列車供電系統接地故障分析及優化

何鵬

（中國鐵路蘭州局集團有限公司機務部 甘肅省蘭州市 730000）

列車供電裝置（以下簡稱列供）是列車供電系統的重要組成部件之一，列供主要給客車車廂提供穩定的DC600V 電源，該供電方式為機車集中整流，旅客車廂分散逆變的方式，各客車車廂的三相交流電由客車的三相逆變器提供，加熱設備等其他取暖設備由DC600V 之間供電[1]。2017年下半年，列車供電裝置進行應用考核過程中出現3 起列供接地故障，導致列供不能正常工作。為此對該故障原因進行了詳細分析，制定了解決措施。

1 列供原理介紹

與相控降壓型DC600V 列車供電裝置完全不同的是，列車供電裝置首次采用四象限升壓整流方式，構建了一種基于PWM 整流器的新型DC600V 供電裝置，即從牽引變壓器供電繞組獲取單相AC340V 輸入電壓后，通過PWM 整流器將單相交流整流升壓為DC600V 輸出，為客車的三相逆變器、充電機以及電阻伴熱等負載供電。解決了傳統相控列供功率因素低、重量重、體積大等問題[2]。主電路如圖1 所示。

當DC110V 控制電源正常且列供無故障、輸入電壓在正常范圍時，在接收到列供啟動命令后，先充電接觸器與充電電阻對濾波電容進行預充電，充電完成后閉合短接接觸器并斷開充電接觸器，然后啟動PWM 整流器，將電壓整流到DC600V，同時通過濾波電容對輸出電壓進行濾波，最后閉合配電接觸器為客車提供DC600V 電源。

2 故障原因分析

經對3 起列供柜接地故障處理，檢查發現柜內模塊元件的驅動線過壓擊穿，擊穿點為線束捆扎在鋁制支撐柱部位（支撐柱與散熱器等電位，散熱器接地良好），驅動線束對地放電擊穿，擊穿情況見圖2，查看柜內其它部分，未發現有異常現象。將模塊更換后，故障消失列供能正常工作。

下載故障數據分析，發現接地故障均是在機車升弓、主斷閉合后，且列供未啟動的工況下發生的。擊穿的驅動線在主電路圖中位置如圖3 所示，都是與牽引變壓器的列供繞組直接連接的部位。

由于列供未啟動工況下，列供系統主電路（見圖1）中配電接觸器1KM4，2KM4 屬于斷開狀態——列供接地檢測回路（R3-R5)被甩開；造成機車升弓、閉合主斷后，引牽變壓器列供繞組對地產生的懸浮電壓，無法通過列供系統接地檢測回路吸收，導致列供最薄弱的絕緣點，被牽引變壓器列供繞組存在的懸浮電壓擊穿。

圖1：列供主電路

圖2：模塊驅動線擊穿情況

圖3：驅動線擊穿位置

現場測試列供的輸入端對地電壓的峰值最大為6kV，超過了列供主電路上器件所能承受的耐壓值，由于驅動線束絕緣性能較好，對地6kV 電壓并不會一次就將線束絕緣擊穿，驅動線束經過一定時間累積（相當于多次打耐壓）后才會造成絕緣擊穿，且一般只有在機車單機運行或列供系統故障等特殊工況才會有升弓合主斷路器情況下不啟動列供，所以此接地故障才會在列供試驗階段和運行前期未暴露，詳細的電壓波形見圖4。

當列供的配電接觸器閉合后，由于列供存在接地檢測回路，接地檢測電阻的中點接地，且為低阻接地，此時懸浮電壓基本消除，對地電壓波形與列供輸入電壓波形一致。

圖4：列供繞組對地電壓波形

圖5：分布電容簡化電路

圖6：等效電路

圖7：等效電路

從以上測試及分析結果可得出：當列供半電壓接地點不接入列供主電路時，牽引變壓器列供繞組的耦合電壓對地幅值達到6kV，模塊的驅動線束捆扎在鋁支撐柱上，因此6kV 對地過電壓將其絕緣擊穿，使列供主電路接地，造成列供系統報接地故障。

3 變壓器列供繞組懸浮電壓分析

牽引變壓器是由線圈、鐵芯等部件構成的感性器件，通過法拉第電磁感應的原理，實現能量的傳遞與電氣的隔離。雖變壓器的一次側與二次側電氣上隔離，但一次側繞組與二次側繞組之間存在分布電容，分布電容實現了一次側與二次側的電氣連接。

電容的決定式為：

其中ε 為介電常數，S 為橫截面積，k 為靜電力常量，d 為距離。

分布電容存在于這些感性線圈中，其大小取決于繞組結構、線徑粗細、絕緣材料的性質及薄厚。由于一次側繞組與二次側繞組經過絕緣套在同一鐵芯柱上形成C1，其值取決于繞組的表面積、絕緣材料和絕緣距離。C2為二次側繞組對變壓器外殼的分布電容，其值取決于絕緣材料和絕緣距離，由于二次繞組的一點在電氣上直接跟列供柜相連，對變壓器建立等效分布電容簡化模型如圖5。

在交流電場內的懸浮體的電位，是按照電容分布的。如圖6 所示，高電位點A 的對地電位UA，點B 是處于點A 電場內的一懸浮點。A、B 點之間電容C1，點B 對地電容為C2，因此點B 的懸浮電位為：

圖8：增加高阻接地

圖9：接地電阻等效電路

圖10：列供繞組對地電壓波形

UB隨著C1增加或C2減小而增加，而二次側繞組對變壓器外殼絕緣距離遠，C2值較小，且遠小于C1，此時可認為，變壓器二次側對地懸浮電壓過高主要是變壓器由于其一次側繞組與二次側繞組的分布參數特性C1過大造成。

4 解決措施

由于阻抗表達式為：

通過上式可以看出，當d 減小時，其對應的阻抗也減小，其對應的串聯分擔的電壓也降低即UB減小。降低懸浮電壓，也就是降低二次側電壓對地的阻抗。

通過上述分析，可以從以下兩個方面降低懸浮電壓。

方案1：列供系統給列供繞組提供一個永久的零電位點，即在列供繞組輸入端增加一個相對分布電容參數較小的阻抗與大地相連。

方案2：調整牽引變壓器繞組分布參數，減小一次側到二次側的分布電容值。

通過對比以上兩個方案，如果要改變牽引變壓器分布電容參數需要對其重新設計故采用第一種方案。

如圖6 所示，若使變壓器列供繞組二次側的對地電壓不超過列供額定輸出電壓600V，即加在電阻R 上的電壓不超過600V，根據圖7 簡化等效電路有：

通過對牽引變壓器一次側到二次側的阻抗進行測試，一次側到二次側分布電容C1為9.5nF。同時將UB為6000V 帶入公式得出：

R ≤37230Ω，根據工程應用電阻取30kΩ。

由于列車供電系統要滿足《機車車輛DC600V 系統供電絕緣檢測技術要求》中漏電流大于160mA 報接地故障要求，增加的接地電阻要不能造成接地保護誤判。

在每個支路增加一個30kΩ的接地電阻接地后的主電路見圖8，由于繞組前端存在接地點，可能造成列供系統的接地保護誤判，根據圖9 接地電阻等效電路參數進行計算，漏電流LH 為9.7mA，半電壓VH 為全電壓的0.5051 倍，這對列供系統接地保護判斷邏輯影響極小，同時也滿足《機車車輛DC600V 系統供電絕緣檢測技術要求》中關于接地故障判斷要求。

對列供增加高阻接地改造后，實測列供繞組對地電壓峰值小于600V，滿足要求，電壓波形見圖10，因此在列供輸入端即變壓器列供繞組采用通過大電阻直接接地的方法，既可保證小電流接地系統的作用，又能很好的消除懸浮電壓.同時也未對列車供電系統的接地保護判斷產生影響。

5 結語

按上述分析的方案，對HXD1G 機車的列供柜實施現場改造后，降低了列供繞組對地的懸浮電壓，解決了接地問題，提高了列供系統的穩定與可靠性。同時對后續的機車電傳動系統的設計提供了一個思路，即各部件需要限制自身的輸入、輸出對地電壓，避免部件內的器件損壞。