HXD2C機車網(wǎng)壓波動分主斷故障分析及對策研究

宋安東，高生嵐，賈流棡

（中車大同電力機車有限公司 技術(shù)中心，山西大同037038）

我國鐵路運營里程逐年增加，鐵路牽引供電系統(tǒng)變得越來越龐大，同時新的車型不斷涌現(xiàn)，運營過程中出現(xiàn)了一些新的問題。諧波引起的網(wǎng)壓波動是由于機車/動車組和供電系統(tǒng)電氣耦合參數(shù)匹配不合理造成的，通常與高次諧波含量較高及系統(tǒng)容性設(shè)備有關(guān)，會降低設(shè)備使用壽命或造成供電設(shè)備的損壞。

自2017年7月以來，HXD2C型電力機車在新鄉(xiāng)機務(wù)段隴海線運用時多次出現(xiàn)接觸網(wǎng)網(wǎng)壓高及網(wǎng)壓異常引起主斷路器斷開故障，對機車正常運行造成影響。為此，技術(shù)人員對該段線路進(jìn)行實際網(wǎng)壓測試和分析處理，網(wǎng)壓測試試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)機車出現(xiàn)網(wǎng)壓高故障確實由于網(wǎng)壓超限造成，與機車保護(hù)功能設(shè)置一致，故障多發(fā)生在鄭州—商丘段下行區(qū)間，通過對網(wǎng)壓數(shù)據(jù)分析處理提出了解決該故障具體措施，在段實施驗證后證明措施可行。

從實際測試網(wǎng)壓、變流器控制以及網(wǎng)壓計算方法，對網(wǎng)壓異常故障及處理措施進(jìn)行研究分析。

1 網(wǎng)壓檢測原理及存在問題

HXD2C型機車主要通過高壓電壓互感器檢測接觸網(wǎng)電壓，網(wǎng)壓信號通過硬線傳輸給牽引變流器控制單元，控制單元進(jìn)行判斷，當(dāng)網(wǎng)壓值≥32 kV持續(xù)40 s以上或瞬時值≥35 kV時，機車報接觸網(wǎng)電壓高故障，斷開主斷路器，牽引四象限封鎖脈沖，斷開工作接觸器；當(dāng)網(wǎng)壓值低于31.5 kV時故障自動恢復(fù)。

牽引變流器控制單元計算接觸網(wǎng)電壓有效值方法如圖1所示，網(wǎng)壓取絕對值，經(jīng)過低通濾波運算，計算平均值再換算為網(wǎng)壓有效值。

圖1 牽引控制單元計算接觸網(wǎng)電壓有效值過程

圖1 中接觸網(wǎng)電壓有效值計算方法存在一定問題，即隨著網(wǎng)壓諧波含量的提高，網(wǎng)壓有效計算值與實際網(wǎng)壓有效值產(chǎn)生較大偏差，如圖2所示，圖中接觸網(wǎng)電壓有效值倍率=計算有效值/實際有效值；高次諧波相對基波比率=高次諧波幅值/基波幅值。

圖2 計算網(wǎng)壓與實際網(wǎng)壓偏差分析圖

網(wǎng)壓有效值隨著疊加高次諧波的增加而增加，當(dāng)諧波相對基波的比率在60%以下時，計算網(wǎng)壓與實際網(wǎng)壓有效值基本一致，當(dāng)比率增加到80%時，計算網(wǎng)壓與實際網(wǎng)壓產(chǎn)生了約3%的誤差，計算網(wǎng)壓大于實際網(wǎng)壓［1］。

2 故障分析

2.1 故障波形分析

對故障多發(fā)的鄭州—商丘段下行區(qū)間進(jìn)行網(wǎng)壓測試，機車出現(xiàn)網(wǎng)壓高故障確實由于網(wǎng)壓超限造成，實際網(wǎng)壓測試中出現(xiàn)最高約44 kV有效值網(wǎng)壓，嚴(yán)重超出正常網(wǎng)壓范圍。鄭州—商丘段下行區(qū)間某時段網(wǎng)壓波形如圖3所示，示波器監(jiān)測網(wǎng)壓波形畸變嚴(yán)重，顯示峰峰值達(dá)到370 V（50 V/div），有效值達(dá)到260 V。接觸網(wǎng)電壓通過變換比為25 kV∶100 V的高壓電壓互感器接入示波器，示波器電壓換算為實際網(wǎng)壓值為32.5 kV有效值。經(jīng)分析網(wǎng)壓中主要存在1.8~2.0 kHz諧波，考慮該頻段諧波與接觸網(wǎng)發(fā)生共振。

圖3 某時段網(wǎng)壓測試波形

2.2 諧波影響分析

高次諧波的疊加直接導(dǎo)致接觸網(wǎng)電壓升高，模擬接觸網(wǎng)中高次諧波電壓分布在Matlab軟件中，設(shè)置25 kV網(wǎng)壓中注入1.8 kHz到2 kHz諧波進(jìn)行分析。疊加高次諧波與網(wǎng)壓有效值比率曲線如圖4所示，基波電壓（25 kV/50 Hz），倍率1.0表示不含有高次諧波成分。當(dāng)高次諧波疊加程度達(dá)到80%基波分量時，有效值會變成基波的1.28倍左右，接觸網(wǎng)電壓有效值由25 kV提高到32 kV［2］。

圖4 疊加高次諧波與網(wǎng)壓有效值上升曲線

2.3 四象限控制方式對網(wǎng)側(cè)諧波影響

機車多個四象限變流器一般采用載波移相控制方式，可以有效降低網(wǎng)側(cè)電壓諧波，機車在切軸狀態(tài)下運行時載波移相控制被打破，會帶來較多網(wǎng)側(cè)諧波電壓。單個軸切除時載波移相控制被打破時網(wǎng)側(cè)諧波頻譜分布如圖5所示，此時1.8 kHz附近含有較多諧波，變流器產(chǎn)生的網(wǎng)側(cè)諧波與供電網(wǎng)原本含有的高次諧波疊加導(dǎo)致網(wǎng)壓諧波更多，網(wǎng)壓有效值更高。軸切除時載波優(yōu)化處理后網(wǎng)側(cè)諧波頻譜分布如圖6所示，1.8 kHz附近高次諧波受到有效抑制［3］。

圖5 單軸切除移相控制被打破時網(wǎng)側(cè)諧波頻譜分布

圖6 單軸切除移相控制優(yōu)化處理時網(wǎng)側(cè)諧波頻譜分布

綜上所述，接觸網(wǎng)過電壓原因：

（1）該線路上的接觸網(wǎng)電壓在特定頻段容易發(fā)生共振，從而使該線路上電壓的高次諧波容易變大，機車如果在軸切除狀態(tài)下運行的話，接觸網(wǎng)高次諧波疊加導(dǎo)致網(wǎng)壓諧波更高。

（2）接觸網(wǎng)電壓波形疊加諧波增大到80%程度時，接觸網(wǎng)電壓有效值的計算值會出現(xiàn)3%的誤差，真實值加上3%的誤差導(dǎo)致更容易檢測到接觸網(wǎng)過電壓。

3 整改措施及效果

3.1 網(wǎng)壓計算方法

針對網(wǎng)壓檢測方法存在的問題，計算網(wǎng)壓有效值方法變更為有效值定義計算法，如圖7所示。采用有效值定義計算法以電阻熱效應(yīng)等效為依據(jù)可以準(zhǔn)確計算網(wǎng)壓有效值，不受網(wǎng)壓中諧波含量影響。

圖7 網(wǎng)壓二乘積分計算法

3.2 移相控制

機車在切除單個軸情況下運行時，采取重新計算載波移相角度進(jìn)行控制的方案，不會使網(wǎng)側(cè)高次諧波疊加。

3.3 整改效果

對在段運行機車采取整改措施，更改變流器控制軟件運行9個月，未再發(fā)生類似的接觸網(wǎng)電壓高相關(guān)故障。

4 總結(jié)

針對新鄉(xiāng)機務(wù)段的HXD2C型機車在隴海線運行期間頻繁出現(xiàn)網(wǎng)壓高故障，通過數(shù)據(jù)采集和故障原理分析確定變流器控制程序優(yōu)化方案，優(yōu)化程序在段裝車并在故障高發(fā)的隴海線投入運用，沒有再發(fā)生網(wǎng)壓高相關(guān)故障，網(wǎng)壓高故障得到有效解決。