆欧表测量，判断接地的具体位置。然后检查内部电缆和对应的变频器。

2）判断电阻栅及电阻栅风机部分接地时处理方法。通过拆除和摇表检查电阻栅箱电缆来判断是否电阻栅部分接地。拆除电阻栅风机电缆后测量风机是否接地。拆除整流桥正极连扳，或依次逐个拆开直流母线连接电阻栅箱内各接线端子，以EM136 电阻栅电缆为例，需要拆开正极直流母线与RP1、RP2、CM1、CM2 连接端，兆欧表检查接地[6]。

3）判断电气柜内部发生接地时处理方法。若判断控制柜部分发生接地故障，依次拆除电容层压板，摇表检查接地，或拆除整流桥正极或负极母线板VAM3或FDR 连接线，兆欧表判断接地。电器柜内部接地时很少，排除其他所有步骤时再进行判断电气柜内部接地。

4 典型接地故障

4.1 电制动时接地故障报警

卡车工作在电制动模式时，由于惯性的作用带动电动轮转子旋转，转速高于电动轮定子磁场的旋转速度，此时转子鼠笼导条切割定子旋转磁场的磁感应线，在转子中产生旋转磁场，转子吸引（排斥）定子磁场，转子输出与定子方向相反的扭矩，转子起到制动的作用[7]，此时电动轮可以看作是发电机，即将卡车在行驶过程中产生的动能转换为三相交流电，通过逆变器电路将能量逆向整流后消耗在公共直流母线中的制动电阻栅上。制动能量以热量的形式通过风机散热，从而达到减速的目的[8]。

这种故障状态在车辆运行中经常发生，一般是电由阻栅和电阻栅风机接地导致的。电阻栅最容易吸入金属碎片形成1 个接地电阻，首先从电阻栅查起，可利用分别断开4 组电阻栅的办法；水进入电阻栅或电阻栅风机里导致接地。电阻栅风机绝缘电阻值降低，在运行电流大的时候，随之接地电流也会变大，超过一定阈值时会报警，或者由于风机内部换向器故障导致接地[9]。

4.2 牵引状态时偶尔报警

连接电动轮马达电缆有擦破接地现象。这类故障利用分别切除电动轮试车的方法，判断左轮还是右轮，沿着对应线路进行排查，检查是否电缆有破皮部位。如果分别切轮后没有接地故障报警，再进行检查电阻栅的电缆，是否有破损，分别拆除电阻栅片，检查是否有异物、电阻片脱落等原因造成接地现象。

发电机三相绕组及电动轮绕组绝缘值不够，小于1 MΩ，在运行电流大的时候，随之接地电流也会变大，超过一定阈值时会报警。

4.3 在进入READY 自检过程中直接报警

直流母线或主发电机电缆与接地点彻底接死，接地电流值很大，会直接报警。如果在电源电路上没有发现接地，就要检查接地故障探测电路，以确保其正常，接地电流的检测是通过DNB 9 和CNB 23 送进ICP 盘FB173 卡。检查接地故障探测盘电阻值，如GRR 和GRR9 及GRR10。若经检查接地故障探测盘及电路都正常，更换FB173 卡。

5 接地保护环节的维护与检查

接地保护作为控制系统的重要一环，应确保其性能可靠，因此在每半年内，维修人员都应对其进行检查和测试。①卡车熄火，打掩，关闭控制电源；②测量GRR 和GRR9 及GRR10 电阻值是否正确，确认线路之间连接正常有效；③在正极母线与大地之间用测试线连接好；④启动车辆，卡车进入READY 模式；⑤用DID 后屏面板进入恒功测试功能；⑥踩下油门，观测接地电流数值，超过报警阈值后，系统自动退出恒功测试程序，并报警代码2-1；⑦放电，拆除测试线，完成测试。如果不报警或者接地电流值过低，进行故障排除工作。