（电力电子与电力传动专业论文）电力机车智能无源接地检测装置的研制(1).pdf

它因素影响较大，接地故障较难判断的问题。文中结合在机车上 实测的各回路接地故障波形，对判断算法和实际情况进行了讨论。 该接地检测装置采用基于m o t o r o l a 公司1 6 位m c u 的控 制电路，论文中介绍了该装置的检测方法和工作原理，并详细给 出了系统的软硬件设计和整体结构设计。研制出的样品在韶7 e 模块化电力机车上实现了试验装车，运行情况平稳可靠。 论文同时提出了该装置存在的一些需要改进的问题，并提出 了进一步优化和发展的思路， 关键词：接地故障，电力机车，快速傅立叶变换，检测 装置 d e v e l o p m e n t0 fi n t e l l i g e n t l l ! f s s i v eg r o u n d i n ge a u l t d e t e c t i o n d e v i c ef o re l e c t i u cl o c o m 0 7 n v e a b s t r a c t w i t ht h ef u r t h e ri n c r e a s e d s p e e do f e l e c t r i cl o c o m o t i v ea n d d e v e l o p m e n to fh i g h - s p e e dt r a i n ，i tr e q u i r e s t h a te a c he l e c t r i c a l c i r c u i to fe l e c t r i cl o c o m o t i v eo p e r a t es a f e l ya n dr e l i a b l y w h e nt h e n u m b e r so fg r o u n d i n gf a u l tw h i c ho c c u ri nae l e c t r i c a lc i r c u i to f e l e c t t i cl o c o m o t i v ea r em o r et h a nt w o t h el o c o m o t i v ew i l lo o e r a t e a b n o r m a l l y a n d g ow r o n g t h e r e f o r e ，r e l i a b l eg r o u n d i n g f a u l t d e t e c t i o nd e v i c em u s tb ei n s t a l l e di n e v e r ye l e c t r i c a l c i r c u i to f e l e c t r i cl o c o m o t i v e t h i st h e s i si st h ee x p a n s i o no ft h en a t i o n a l8 6 3k e yp r o i e c t e n t i t l e d “e l e c t r i cv e h i c l ei n s u l a t i o n s a f e t y ”an e wi n t e l l i g e n t p a s s i v eg r o u n d i n gf a u l td e t e c t i o nd e v i c ef o re l e c t r i cl o c o m o t i v ei s i n t r o d u c e d ，i tc a nb ea p p l i e dt oe v e r ye l e c t r i c a lc i r c u i to fe l e c t r i c l o c o m o t i v ew o r k i n ga sas u b s t i t u t ef o rt h eg r o u n d i n gr e l a ya l r e a d y i n s t a l l e do ne l e c t r i cl o c o m o t i v e a n dd e t e c t st h eg r o u n d i n gf a u l to f e a c he l e c t f i c a lc i r c u i tr e a lt i m e t h j sd e v i c e d o n th a v et h e d i s a d v a n t a g e ss u c ha sb a dr e l i a b i l i t y , h e a v yl o a do nr e p a i r m a nw h i c h t h eg r o u n d i n gr e l a yu s e dt oh a v e i ta d o p t st h em e t h o do fp a s s i v e d e t e c t i o n ，a n dr e a l i z e st h ee l e c t r i c a li s o l a t i o na m o n gm a i nc i r c u i t ， a u x i l i a r yc i r c u i ta n dc o n t r o l c i r c u i t t h u sr e d u c e se m lw h i c ht h e c o n t r o lc i r c u i ts u f f e r sa n d i m p r o v e s e l e c t r i c a l1 e v e lo fe l e c t r i c l o c o m o t i v ea n dr e d u c ew o r k e r sl o a da n dt h er a i l w a yr u n n i n gc o s t t h i st h e s i si sb a s e do nt h ef a c t so fe l e c t r i cl o c o m o t i v e ，a n d i n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r k i n gm o d eo fe v e r ye l e c t r i c a i c i r c u i t a c c o r d i n g t od i f f e r e n t c i r c u i t s ，t h i s t h e s i se s t a b l i s h e d s i m u l a t i o nm o d e lf o rt h e o r e t i c a l a n a l y s i s i t c a ns i m u l a t ed i f f e r e n t g r o u n d i n gf a u l tw a v e sa n dc o n c l u d et h ec o r r e s p o n d i n gg r o u n d i n g f a u l t j u d g m e n ta l g o r i t h m s t h i st h e s i s f o c u s e so nm a i nc i r c u i t g r o u n d i n gf a u l tj u d g m e n ta l g o r i t h m s ，a d o p t sd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s t e c h n i q u e ，m a k e s u s eo ff f tt oc o n v e r tt h es a m p l e d v o l t a g es i g n a lt o f r e q u e n c ys i g n a l f o r g r o u n d i n g f a u l t j u d g m e n t ，t h u se f f e c t i v e l y s o l v e dt h ep r o b l e m ss u c ha sd i f f i c u l tt oj u d g et h e g r o u n d i n gf a u l t e x i s ti nt h em a i nc i r c u i t t h ec o n t r o ls y s t e mo ft h en e w g r o u n d i n gf a u l td e t e c t i o nd e v i c e i sb a s e do n1 6b i t sm c uo fm o t o r o l a t h ed e t e c t i o nm e t h o da n d o p e r a t i o nt h e o r y i si n t r o d u c e di nt h e s i s i ta l s oj n t r o d u c e st h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g na n dw h o l es t m c t u r ed e s i g ni nd e t a i l s ， a n dt h es a m p l e sh a v ea l r e a d yi n s t a l l e do ns s 7 ee l e c t r i cl o c o m o t i v e ， t h er u n n i n gr e s u l ts h o w si tc a nb e p u ti n t ou s es a f e l ya n d r e l i a b l e k e y w o r d s ：g r o u n d i n gf a u l t ，e l e c t r i cl o c o m o t i v e ，f 飓 d e t e c t i o nd e v i c e 北京交通人学硕士学位论文 第一章绪论 本论文提出并讨论了一种新型的电力机车智能无源接地检测 装置，是国家8 6 3 项目“电动汽车重大专项车载绝缘检测系统” 的进一步开发和成果产业化。该装置分别安装于电力机车主电路、 辅助电路和控制电路，实时的检测上述电路对地的电气绝缘情况。 该装置能够完全取代机车现有的接地继电器，进一步提高铁路系 统电气化水平，降低铁路运营成本，为铁道部提出的用“状态修” 取代“定期修”发展要求做出一些贡献。 1 1 选题背景 从第一条营业铁路上海吴淞铁路1 8 7 6 年通车之时 算起，中国铁路迄今已有了1 2 8 年的历史。在这百余年间，中国 铁路事业经历了由d , n 大、由少到多和由弱交强的渐进过程，特 别2 0 世纪7 0 年代末开始，中国铁路进入改革开放新时期，在新 的路线、方针、政策指引下，铁路事业推陈出新，突飞猛进。目 前，铁路运输已经成为国民经济的重要组成部分。在全路五次大 提速之后，铁路运输以其方便、快捷、安全的特点，成为人们出 行的首选。 随着现代铁路运输的进一步提速和高速列车的发展，要求电 力机车的各供电电路能更加安全可靠的运行，电力机车的供电电 路主要由三部分组成：主电路、辅助电路和控制电路。其中，主 电路是核心部分，它决定了机车的主要性能；辅助电路是保证主 北京交通大学硕上学位论文 电路正常运行的必备环节；控制电路实现了对主、辅电路的控制。 因此，保证机车各供电电路的正常工作，是保证机车可靠运行的 前提，这样就需要各个电路都有安全可靠的保护电路。常见的保 护电路有：过电压、过电流、接地保护等，其中接地保护电路在 保障机车安全运行中占有非常重要的地位。 图卜1 主电路结构图 f i g u r e 1 - 1t h es t r u c t u r eo fm a i nc i r c u i t 电力机车电路由于电气设备或导电线的绝缘损坏将会造成接 地故障。导电体直接与车体钢结构接触或绝缘性能不能再恢复， 视为“死接地”；导电体通过空气对地闪络放电或通过绝缘物表面 对地闪络放电，视为“活接地”。机车电路发生一点接地，对其正 常工作没有太大的影响，但不f 常接地故障出现两点或两点以上， 则会造成机车电路无法正常工作，严重时，会造成机车电路及器 2 北京交通大学硕士学位论文 件的烧损。下面以机车的主电路为例来分析电路发生接地故障造 成的影响，图1 1 为典型的相控机车主电路简图，其中，图中a f 各点中某一点发生接地时，由于电路本身是悬浮的，不具有接 地点，所以一点接地不构成回路，因此对电路的运行没有太多的 影响。但当两点或多点接地时，如e 、f 两点接地，则将励磁绕组 短接，从而造成电机飞转，损坏电机；c 、d 两点接地，则将平波 电抗器短接，从而使电流脉动增大，进而损坏电机；a 、c 两点接 地，则会短接可控硅，从而使主电路失去控制；a 、b ，d 、e 等两 点接地，则会造成短路过流。对于其它机车电路，接地故障发生 两点或两点以上，均存在同样的类似问题。 1 2 现有技术概况 目前主、辅电路采用的接地故障检测装置均为接地继电器， 检测方案为电流检测方案即当发生接地故障时，检测回路通过一 定的电流，经过电阻分压，使接地继电器原边承受的电压大于 1 8 v ，接地继电器动作，完成接地检测和保护动作。 下面主要针对韶山1 型( 下面简称s s l 型) 电力机车主电路 的有源接地检测电路进行分析，其它车型的主电路和辅助电路的 情况类似，检测电路如图卜2 所示。接地继电器的代号为8 8 ，它 具有两个线圈，一个为主动作线圈与主电路连接，其绝缘按高压 考虑( 1 5 0 0 v ) 。另一个线圈为接地信号恢复用辅线圈，短时加直流 电压1 i o v 。除动作线圈外，其它部分均为低压部分。动作线圈动 作电压为1 8 v 5 ，线圈电阻1 2 0q ，相应动作电流为1 5 0 m a 5 ， 线圈匝数为4 0 0 0 ，线径0 2 9 m m ，继电器动作线圈电感实测值约 北京交通大学硕士学位论文 0 9 到1 h ，线圈电感对限制接地电流的交流分量具有一定作用， 而继电器动作主要取决于接地电流的直流分量。 k l 一一一一一一一一一一一一 n ， 图卜2s s l 机车牵引工况接地检测 f i g u r e1 - 2g r o u n d i n g f a u l td e t e c t i o ni nt r a c t i o no p e r a t i o n 接地继电器与主电路连接时，要注意选择合适的接地点，其 选择原则是：1 ) 使主电路的对地电位尽量降低；2 ) 使接地保护 的有效范围最宽，“死区”最小；3 ) 适当照顾主电路绝缘的薄弱 环节。 下面按不同工况对接地点进行分析： l 、牵引工况 图卜2 为s s l 型电力机车牵引工况接地保护系统电路图( 图 中虚线为通过接地继电器的接地电流) 。由图可见，接地继电器 4 北京交通大学硕士学位论文 8 8 的动作线圈两端与电阻r 。并联，然后一侧串联电阻r 。，另一端 与机车后备电源蓄电池( 1 l o v ) 正极相连，经蓄电池后接地。接 地点选择在主电路直流侧牵引电动机附加极h ：端和平波电抗器之 间的n 。点，即负极端。选择n 。点接地是考虑到调压整流电路平时 各点电位均衡。另一方面考虑到蓄电池负极接地，当机车主电路 某点有接地故障时，使接地电流的方向( 图卜2 中的i 。) 与蓄电 池直流电势方向一致。图中假定n 。点有接地故障，其接地点g 与 蓄电池接地点g 通过车体成为同一等电位点，于是接地继电器支 路n 。一g 与牵引电机并联，接地电流i 。成为整流输出的很小一部 分，如图二所示。加在支路n 。一n 3 。之问的电压为牵引电机电压 u 。和蓄电池电压u 。之和，即u 。+ u 。由于此电压很高，串联电阻r 5 能起一点降压作用。从降压作用看，希望r s 大一些，但要考虑n 。 点接地故障时，在控制电压为最低值7 7 v 时，加在8 8 动作线圈上 的电压能够达到1 8 v 的动作电压。本电路取r 5 为3 0 0 q ，r e 为5 0 0 q ，设计值为1 2 0 q ，支路总电阻为3 9 7 q ，当u 为7 7 v 时， 求得 0 1 u 8 82 翥胛7 = 1 8 - 8 v 1 8 v ( 1 。1 ) 可见，在最低控制电压下，虬点接地时，接地继电器8 8 仍能 动作，故可以认为该接地保护电路是无“死区”的。 在点接地故障时，相当于接地继电器支路与平波电抗器并 联，由于平波电抗器两端的电压接近于全波整流后的交流分量， 而t j j 。型主电路接地继电器电磁系统是按直流设计的，为避免由 于交流磁通引起继电器不必要的抖动，在8 8 线圈上并联电阻 r 。( 5 0 0 q ) 。8 8 线圈电感l 实测约0 9 到1 h 。平波电抗器中的交 5 北京交通大学硕士学位论文 流成分主要是l o o h z 分量，8 8 线圈电抗 x 8 8 = 2 班；2 x x l o o x ( 0 9 1 ) = 5 6 5 6 2 8 ( q ) ( 1 2 ) 即大部分交流分量将从分流电阻r 。中通过。 当二次侧各点，如a 。、x 等发生接地故障时，加于接地支路 间的电压为半波整流电压，其波形和数值与级位及负载电流有关。 在未发生接地故障前，n 。点处于低电位，而n 。点对地电位等 于电机端压加上u 。，因而处于高电位( u 。+ u 。) 。在接地故障发生的 一瞬间，接地点电位变为0 ，使n ，或n 。点对地电位发生变化。 试以n ，点接地为例，计算加于8 8 线圈上的电压，设牵引电 动机端压u 。= 1 6 0 0 v ，则 u “u t ，麓( r s + 裟， = 0 6 0 0 + 1 1 0 ) 曼壁竺；兰兰旦( 3 0 0 5 0 01 2 0 + 兰5 0 旦0 q - i 塑1 2 0 ) 7 + 7 ：1 7 1 0 0 2 4 3 9 = 4 1 7 v ( 1 3 ) 式中0 2 4 3 9 为接地支路的分压比，4 1 7 v 为动作线圈动作电 压1 8 v 的2 3 2 倍，继电器会瞬时动作，进行接地故障报警。 由分析可知，主电路有关点接地后，接地点的对地平均电位 为负值或为0 ，故与蓄电池电压u 。总是叠加关系，总能保证接地 继电器8 8 动作。 6 北京交通大学硕上学位论文 g b t j i $ 0 v 图1 3 电阻制动工况接地检测 f i g u r e1 - 3g r o u n d i n g f a u l td e t e c t i o ni nb r a k i n g o p e r a t i o n 2 、电阻制动工况 当机车在电阻制动工况时，接地保护系统电路如图卜3 所示。 该系统的第一个特点是：蓄电池电压u 。、励磁电源电压u 。和牵引 电动机电势e d 的方向与接地电流i 。的方向始终相同，因而加在8 8 线圈上的接地电压为上述三种电势叠加后再乘以分压比。如图三 所示，当电机m 。的h ：，点发生接地时 u j g 曩( u t + u l + e d l ) x o 2 4 3 9 ( 1 4 ) 该系统的第二个特点是牵引电动机在正常情况下，附加极端 ， 北京交通大学硕士学位论文 处于高电位，主极端处于低电位，正好与牵引工况相反。 制动工况下主电路接地时，接地继电器8 8 动作后励磁回路交 流侧电空接触器8 4 打开，同时跳开主断路器，切除励磁电源，同 时给出接地故障信号。 这种传统的广泛使用的有源接地检测方式，从系统的角度说， 具有以下不足之处： 1 、存在安全隐患： 由于接地检测回路的存在，使主电路、辅助电路对控制电路 之间通过5 0 0q 电阻连接在一起，没有实现三大电路之间的隔离， 这样对低压电路的安全运行存在很大的隐患。如果三大电路之问 的绝缘降低，则会将高压电路的高电压加在低压电路，严重时可 能造成“放炮”故障，对低压回路造成不可估量的影响。 2 、电磁兼容性差： 由于控制回路1 1 0 v 负极被迫接到机车外壳上，即和电网 2 5 k v 共地，导致电网以及主回路晶闸管导通关断带来的干扰直接 窜入控制电路，致使车上其它电控设备在设计时不得不增加额外 的滤波措施来减少干扰，尤其是当机车上电控设备越来越多的情 况下，由于控制回路和主回路共地引起的干扰已经成为电控设备 可靠性的瓶颈。 3 、可靠性差 继电器在接地电流大于9 0 m a 才能可靠动作，因此接地电阻 较小，由于主电路电压变化范围很宽，当系统存在过电压时，很 容易造成误动作。而当电压很低时，又很容易出现误报，同时由 于机车运行时震动较大，检测继电器可能发生触点误跳开，造成 误报警。 b 北京交通大学硕+ 学位论文 4 、维修工作量大 检测接地至少包括了接地继电器、限流电阻、继电器的吸收 电路等，电路结构复杂、体积较大，尤其是继电器带有机械触点， 需要定期进行检测，导致维修工作量增加。 1 3 论文的主要内容 论文针对电力机车智能无源接地检测装罱进行分析和研制， 主要研究了以下几个关键的技术问题： 1 、针对不同电气回路的检测原理讨论及其仿真； 2 、对于机车主电路接地检测的难点加以分析解决； 3 、整个接地检测系统的实现； 论文在总体上分为三个部分： 1 、系统的整体描述。该部分包括第一章，介绍了该系统的应用背 景和现状，以及本论文的主要内容。 2 、系统的仿真和方案讨论。该部分包括第二章和第三章，介绍了 该系统的基本原理、方案比较，并讨论了系统应用在不同电气 回路中的仿真和检测方案，特别是针对主电路的检测难点进行 了详细的分析讨论。 3 、系统的实现和总结。该部分包括第四、五、六章，介绍了该系 统的软硬件设计和设计中采取的一些抗干扰措施，并给出了整 个系统全面的回顾与总结，指出了现存的问题和改进思路。 电力机车智能无源接地检测装嚣在研制的过程中，完全按照 铁路现场的设计要求加以完成的，并实现了装车，整个论文f 是 对该浚装置的全面客观的总结。 9 北京交通人学硕士学位论文 第二章系统的基本介绍 从本章开始，在没有特别说明的地方，均以韶山7 e 型电力机 车为例介绍智能无源接地检测装置。韶山7 e 型电力机车是根据客 运提速需要，在中国北方机车车辆工业集团公司领导的大同机车 厂、大连机车车辆厂、研发中心共同设计的最设速度1 7 0 k m h 干 线客运电力机车，是铁路第五次大提速主力车型之一。 2 1 电力机车各电气回路介绍 韶山7 e 型电力机车上各种电气设备按其功能、作用和电压等 级，可分别组成几个独立的电路系统，即主电路、辅助电路和控 制电路，控制电路又可分为有触点控制电路与无触点控制电路。 三个电路通过电一磁、电一空、电一机城联系起来，对机车进行控制。 2 1 1 主电路 主电路主要由高电压、大功率电器部件及附属测量、保护部 件组成，完成电能与机械能之间的相互转换，产生牵引力和制动 力，按功能及电压等级可划分为：网侧( 2 5 k v ) 电路、整流调压 电路、牵引电路、电阻制动电路、测量电路和保护电路几部分， 下面仅简要介绍与接地检测系统相关的部分，其它部分略去。 北京交通大学硕士学位论文 呸蝗盟挚墼麓丘i 豇 骚 卜日 _ 一a 1 8 墟盘 。兰趟 o b i 啦 - r 圯 斟2 - i 王电硌网侧( 2 5 k v ) 高压电路 f i g u r e2 - 1t h eh i g hv o l t a g ec i r c u i t ( 2 5 k v ) o f m a i nc i r c u i t 网侧( 2 5 k v ) 高压电路如图2 一l 所示，单相工频2 5 k v 交流电 由接触网经机车受电弓a l 或a 2 引入机车。网侧电流途径是：接 触网一受电弓a l ( a 2 ) 一受电弓隔离开关w 1 ( w 2 ) 一主断路器q f l 一 主变压器网侧绕组a x 一车体一车体与转向架间软连线一车轴接 地装置e b l e b 6 一轮对一钢轨。电流流经主变压器网侧绕组，在 变压器副边产生机车牵引电压；主断路器q f l 除接通和开断机车 的总电源外，当主电路发生短路、过流、接地等故障时，起最后 级保护作用。 为实现转向架独立控制方式、每节车采用两套独立的整流调 压电路，分别向相应的转向架供电。主变压器二次侧有a 卜b 卜x l 、 a 2 _ b 2 一x 2 、a 3 一x 3 、a 4 一x 4 四段牵引绕组，每段空载电压为6 7 5 6 v ； 有a 5 一x 5 、a 6 一x 6 两段励磁绕组，每段空载电压为1 6 8 9 v 。 北京交通人学硕上学位论文 a 卜b 卜x 1 、a 3 一x 3 、a 5 一x 5 为一组，向i 端主整流器u l l 、u 1 2 、 j 1 3 提供交流电源，经整流并调压后向前半台车的3 台牵引电动机 m i m 3 的电枢及他励绕组供电；而后半台车的m 4 m 6 电机供电 电路同前半台车完全相同。图2 2 为i 端转向架整流调压的简化 电路，现以前半台车为例，说明整流调压的工作原理。 1 r 】 f 己1 图2 - 2 主电路整流调压电路 f i g u r e2 - 2 t h er e c t i f i e ro fm a i nc i r c u i t 1 2 北京交通人学硕士学位论文 整流调压的顺序是：首先开放半控桥u 1 2 。牵引工况时，通 过对晶闸管v 9 、v l o 触发角相位的调节控制，使整流输出电压从 0 升至i 2 u d ( u d 为总整流电压) ，此后保持两个晶闸管( v 9 、v l o ) 满开放。在此期间u 1 1 的两个整流管臂v 1 、v 2 呈续流工作状态。 当半控桥满开放后，交替使晶闸管v 3 、v 4 触发导通，通过调节其 晶闸管臂的触发角相位，使整流输出电压从i 2 u d 升至3 4 u d ， 此后保持两个晶闸管( v 3 、v 4 ) 满开放。如再提高电机端电压再 通过晶闸管( v 5 、v 6 ) 交替触发导通，对其触发角相位的调节控 制，使整流输出电压上升至u d 。u d 达到最高限压1 0 3 0 v 后，通过 电子控制系统调节u 1 i 桥的输出来补偿网压波动等因素的影响， 维持恒压。 他励半控桥u 1 3 向m i m 3 电机他励绕组提供他励电流i ，。在 牵g ! 工况下，他励电路中的励磁接触器k m 7 首先闭合，通过对晶 闸管桥臂y 1 3 、v 1 4 的触发角相位的调节控制，使他励桥输出一个 预他励电流i f o = 3 2 a ，达到此值后，再控制电枢电路中线路接触器 k m i k m 3 闭合，这样可避免电机在起始工作时产生较大冲击电 流。随后，他励电流i 棚i 随电枢电流i 。线性交化，在磁场削弱前， 始终满足下面两个关系式： i ，= 3 2 a ，i 。1 4 3 a ；( 2 1 ) i r = 0 2 2 3 4 1 a ，1 4 3 a i 1 3 2 0 a 。( 2 2 ) 为了防止及降低机车电气设备在不正常情况下受到的损害， 主电路中设有过电压保护、短路保护、过载保护、欠压保护及接 地保护等( 机车主保护器件为主断路器o f t ，除执行电路的正常 丌断外，还有故障状态下的开断) 。发生故障时能自动迅速切断相 应电路，从而防止事故的扩大。 北京交通大学硕士学位论文 主电路现有共4 套有源接地保护装置。其中两套电枢电路接 地保护装置的一端接在整流桥中点( 5 、6 号线) ，另一端接直流电 源l l o v 。另两套他励电路接地保护装置，一端接励磁桥负线( 9 、 1 0 号线) ，另一端接直流电源1 1 0 r ，此四套接地保护装置中，无 论电路中任何一点接地，都能保护，无死区。接地继电器动作后， 使主断路器跳闸，并显示故障信号。 机车运行中接地故障无法消除和处理时，在确认只有一点接 地故障情况下，可以通过接地装置的故障转换开关转向故障位运 行，即切除了相应接地继电器，通过高阻值接地电阻形成固定接 地点，机车故障运行时因已无接地保护，要求司机必须加强巡视， 以便发现意外情况时人为采取相应的保护措施。 2 1 2 辅助回路 辅助电路由辅助电源及各种辅助电器设备组成。韶山7 e 型电 力机车辅助电路可分为：辅助变流器供电电路、三相负载电路、 单相负载电路、保护电路及列车供电电路几部分，如图2 3 所示。 韶山7 e 型机车辅机系统采用两组辅助变流器供电，每组辅助 变流器含有两套结构相同的变流器装置，分别由一台整流器、一 台逆变器和中间环节组成。主变压器辅助绕组a 7 一x 7 送出的单相 交流电3 3 7 8 v ，通过辅助库用开关q s 2 2 ，经辅助过流继电器f a 8 、 电流传感器u a l l 、u a l 2 、辅助变流器滤波电抗器l 9 l 1 2 输入至 辅变流柜内，经整流器整流后，输出稳压范围为6 0 0 6 2 0 v 的直 流电压，再经中间电容，送入逆变器逆变成三相交流电供各辅机 使用，如牵引风机电机、制动风机电机、压缩机、司机室空调等。 1 4 北京交通大学硕+ 学位论文 ”0 7 由跚 2 0 4 _ l i 刮 自 ” icj u 上s x s 引 社 厂1 0 f x 7 丁嘣硒 f 雌岛晒雾 剀， 舀s 氍t 2 1 ，3 悔 p 锄、。p 2 2 4 4 抡 谢l 函痂面 l2 花 回iv 占v v ， l 图2 - 3 辅助电路电路图 f i g u r e2 - 3a u x i l i a r yc i r c u i t 辅助回路接地保护采用有源接地继电器。由接地继电器f e 5 、 并联二极管v 2 、整流二极管v l 、限流电阻r 4 2 ( 2 k q ) 、故障隔离 开关s a 等组成，一端接在辅助绕组x 7 ( 2 0 5 线上) ，另一端通过 l c u 经2 1 4 线串联i l o v 控制电源，通过控制电源接地。当辅助电 路中某一点接地，与接地保护系统构成接地回路，接地继电器f e 5 动作，使机车主断路器q f l 分闸，并显示故障信号。同时f e 5 的 动合触点闭合，接通“自锁”电路，保持信号显示。在正常情况 f ，f e 5 的动分触点处于闭合状态，短接限流电阻r 4 2 ，这样可保 证最低电位点接地时，也能可靠动作，提高保护灵敏度。系统中 整流二极管v l 起整流作用，因为f e 5 是直流继电器，而辅助系统 北京交通大学碗士学位论文 是工频交流系统。与f e 5 线圈并联的并联二极管v 2 ，起续流释放 电感能量作用。故障确认后，借助o f l 合闸操作，使恢复中继k l 5 得电，其动分触点打开，使“自锁”电路“解锁”，接地继电器恢 复，准备下一次保护。 d u 1 ) 2 图2 - 4 劈相机电路图 f i g u r e2 4p h a s g s p l i t t e rc i r c u i t 其它型号的一些电力机车的辅助电路，有的是使用劈相机将 单相交流电源变换成三相交流电源供辅助设备使用。多数劈相机 是采用鼠笼式异步电动机。如图2 4 所示，当定子绕组d ，d 。端接 到单相电源上，o d 。、o d 2 绕组中的电流就产生一个大小随时问作 正弦变化，而空间位不动的脉振磁场。如果用某种方法使转子r 转起来，这时劈相机就作为一台单相异步电动机运行。一个脉振 磁场可以分解成两个振值相同而转向相反的旋转磁场：与转子转 向一致的旋转磁场称为正转磁场，与转子转向相反的磁场称为反 转磁场。因而转子以几乎两倍于同步转速的速度切割反转磁场， 并在转子导体中感应出几乎两倍电网频率的电流，此电流所产生 的磁场抵消反转磁场，因此在电机气隙内只剩下一个正转磁场。 北京交通大学硕士学位论文 它切割0 d 。、o d 。和o d 。三相绕组，感应出三相电势u 、v 和w 。于 是将单相电源“劈”为可以驱动三相异步电动机的三相电源。 为了方便起见，论文中将使用逆变器的辅助电路简称为辅助 电路( 逆变器) ，将使用劈相机的辅助电路简称为辅助电路( 劈相 机) 。 2 1 3 控制电路 控制电路是由司机主令控制器对机车进行控制，以实现对机 车主电路、辅助电路各电气设备的控制，完成对机车的牵引、制 动的操作和控制。其中有触点控制电路包含l i o v 电源设备，各种 主令电器、继电器、接触器；无接点控制电路则包括机车的微机、 l c u 、信号、通信、故障显示等电子设备电路。 控制电路的是一个i i o v 的直流系统，在机车原有的有源接地 检测系统中，由于控制电路i i o v 负极必须接地，所以控制电路没 有接地保护电路。控制电路正极如果发生了接地故障，只要有 点接地就形成了控制电路短路，可以通过检测短路过流来保护电 路；控制电路负极由于本身就接地，则不存在接地故障状态。面 采用无源接地检测装置则可以把控制电路悬空，解决控制电路与 电网共地问题。 2 。2 其它一些检测方案 除机车上现在通用的有源接地检测装置外，其它工业领域中 也有接地检测装置的应用，如在电力系统中。为了保证电力系统 的安全性和可靠性，在发电厂、变电站，通常采用蓄电池储能的 直流电源作为保护装置，继电器跳闸、合闸等的工作电源。直流 1 7 北京交通大学硕士学位论文 电源采用对地绝缘运行方式，当发生一点接地时，并不引起任何 危害，但必须及时处理，否则，当发生另一点接地时，有可能使 继电保护误动、拒动。以至损坏设备，造成大面积停电、系统瓦 解的严重后果。电力系统常用的检测方法是低频信号注入法和直 流漏电直测法，而这两种方法用于电力机车均存在着问题。低频 信号注入法用在机车控制电路时情况与电力系统应用相似，但注 入的交流低频信号会影响控制电路上的机车电器的工作，对机车 运行存在影响；而由于机车一l 直流母线基本都是高电压大电流的 情况，采用直流漏电直测法的检测不准确、可靠性差等问题。所 以这两种检测方法都不适用于电力机车。 2 3 系统的基本组成 本论文提出一种新的接地故障检测方案，采用无源电压型检 测方式，无需外部信号注入，通过采集主电路正负母线对地的电 压波形来判断是否存在接地故障。根据这种新的检测方法，研制 出种用于电力机车的智能无源接地检测装置。该装置分别安装 于交直型电力机车主电路( 按用于牵引回路和励磁回路的不同， 共有两种型号) 、辅助电路( 按使用逆变器和使用劈相机提供三相 电源的不同，共有两种型号) 和控制电路，实时地检测各个电路 是否存在接地故障，如果存在接地故障，给出报警信息。 用于不同电路的接地检测装置基本硬件单元基本相同，主要 包括电压采集单元、报警单元、数据记录单元、远程通信单元和 主控制器，系统框图如图2 5 所示。 ! ! 空奎望查兰堡圭堂垡堡壅 图2 5 系统结构框图 f i g u r e2 - 5t h es t r u c t u r eo fs y s t e m 主电路正母线 ( 机 n 。， v l ，滞 主 控 制 器 地l j 瑚船雌 卧壳) i v 2 主电路负母线 圈2 - 6 电压采集接1 ：7 电路 f i g u r e2 - 6 t h ei n t e r f a c eo f v o l t a g e s a m p l e 电压采集单元由如图2 - 6 所示的接口电路组成，用来采集检 测电路的对地电压值，检测电压经过电阻分压后，通过隔离运放 隔离放大，由主控制器a d 口采入主控制器：主控制器对采集的 电压值进行分析计算，判断出是否有接地故障存在，并管理操纵 北京交通大学硕士学位论文 着其他单元的工作：报警单元由报警继电器和报警指示灯组成， 出现接地故障后，相应位置的报警指示灯改亮红灯，给出明显的 报警信号，报警继电器输出跳开机车主断路器信号，并给司机仪 表台输出信号；数据记录单元包括一片e e p r o m 芯片，具有掉电后 数据不丢失的特点，用来存放电压校准系数、报警阀值等重要数 据，并记录下发生接地故障前后的电压幅值、频率等数据，作为 进行故障处理时的参考资料；在机车运行回库后，可以通过远程 通信单元把记录下来的故障记录发送到p c 机，建立故障信息档 案，为铁路运营管理和试验研究提供详细的数据信息。 北京交通大学硕上学位论文 第三章各电气回路接地故障判断算法分析 本章对电力机车各电气回路建立模型，并使用p s p i s e8 0 仿真软件进行仿真，根据仿真结果对接地故障进行理论分析，给 出接地故障判断算法，并对车上实际情况加以分析，得到稳定可 靠的各电气回路接地故障判断算法。 本章中在使用p s p i s e 进行仿真时，在没有特殊说明的情况 下，设定的仿真时间为1 0 0 m s ，仿真步长为l o u s 。 3 1 控制电路接地故障判断算法分析 如上一章所述，控制电路是一个li o v 的直流系统，上面挂着 各种机车电器，如主令电器、继电器、接触器、机车微机、l c u 、 信号、通信、故障显示等电子设备。在装有原有的有源接地检测 装置的机车系统中，控制电路的l i o v 负极是人为接地的，所以不 存在接地故障检测的概念。通过采用无源接地检测装置，可以使 控制电路和地隔离开，这样控制电路正负极对地就有电气绝缘的 问题，需要对其进行接地故障检测。 给控制电路加入上一章所介绍的电压检测接口电路，可以实 时的检测出正负母线对地的电压大小，通过对地电压的变化来判 断是否存在接地故障，等效电路如图3 1 所示。 北京交通大学硕士学位论文 图3 - 1 控制电路建模 f i g u r e 3 - 1t h em o d e lo fc o n t r o lc i r c u i t 图中v 。为控制电路直流1 i o v 电源，如为接在控制电路上的各 种机车电器的等效电阻。r 。和凡为正常情况f ，正负母线分别对 地的实际电阻，两个电阻阻值基本相等。r ，和r ：为控制电路接地 检测系统的电压检测电阻，分别检测正负母线的对地电压。在没 有接地故障的正常工况下，控制电路1 i o v 电压平均加在检测电阻 r 。和r 。上，即检测回来的正负母线对地电压v 。和v 。均约为5 5 v 。 当发生接地故障时，如正母线发生接地，检测电阻r ，被短路，控 制电路1 i o v 电压此时基本都加在检测电阻r z 上，则测回的电压 v 。会远远大于电压v 。同理可以分析得到，当负母线发生接地故 障时，l i o v 电压基本都加在检测电阻r 上，测回的电压v 会远远 大于电压v 。 由此可以得出控制电路接地故障的判断算法。接地故障检测 装置通过接口电路对正负母线对地电压v 一和v z 采样，每对v t 、 v ：采样1 0 次( 1 0 m s 内) 后，算出母线电压v 。( v o = v ，十v z ) 、v 和v 。各自的平均值一v o 、可、瓦。根据铁路的技术条件和对实际波 2 2 北京交通大学硕士学位论文 形的分析，如果不等式 v 2 o 9 v o ( 3 - 2 ) 成立，则认为控制电路直流正极“+ ”发生了接地故障。 控制电路的供电电压取自机车1 1 0 v 蓄电池，供电电源纹波 很小，也不会有电压突变的现象，装车试验时用示波器跟踪正负 母线对地电压基本为很平稳的直线。所以控制电路的接地报警装 置相对简单，可靠性非常高，装车后对接地故障报警及时可靠， 从来没有误报警现象发生。 3 2 辅助电路接地故障判断算法分析 国内现有机车的辅助电路共有两种形式，一种为使用逆变器 把直流中间回路电压转换成三相交流电压，下面统一简称辅助电 路( 逆变器) ，一种为使用劈相机把单相交流电压转换成三相交流 电压，统一简称辅助电路( 劈相机) ，本节按这两种情况分别进行 讨论。 3 2 1 辅助电路( 逆变器) 建模仿真 辅助电路( 逆变器) 的结构框图如图3 2 所示，分别由一台 整流器、一台逆变器和中间环节组成，机车上需要辅助电路供电 的单相负载和三相负载分别加在单相交流侧和三相交流侧。接地 检测装置安装在直流中间回路正负母线之间，检测单相交流侧、 三相交流侧、中间直流回路正母线和负母线是否存在接地故障。 北京交通大学硕士学位论文 主 变 压 器 副 边 图3 - 2 辅助电路( 逆变器) 的结构框图 f i g u r e3 - 2t h es t r u c t u r eo fa u x i l i a r yc i r c u i t ( i n v e r t e r ) 韶7 e 电力机车辅助电路( 逆变器) 的主变压器副边额定电 压为3 4 0 v ，直流中间回路的额定电压为6 0 0 v ，输出三相交流电 的额定电压为3 8 0 v ，频率为5 0 h z 。其整流环节使用的是四象限 整流器，主要完成a c 3 4 0 v 到d c 6 0 0 v 的转换，逆变环节使用的 是逆变器，主要完成d c 6 0 0 v 到a c 3 8 0 v 的转换。用于该电路的 接地检测装置就连接于直流中问回路的正负母线上，通过检测到 正负母线对地电压的变化来判断是否存在接地故障。 建立一个简单的仿真模型来模拟该电路的工作情况并分析其 接地检测方法，如图3 3 所示。 北京交通大学硕上学位论文 图3 - 3 辅助电路( 逆变器) 等效电路建模 f i g u r e3 - 3t h em o d e l o fa u x i l i a r yc i r c u i t ( i n v e r t e 0 图中建立的仿真模型包括单相交流侧、整流环节和直流中间 回路，交流电压源v 0 表示辅助电路主变压器副边电压。四象限整 流器正常工作时，开关器件的导通角度很大，为了模型简化，用 一个不控整流桥替代表示整流环节，c 。为直流中间环节的支撑电 容，和r 。为正常情况下，正负母线分别对地的实际电阻，两个 电阻阻值基本相等。r 1 和r 。为电压检测电阻，分别检测正负母线 的对地电压。在模型中可能发生接地故障的主要特征点有a 、b 、 c 、d ，其中a 和b 为单相交流侧的特征点，c 为直流中间回路正 母线的特征点，d 为直流中