HXD2C机车网压波动分主断故障分析及对策研究

宋安东，高生岚，贾流棡

（中车大同电力机车有限公司 技术中心，山西大同037038）

我国铁路运营里程逐年增加，铁路牵引供电系统变得越来越庞大，同时新的车型不断涌现，运营过程中出现了一些新的问题。谐波引起的网压波动是由于机车/动车组和供电系统电气耦合参数匹配不合理造成的，通常与高次谐波含量较高及系统容性设备有关，会降低设备使用寿命或造成供电设备的损坏。

自2017年7月以来，HXD2C型电力机车在新乡机务段陇海线运用时多次出现接触网网压高及网压异常引起主断路器断开故障，对机车正常运行造成影响。为此，技术人员对该段线路进行实际网压测试和分析处理，网压测试试验数据发现机车出现网压高故障确实由于网压超限造成，与机车保护功能设置一致，故障多发生在郑州—商丘段下行区间，通过对网压数据分析处理提出了解决该故障具体措施，在段实施验证后证明措施可行。

从实际测试网压、变流器控制以及网压计算方法，对网压异常故障及处理措施进行研究分析。

1 网压检测原理及存在问题

HXD2C型机车主要通过高压电压互感器检测接触网电压，网压信号通过硬线传输给牵引变流器控制单元，控制单元进行判断，当网压值≥32 kV持续40 s以上或瞬时值≥35 kV时，机车报接触网电压高故障，断开主断路器，牵引四象限封锁脉冲，断开工作接触器；当网压值低于31.5 kV时故障自动恢复。

牵引变流器控制单元计算接触网电压有效值方法如图1所示，网压取绝对值，经过低通滤波运算，计算平均值再换算为网压有效值。

图1 牵引控制单元计算接触网电压有效值过程

图1 中接触网电压有效值计算方法存在一定问题，即随着网压谐波含量的提高，网压有效计算值与实际网压有效值产生较大偏差，如图2所示，图中接触网电压有效值倍率=计算有效值/实际有效值；高次谐波相对基波比率=高次谐波幅值/基波幅值。

图2 计算网压与实际网压偏差分析图

网压有效值随着叠加高次谐波的增加而增加，当谐波相对基波的比率在60%以下时，计算网压与实际网压有效值基本一致，当比率增加到80%时，计算网压与实际网压产生了约3%的误差，计算网压大于实际网压［1］。

2 故障分析

2.1 故障波形分析

对故障多发的郑州—商丘段下行区间进行网压测试，机车出现网压高故障确实由于网压超限造成，实际网压测试中出现最高约44 kV有效值网压，严重超出正常网压范围。郑州—商丘段下行区间某时段网压波形如图3所示，示波器监测网压波形畸变严重，显示峰峰值达到370 V（50 V/div），有效值达到260 V。接触网电压通过变换比为25 kV∶100 V的高压电压互感器接入示波器，示波器电压换算为实际网压值为32.5 kV有效值。经分析网压中主要存在1.8~2.0 kHz谐波，考虑该频段谐波与接触网发生共振。

图3 某时段网压测试波形

2.2 谐波影响分析

高次谐波的叠加直接导致接触网电压升高，模拟接触网中高次谐波电压分布在Matlab软件中，设置25 kV网压中注入1.8 kHz到2 kHz谐波进行分析。叠加高次谐波与网压有效值比率曲线如图4所示，基波电压（25 kV/50 Hz），倍率1.0表示不含有高次谐波成分。当高次谐波叠加程度达到80%基波分量时，有效值会变成基波的1.28倍左右，接触网电压有效值由25 kV提高到32 kV［2］。

图4 叠加高次谐波与网压有效值上升曲线

2.3 四象限控制方式对网侧谐波影响

机车多个四象限变流器一般采用载波移相控制方式，可以有效降低网侧电压谐波，机车在切轴状态下运行时载波移相控制被打破，会带来较多网侧谐波电压。单个轴切除时载波移相控制被打破时网侧谐波频谱分布如图5所示，此时1.8 kHz附近含有较多谐波，变流器产生的网侧谐波与供电网原本含有的高次谐波叠加导致网压谐波更多，网压有效值更高。轴切除时载波优化处理后网侧谐波频谱分布如图6所示，1.8 kHz附近高次谐波受到有效抑制［3］。

图5 单轴切除移相控制被打破时网侧谐波频谱分布

图6 单轴切除移相控制优化处理时网侧谐波频谱分布

综上所述，接触网过电压原因：

（1）该线路上的接触网电压在特定频段容易发生共振，从而使该线路上电压的高次谐波容易变大，机车如果在轴切除状态下运行的话，接触网高次谐波叠加导致网压谐波更高。

（2）接触网电压波形叠加谐波增大到80%程度时，接触网电压有效值的计算值会出现3%的误差，真实值加上3%的误差导致更容易检测到接触网过电压。

3 整改措施及效果

3.1 网压计算方法

针对网压检测方法存在的问题，计算网压有效值方法变更为有效值定义计算法，如图7所示。采用有效值定义计算法以电阻热效应等效为依据可以准确计算网压有效值，不受网压中谐波含量影响。

图7 网压二乘积分计算法

3.2 移相控制

机车在切除单个轴情况下运行时，采取重新计算载波移相角度进行控制的方案，不会使网侧高次谐波叠加。

3.3 整改效果

对在段运行机车采取整改措施，更改变流器控制软件运行9个月，未再发生类似的接触网电压高相关故障。

4 总结

针对新乡机务段的HXD2C型机车在陇海线运行期间频繁出现网压高故障，通过数据采集和故障原理分析确定变流器控制程序优化方案，优化程序在段装车并在故障高发的陇海线投入运用，没有再发生网压高相关故障，网压高故障得到有效解决。