HXD1C型电力机车牵引主回路接地检测原理分析及故障处理

(资阳中车电力机车有限公司，四川 资阳 641300)

0 引言

HXD1C型电力机车是由中车株洲电力机车有限公司研发的交流传动7 200 kW六轴货运电力机车，其电气系统可分为主回路、辅助回路和控制回路三部分。其中，机车主回路系统由主变压器原边电路以及主变压器次边牵引电路组成，作用是从接触网将AC 25 kV单相工频交流电引入机车，经受电弓、高压隔离开关、主断路器、高压电压互感器、原边电流互感器接入主变压器原边，由主变压器次边6个独立的牵引绕组分别向2台牵引变流器的6个四象限整流器供电，每台牵引变流器的3个四象限整流器通过隔离开关并联向3个电压型 PWM 逆变器供电。每个牵引逆变器由相应的TCU单独控制，向3台异步牵引电动机供电，从而实现单轴独立控制。当牵引主回路发生接地故障后，机车会触发一系列的保护措施，导致机车无法正常运行，严重影响铁路运输秩序。因此，快速有效地判断牵引主回路接地故障并予以处理十分必要。

1 牵引主回路工作原理及接地检测电路原理

1.1 牵引主回路工作原理

HXD1C型机车牵引变流系统装用的是中车株洲电力机车研究所研发的TGA9型牵引变流器，采用轴控技术，为了获得所期望的电动机转矩和转速，牵引变流器根据要求来调节电动机接线端的电流和电压波形，完成电源(主回路)和牵引电动机之间的能量传输，实现对机车牵引、再生制动等持续控制，其电气原理如图1所示。

图1 TGA9型牵引变流器主电路原理图

以M1牵引回路为例，a-x为主变压器原边绕组，输入电压为网侧电压，a1-x1为次边绕组，输出电压为AC970 V。次边电路首先通过KM4、R1组成的充电回路对直流回路的支撑电容Cd预充电，而后闭合主接触器KM1，经过四象限整流器4QS1进行整流后输出稳定的1 800 V的中间直流电压，再经过逆变器INV1将中间直流电逆变为三相VVVF交流电驱动异步牵引电机。在牵引工况时，四象限整流器工作在一、四象限，电流方向从变压器流向异步牵引电机；当机车在电制动工况时，四象限整流器工作在二、三象限，电流方向从异步牵引电机流向变压器，而后通过受电弓反馈到接触网上，实现能源的再利用。电抗器 L1、C3～C8组成二次谐振回路，用于滤除四象限PWM整流器输出的二次谐波电流，C8为可调节电容。RCH1为过压斩波电阻，用于直流回路的过电压抑制及停机后的快速放电，R4～R11为固定放电电阻，用于快速放电回路故障后将电容上的电压放至安全电压以下(放电时间小于 10 min)；R12、R13 为直流分压电阻，中点接地，用于变流器主电路接地检测；LH1～LH12为电流传感器，其中 LH1～LH3用于检测变流器输入电流，LH4、LH5、LH7、LH8、LH10、LH11用于检测变流器输出电流，LH6、LH9、LH12用于检测斩波电阻上的电流；VH1～VH3为电压传感器，分别用于检测变流器直流回路半电压和全电压。

1.2 牵引主回路接地检测工作原理

1.2.1 牵引主回路接地检测原理

如图1虚线框内所示，接地故障检测电路由分压电阻R12、R13和传动控制单元TCU的检测电路构成(滤波电容器、准电位绝缘的运算放大器和一个比较电路)。其中R12、R13阻值相等，用作直流分压电阻，其串联中点接地，TCU则通过VH1电压传感器检测的电压值与VH2、VH3电压传感器检测到的电压值进行比较，判断牵引主回路是否接地，其原理如下：

当电路工作正常时，VH2和VH3电压传感器检测到的直流支撑电压应为：

UVH2=UVH3=Ud

因R12=R13，故在正常情况下，VH1电压传感器测得的电压应为：

当VH1检测到的实际值：

当VH1检测到的实际值：

1.2.2 电压传感器工作原理

如图2所示，电压传感器的“+HT”引脚为电压传感器检测正极信号输入点，“-HT”引脚为电压传感器检测负极信号检测点，“+”引脚为电压传感器工作电压正极，“-”引脚为电压传感器工作电压负极，为电压传感器提供工作电压。“M”引脚为电压传感器输出信号，将检测到的电压按2 000 V:9 V的变比进行信号变换，并传送到模拟输入A板中进行信号采集，再通过TCU进行逻辑判断是否接地。

图2 电压传感器工作原理图

2 牵引主回路接地故障的分析处理

2.1 牵引主回路接地故障介绍

2.1.1 牵引主回路接地的故障现象

机车主断分断，且司机室微机显示屏IDU上故障界面显示：“TCU1主回路接地”(1425)或“TCU2主回路接地”(1553)故障。

2.1.2 牵引主回路接地的可能产生的原因

1)牵引主回路存在正线接地。

2)牵引主回路存在负线接地。

3)接地检测电路电压传感器故障。

4)信号采集及处理板卡故障。

2.2 牵引主回路接地故障分析处理

牵引主回路接地故障的原因可以分为两类：

一是牵引主回路确实存在接地，可通过测量模拟输入A板1A(全电压)和2B(半电压)测试孔直流电压来判断是正线接地还是负线接地。并通过甩开设备接线的方法来判断具体接地点，并予以处理。

2.2.1 牵引主回路接地故障的处理流程

当合上主断，换向手柄选定方向后出现主回路接地故障，应重点检查整流侧及之前电路、中间直流电路的对地绝缘情况。断开K1、K2、K3中的某个闸刀开关，闭合其余2个闸刀开关，若故障消失，则判断为该闸刀开关对应的中间直流回路故障；当3个闸刀开关均断开时故障仍存在，则重点判断是整流侧及之前回路接地故障。

当合上主断，换向手柄选定方向，并将调速手柄置牵引区或制动区后才出现主回路接地故障，则应结合前面的分析，重点检查逆变模块和外部电机对地绝缘情况。

2.2.2 检测回路故障处理流程

1)检查接地检测电路：检查接地电阻R12、R13电阻是否正常，测量固定放电电阻组件端子7、8点阻值应为10 K；8、9点阻值应为10 K ；7、9点阻值应为20 K(应断开外部连线再检测)，如果阻值不正常则更换电阻再检测。

2)检查半电压传感器VH1和全电压传感器VH2是否正常及相关连线是否接触良好，检查模拟输入A板是否正常。

3)检查传感器工作电源±15 V是否正常，检查开关电源插件，电源连线是否正常；必要时用示波器检查是否是±15 V电源受到干扰引起电压传感器中间直流电压信号输出异常，导致误报主回路接地。具体检测线路如表1。

表1 检测线路

2.2.3 信号处理环节故障处理流程

检查信号处理环节：测得模拟输入A板|-U2B|<3.24 V时，则故障点应为信号处理环节，检查模拟输入A板、网侧信号板、LCC板、SMC板、及控制箱，可以对换TCU1、TCU2的模拟输入A、网侧信号板、LCC板、SMC板及控制箱以判断故障点，并作进一步的处理。

2.3 故障统计数据分析

图3为近期发生的主回路接地故障统计，其中电压传感器故障10件，主回路存在接地点故障2件，主变流柜内部故障1件。

由此可以看出，主回路接地故障大部分是由反馈信号异常导致。而且电压传感器故障导致主回路接地占绝大部分。所以在主回路故障的处理过程中我们可以结合本文“3.2.2 检测回路故障处理流程”方法进行优先判断。

3 牵引主回路接地故障实例分析

2017年10月30日，配属重庆机务段的某台HXD1C型机车在襄渝线担当11 403次(2 780 t-42辆-53.2长)货物列车牵引任务时，途中报“TCU1主回路接地”故障，机车主断断开，被迫停于麻柳-巴山区间K437+855 m处，由于停车点处于长大坡道，切除TCU1后无法维持运行，利用33015次机车救援，占用区间142 min，影响客车4列、货车3列，造成D21事故，严重影响铁路运输秩序。

图3 主回路接地故障统计

机车回段后，检查发现当TCU1投入运用给牵引力时微机显示屏报“TCU1主回路接地”故障，首先更换了TCU1电压传感器器、整流逆变模块，并做了一些其他相关处理后，机车故障并未消除，再将主变流柜1吊出，对主变流柜1后部电容进行检查，发现电容不存在故障。后推断该故障是由牵引电机引起，对TCU1的三位牵引电机进行绝缘检测，最终检查出故障为M1电机接地，更换后，故障消除。

若按照本文所讲述的方法首先可以判断为存在真实接地，且由于是调速手柄在牵引区时才出现的故障，应首先检查逆变模块和外部电机对地绝缘情况，这样就可以快速判断电机接地了。

4 结语

机车牵引主回路的好坏直接影响着机车能否正常运行，本文对牵引主回路的原理进行了介绍，重点说明了牵引主回路接地检测机理和控制策略，并提出了牵引主回路接地故障的判断和处理方法，对机车主回路接地故障排查具有指导意义。