王遠(yuǎn)霏

(唐山軌道客車有限責(zé)任公司產(chǎn)品技術(shù)研究中心,河北唐山 063035)

高速動(dòng)車組電氣回路絕緣檢測(cè)系統(tǒng)淺析及方案改進(jìn)

王遠(yuǎn)霏

(唐山軌道客車有限責(zé)任公司產(chǎn)品技術(shù)研究中心,河北唐山 063035)

動(dòng)車組在高速運(yùn)行中,由于部件的不穩(wěn)定性、水密性的降低、線纜的發(fā)熱老化等因素,會(huì)造成列車電氣絕緣特性降低,從而導(dǎo)致接地故障的發(fā)生,給列車的正常運(yùn)行帶來(lái)極大的影響,嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生列車運(yùn)行失效和部件損毀等故障。因此,為了避免類似故障的發(fā)生,需要對(duì)列車的電氣回路絕緣特性進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè),并根據(jù)絕緣惡化情況做出相應(yīng)的診斷和保護(hù)。本文將以CRH3型高速動(dòng)車組為例,系統(tǒng)闡述影響列車安全運(yùn)行的電氣回路絕緣檢測(cè)系統(tǒng)原理和工作方式,對(duì)其保護(hù)限值進(jìn)行推導(dǎo)分析,對(duì)牽引變流器中間直流接地檢測(cè)系統(tǒng)提出優(yōu)化改進(jìn)方案。

高速動(dòng)車組 絕緣檢測(cè) 接地故障 運(yùn)行失效

1 CRH3型動(dòng)車組電氣回路概述

1.1 高壓供電回路

CRH3型動(dòng)車組采用單相25kV 50Hz交流供電,整個(gè)電路通過(guò)受電弓、真空斷路器、牽引變壓器、輪對(duì)、軌道與變電站形成供電環(huán)路;同時(shí),電壓經(jīng)過(guò)牽引變壓器二次側(cè)繞組接入牽引變流器中,經(jīng)過(guò)四象限整流形成中間直流環(huán)節(jié)電壓,最后經(jīng)脈寬調(diào)制逆變后提供給牽引電機(jī)。整個(gè)高壓供電回路如圖1所示。

動(dòng)車組高壓供電回路涉及到列車的安全運(yùn)行。當(dāng)如圖1所示牽引變壓器出現(xiàn)高壓線纜絕緣老化、變壓器油變質(zhì)等現(xiàn)象時(shí),會(huì)導(dǎo)致牽引變壓器發(fā)生漏電接地故障,故障的發(fā)生會(huì)使得列車牽引丟失、主斷斷開,嚴(yán)重的話會(huì)出現(xiàn)列車停運(yùn)等事故的發(fā)生。因此,CRH3型動(dòng)車組在牽引變壓器處設(shè)置了高壓交流絕緣檢測(cè)電路。

同樣,為保證牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)工作正常,防止由于接地故障帶來(lái)的牽引丟失,在牽引變流器處設(shè)置了中間直流接地檢測(cè)電路。

1.2 中低壓供電回路

CRH3型動(dòng)車組供電電源到牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)后,通過(guò)電路分支連接至輔助電流器,同樣經(jīng)整流、逆變后輸出3AC440V交流輔助供電電源,供440V用電設(shè)備使用,如冷卻風(fēng)扇、空調(diào)等;同時(shí),440V交流供電經(jīng)充電機(jī)降壓、整流后輸出DC110V直流電源,供110V負(fù)載作用,如控制單元。整個(gè)中低壓供電回路如圖2所示。

中低壓供電負(fù)載涉及列車的功能、控制等因素,如果出現(xiàn)由于絕緣降低所帶來(lái)的接地故障,會(huì)引起列車部分功能的喪失,控制系統(tǒng)指令無(wú)法無(wú)法正常傳送,嚴(yán)重的話也會(huì)導(dǎo)致列車停運(yùn)。因此,CRH3型動(dòng)車組分別設(shè)置了3AC440V交流接地檢測(cè)電路和DC110V直流接地檢測(cè)電路。

2 絕緣檢測(cè)系統(tǒng)原理

2.1 高壓交流絕緣檢測(cè)

高壓交流絕緣檢測(cè)原理如下圖3所示。通過(guò)電流互感器=10-T03采集牽引變壓器電流,電流互感器=10-T05采集牽引變壓器接地電流。采集到的電流經(jīng)過(guò)濾波處理送入加法器,控制單元硬件通過(guò)控制位“SUM1”對(duì)加法器進(jìn)行設(shè)置,此時(shí)將SUM1設(shè)為1,即表示變壓器電流與接地電流進(jìn)行減法運(yùn)算。差值經(jīng)過(guò)VGL3環(huán)節(jié)對(duì)差值進(jìn)行絕對(duì)值運(yùn)算,將此差值通過(guò)quot;Tgl3quot;把變壓器電流與接地電流的差值進(jìn)行整形修正,然后此值被輸入到比較器GW3,比較器的比較值可通過(guò)控制單元進(jìn)行設(shè)置,并作為其參考限值使用。

高壓交流絕緣檢測(cè)電路有以下3種限值設(shè)置和保護(hù)情況：

(1)當(dāng)主斷路器已經(jīng)閉合,此時(shí)控制單元將差值的比較限值GW3設(shè)置為106A,當(dāng)變壓器電流與接地電流的差值的絕對(duì)值大于106A時(shí),硬件信號(hào)FGW馬上觸發(fā)加法器,使得“ON1”信號(hào)為0,從而斷開主斷路器;

(2)主斷閉合過(guò)程中,此時(shí)控制單元立即設(shè)置GW3=200A,若檢測(cè)到變壓器電流與接地電流的差值絕對(duì)值大于200A時(shí),主斷路器斷開信號(hào)立即觸發(fā);

(3)主斷路器未閉合時(shí),控制單元設(shè)置GW3=500A,此時(shí)若檢測(cè)到差值絕對(duì)值大于此限值,則主斷路器斷開信號(hào)立即被觸發(fā)。

2.2 牽引變流器中間直流接地檢測(cè)

中間直流環(huán)節(jié)接地檢測(cè)系統(tǒng)由分壓電阻器、濾波電容器、電壓傳感器以及評(píng)估用差動(dòng)放大器構(gòu)成。如圖4所示,中間直流環(huán)節(jié)通過(guò)高電阻值的電阻R21和R22串聯(lián)進(jìn)行分壓。電阻分壓后經(jīng)過(guò)C71的濾波電容后進(jìn)入電壓傳感器U33對(duì)接地電壓進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí),當(dāng)變流器由于不正常停止運(yùn)行或常用的放電造成不工作時(shí),此接地檢測(cè)電阻充當(dāng)在限定時(shí)間給中間環(huán)節(jié)電容放電的任務(wù)。接地檢測(cè)系統(tǒng)的連續(xù)放電電阻阻值分別為 102KΩ和 34KΩ,阻值之比為4：1。因此接地正常值計(jì)算如下式所示：

式中,UE表示牽引控制單元監(jiān)控的接地電壓值;UDC表示直流環(huán)節(jié)電壓值。

列車正常運(yùn)行時(shí),牽引控制單元檢測(cè)的電壓互感器U33的值應(yīng)為中間直流電壓的 25%,考慮由于在不同的工作條件下參數(shù)的改變,以及主回路絕緣特性的下降帶來(lái)的公差,比較器上限值設(shè)置為32.5%,下限值設(shè)為17.5%。當(dāng)牽引控制單元檢測(cè)接地值超過(guò)上限時(shí)或低于下限值時(shí),則檢測(cè)到接地故障。從圖4看出,當(dāng)直流環(huán)節(jié)正接地時(shí),接地理論值為100%;當(dāng)直流環(huán)節(jié)負(fù)接地時(shí),接地理論值為0%。

2.3 交流440V接地檢測(cè)

列車交流440V接地檢測(cè)系統(tǒng)原理如下圖5所示。接地值的計(jì)算過(guò)程如下：

在交流檢測(cè)系統(tǒng)中,檢測(cè)電阻阻值通常有以下關(guān)系：

式(4)代入式(3)可得

接地檢測(cè)值為

圖1 高壓供電回路示意圖

圖2 中低壓供電回路示意圖

式中,Ue表示相電壓。

當(dāng)三相電壓平衡時(shí),接地檢測(cè)值為0%;當(dāng)發(fā)生缺相、單相接地、兩相接地、相間短路時(shí),接地檢測(cè)值將遠(yuǎn)大于0%。

2.4 直流110V接地檢測(cè)

列車直流110V接地檢測(cè)系統(tǒng)原理如圖6所示。與牽引變流器中間直流接地檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)原理基本相同,唯一不同在于中間點(diǎn)的接地處理。圖4所示分壓?jiǎn)卧谥虚g點(diǎn)直接接地,而圖6接地分壓?jiǎn)卧ㄟ^(guò)接地電阻接地。

接地值計(jì)算過(guò)程如下：

根據(jù)基爾霍夫電流定律,有

得出

令直流110V接地單元接地測(cè)量電阻R1=R2=R3,U0V=0V,因此可得車輛正常運(yùn)行時(shí)接地值為 μ=50%;當(dāng)發(fā)生正接地時(shí),接地理論值為 μ =33.3%;當(dāng)發(fā)生負(fù)接地時(shí),接地理論值為 μ =66.7%。

3 牽引變流器中間直流接地系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)方案

圖3 高壓交流絕緣檢測(cè)電路原理圖

圖4 牽引變流器中間直流接地檢測(cè)原理圖

圖5 交流440V接地檢測(cè)原理圖

圖6 列車直流110V接地檢測(cè)原理圖

CRH3型高速動(dòng)車組的直流110V接地檢測(cè)和交流440V接地檢測(cè)系統(tǒng)都能起到保護(hù)設(shè)備和車輛的作用,當(dāng)發(fā)生此類接地故障時(shí),列車控制單元將行使負(fù)載管理功能,按重要性順序切除負(fù)載;而對(duì)于高壓交流接地檢測(cè)而言,其通過(guò)比較變壓器電流和接地電流的值來(lái)實(shí)現(xiàn),當(dāng)變壓器或其他高壓設(shè)備接地時(shí),變壓器電流和接地電流將不相等,當(dāng)差值大于20A時(shí),控制單元啟動(dòng)軟件保護(hù)鎖閉牽引單元;當(dāng)差值大于106A時(shí),控制單元直接啟動(dòng)硬件保護(hù),以更快的速度鎖閉高壓牽引單元,斷開主斷路器。因此,上述三類絕緣檢測(cè)系統(tǒng)起到了很好的保護(hù)效果。

在動(dòng)車組高速運(yùn)行時(shí),曾經(jīng)出現(xiàn)牽引變流器報(bào)中間直流環(huán)節(jié)接地,但是在列車靜止?fàn)顩r下卻沒有檢測(cè)到接地故障的發(fā)生,此類“誤報(bào)”情況發(fā)生次數(shù)較多,對(duì)列車運(yùn)行造成了一定的影響,因此有必要對(duì)牽引變流器中間直流接檢測(cè)方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

圖7 牽引變流器接地故障等效電路與監(jiān)測(cè)

列車高速運(yùn)行時(shí),由于牽引變流器直流環(huán)節(jié)電壓等級(jí)相對(duì)較高,當(dāng)外界環(huán)境濕度較高時(shí),中間直流環(huán)節(jié)的負(fù)極接地值惡化,此時(shí)相當(dāng)于在地與中間直流環(huán)節(jié)負(fù)極之間串聯(lián)了等效電阻,如圖7所示。

此時(shí),接地檢測(cè)值 μ將減少,當(dāng) 17.5%μ＜ 時(shí)高壓系統(tǒng)發(fā)生接地保護(hù),使高壓系統(tǒng)鎖閉。但是當(dāng)車輛靜態(tài)停車時(shí),中間直流環(huán)節(jié)負(fù)極絕緣惡化情況有所改善,從而接地故障消失,接地值恢復(fù)至正常范圍以內(nèi),就出現(xiàn)了所謂“誤報(bào)”情況。為了避免類似的故障,不影響正常的行車,經(jīng)過(guò)運(yùn)行試驗(yàn)及跟蹤,發(fā)現(xiàn)將接地下限值改為5%是較為合理的,這樣可大大降低列車高速運(yùn)行時(shí)由于中間直流環(huán)節(jié)負(fù)極絕緣惡化情況所帶來(lái)的接地故障的“誤報(bào)”。

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先從高壓供電及中低壓供電兩方面,對(duì)CRH3型動(dòng)車組電氣回路的工作方式以及回路中設(shè)置的絕緣檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了概述,隨后,對(duì)四類絕緣檢測(cè)系統(tǒng)——高壓交流絕緣檢測(cè)、牽引變流器中間直流接地檢測(cè)、交流440V接地檢測(cè)和直流110V接地檢測(cè)系統(tǒng)的原理進(jìn)行了詳細(xì)的理論推導(dǎo)和系統(tǒng)分析;針對(duì)牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)接地故障的“誤報(bào)”給列車正常運(yùn)行的所帶來(lái)的不良影響,提出了優(yōu)化改進(jìn)方案,經(jīng)過(guò)驗(yàn)證,在對(duì)牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)接地下限值進(jìn)行優(yōu)化后,中間直流接地故障的“誤報(bào)”情況得到了明顯的改善,保證了列車的穩(wěn)定運(yùn)行。

王遠(yuǎn)霏,男,1979年8月,漢,河北省唐山市路北區(qū),碩士研究生,工程師,現(xiàn)任唐山軌道客車有限責(zé)任公司產(chǎn)品技術(shù)研究中心業(yè)務(wù)經(jīng)理,研究方面為動(dòng)車組電氣與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方向。