HXD1C型交流机车兼容地面自动过分相装置的仿真报告(株洲所20120416_西科所版本).pdf

HXD1C 型交流机车兼容地面自动过分相装置的仿真 技术研究报告 南车株洲电力机车研究所有限公司 二 0 一二 年 四 月 2 3HXD1C 型交流机车兼容地面自动过分相装置的仿真 技术研究报告 一． 前言 由于运输能力、运输效率等方面的显著提升，大功率交流传动电力机车使用数量近年来得到急剧增加，正日益突显出国铁干线运输主力的地位HXD1C 交流机车由南车株洲电力机车有限公司研制， 采用株洲电力机车研究所提供的完全自主知识产权的电传动系统和网络系统，自 2009 年上线以来，运行效果良好，目前总数量已达 990 台，成为我国主流交流传动电力机车车型之一 我国铁路供电系统采用 25kV 单相工频交流供电制式， 为了平衡三相供电负荷的均衡性，提高电力系统利用率， 电气化铁道牵引变电所依据电力系统的相序排列， 采用轮换接线方式，每 6 个牵引变电所执行一轮相序循环接触网实行换相分段供电以满足牵引供电的技术要求，同时防止不同供电电源的相间短路因此接触网不可避免地要设置电分相设施 西安铁路局科研所研究的地面控制自动过分相系统自 20 世纪 90 年代投用以来， 多年的实际运用经验表明其与直流传动电力机车具有良好的兼容性能。

但交流传动电力机车的主传动系统及辅助变流系统均与直流传动电力机车有较大的区别， 地面控制自动过分相装置能否与交流传动电力机车兼容，是本仿真研究报告的基本内容 二． 地面控制自动过分相装置对 HXD1C 型交流机车的影响分析 2.1 地面控制自动过分相装置对交流机车的影响因素 2.1.1 网压中断 根据西安铁路科学研究所提供的资料确定， 地面控制自动过分相装置将导致牵引网电压存在一个中断时间，装置正常时这一网压中断时间为 130ms，异常情况备用投入时的网压中断时间为 400ms 网压中断将对交流机车运行状况产生影响， 必须通过仿真分析其影响程度 2.1.2 操作过电压 根据西安铁路科学研究所提供的资料确定， 地面控制自动过分相装置在动作的瞬间还将产生一个操作过电压，该电压通过受电弓引入到机车高压回路，产生不利影响但由于该电压系地面装置产生，无法仿真得到，根据西科所提供的数据，该操作过电压的最高水平为 42.25 倍额定电压 200ms，据此进行一些定性分析 — 据 GB/T21413.1《铁路应用 机车车辆电气设备 第 1 部分：一般使用条件和通用规则》 8.2.7 规定：设备不应产生、也不应承受高于额定冲击耐受电压的操作过电压（又称开关过电压） 。

据 GB311.1《高压输变电设备的绝缘配合标准》操作过电压波形为上升时间 T1=250μ s,从 50%上升沿至 50%下降沿 T2=2500μ s该过电压无论是幅值还是持续时间都低于上述规定 （主断路器雷电冲击耐受电压 170kV，主变压器为 150kV ） — 机车主电路的避雷器装在主断路器之后，在主变压器之前避雷器后的电路由避雷器保护避雷器残压（ 10kV. 8/20μ s） ≤105kV主断路器工频耐受电压 75kV，雷电冲击耐受电压 170kV该过电压 2.25х 27.5kV=62kV，小于 0.85 倍工频耐受电压（ 0.85х 75kV=63.75kV） ，因而对主断路器不会有不利影响该过电压的峰值小于避雷器的残压，因而也不会使避雷器动作 2.2 网压中断对交流传动电力机车主牵引系统的影响 2.2.1 网压中断对逻辑控制的影响 根据根据铁道部要求的 HXD1C 机车保护规范， 网压中断时间超过 100ms 时将封锁变流器脉冲并断开主断路器因此无论地面自动过分相装置正常运行还是备用冗余运行，网压中断的时间均超过 100ms，必然导致机车主断路器分开，失去自动过分相装置的安装意义。

为了适应自动过分相装置网压中断的现实要求，必须修改 HXD1C 机车的原有逻辑规范，将允许的网压中断时间由原来的 100ms 更改为 600ms如此就可以避过自动过分相装置动作时的机车主断路器自动分断的问题 2.2.2 网压中断对主传动变流器的影响 根据 HXD1C 机车主变流器基本参数进行仿真，仿真步长为 5e-6；假定在 1 秒之前为正常工作，自动过分相导致的网压中断发生在 t=1 秒，之后 t=1.13 秒时刻再次恢复正常仿真模型如图 1 所示 表 1 HXD1C 机车主回路基本参数表 变压器原边电压 25kV 变压器次边电压（6 绕组） 970V 输入阻抗 R=0.01Ω,L=0.8mL 中间直流电压 1800V 支撑电容 34.4mF 二次谐振回路 L=0.27mH，L=9.4mL变流器开关频率 450Hz 5图 1 HXD1C 型电力机车主变流器回路仿真模型图 图 2 HXD1C 交流机车在自动过分相网压中断情况下的仿真波形图 （上图：1 架直流侧电压波形，中图：机车变压器原边电压电流波形（黄色为电压，蓝色为电流），下图：2 架直流电压波形） 由图 2 可知，HXD1C 机车在自动过分相之前处于满功率牵引状态，这与地面控制自动过分相装置通常安装在长大上坡位置，机车应处于大功率牵引状态相吻合。

在 t=1s 时刻前，机车单位功率因数运行；当地面自动过分相装置导致网压出现 130ms 中断时，1、2 架的直流电压均无法稳定在额定值 1800V而迅速下降 6根据机车逆变程序约定，中间直流电压在 1730V 以上时，牵引电机维持额定功率输出；直流电压在 1730V~1630V 范围时，按照 1630V 对应 0%额定功率，1730V 对应 100%额定功率的线性规律输出；低于 1630V 时封锁逆变器脉冲可见地面自动过分相装置导致的网压中断将使得 HXD1C 机车最终跳开主断路器， 因此当网压中断时，HXD1C 迅速封锁逆变器脉冲，并随着直流电压的进一步下降，逻辑程序判断中间电压过低，将自动触发主断路器跳开程序 当地面自动过分相装置完成相序切换，牵引网再次得电，列车乘务员必须手动再次闭合主断路器，重新启动列车 2.3 网压中断对交流传动电力机车辅助变流器系统的影响 HXD1C 型电力机车辅助变流器的基本参数为：额定容量 248KVA，额定输入电压为单相交流 470V，额定中间电压为直流 850V，额定输出电压为三相交流 440V，负载功率因素0.85 根据辅变系统基本参数， 设计 MATLAB 仿真模型如图 3.其中自动过分相时间为 150ms，过分相时间区域（ 0.3， 0.45） 。

图 3 HXD1C 交流机车辅助变流器仿真模型图 根据如图 3 所示的仿真模型，得到仿真波形如图 4~图 7图 4 为地面自动过分相情况下辅助变流器的输入电压波形；图 5 为辅变中间直流电压波形；图 6 为辅变逆变输出电压波形；图 7 为图 6 的局部放大波形图 由各个仿真波形可见，由于辅变负载功率相对较小，直流电压虽然下降显著，但仍维持在 300V 以上，基本可以维持辅变负载工作而无需任何额外改变当然如果地面自动过分相装置处于备用投入状态，网压中断时间为 400ms 时，辅变中间直流电压也将下降到零，辅变同样需封锁脉冲，等待重启指令 70.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4-800-600-400-2000200400600800时间电压（V）图 4 地面控制自动过分相时 HXD1C 机车辅变输入电压波形图 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.401002003004005006007008009001000电压（V）图 5 HXD1C 交流机车辅助变流器在地面自动过分相情况下中间直流电压波形图 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4-800-600-400-2000200400600800电压（V）图 6 HXD1C 交流机车辅助变流器在地面自动过分相情况下的逆变输出电压波形图 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.-800-600-400-2000200400600800电压（V）图 7 HXD1C 机车辅助变流器在地面自动过分相情况下的逆变输出电压局部波形图 8三． HXD1C交流机车兼容地面自动过分相装置的技术应对仿真分析 3.1 网压快速跌落检测仿真 由图 2 所示的波形可知， 当牵引网网压中断时， 中间直流电压无法维持而出现快速跌落。

因此如何快速检测出网压中断或者说网压跌落， 进而封锁牵引逆变器并维持中间电压不变就是应对地面自动过分相的关键 根据输入电压、输入电流的急剧变化，在网侧变流器控制程序中添加网压中断判断子程序，进行网压中断的监控，一旦发现突变，立刻封锁网侧变流器和牵引逆变器的脉冲，但保持主断路器不动作等待牵引网电压恢复正常利用该判据，进行仿真验证，仿真波形如图8 所示 图 8 牵引网中断快速判断仿真波形图 （上图为 1架直流电压；第二图为牵引变压器原边电压电流波形；第三图为 2 架直流电压；下图为网压中断判断脉冲） 由图 8 可见，当牵引网电压在 t=1s突变时，程序迅速判断出来，其延时小于 15ms，因此可以利用该信号进行牵引逆变器和网侧变流器的脉冲封锁 93.2 牵引变流器的切除与重投仿真 利用网压中断判断结果来快速封锁变流器脉冲， 是否可以保证 HXD1C 机车不会在地面控制自动过分相装置动作时不会报出故障？同样利用图 1 所示的模型进行仿真 图 9 和图 10 分别为牵引和制动工况下网压中断情况下牵引变压器的原边电压电流波形图由图可见在网压中断的一个周期内由于电压突变而网压中断判断结果尚未体现，可能会存在一个电流尖峰时刻，但随着脉冲的快速封锁，变流器的直流电压跌落不多，因此不会触发主断路器自动跳开，当网压恢复正常后，网侧变流器又可再次自动重启，如图 11 所示。

需要提到的是，虽然网侧变流器可以在网压恢复正常即可立即重启但牵引逆变器是不容许立刻重启的这是因为当牵引逆变器封锁脉冲后，牵引电机的剩磁就处于失控状态，其剩磁方向无法监控，在再次重投是如果新建立的磁场方向与剩磁方向不一致时，就可能使得逆变器输出电流过流导致主断路器再次跳开这一点在 HXD1C 机车型式试验中多次得到验证，在铁科院环形铁道上进行地面自动过分相试验过程中也多次得到验证因此为了确保逆变器不出现过流导致主断路器跳开， 逆变器一旦封锁就必须要延迟一个时间段后才能再次重新触发，目前 HXD1C 机车的延迟时间为 6s，据了解，西门子公司和东芝公司也存在同样的限制 图 9 牵引工况网压中断情况下牵引变压器电压电流仿真波形图 10图 10 制动工况网压中断情况下牵引变压器电压电流仿真波形图 图 11 网压中断恢复后再次重启时网侧变流器仿真波形图 11四． 基本仿真结论 — HXD1C 电力机车进行上述逻辑控制程序、网侧变流器控制程序、辅助逆变器控制程序等的针对性修改后，可以匹配西安铁路局科研所地面控制自动过分相装置的应用， 司机无需任何额外操作 — 自动过分相装置重新恢复网压时， 装置本身产生的操作过电压将对机车产生一定的不利影响，但不会影响 HXD1C 机车的正常运行。

— 通过仿真和铁科测试数据分析，该过电压对机车主变压器、主断路器、避雷器不会产生影响 — 通过仿真计算，该过电压对机车主、辅变流器的寿命不会产生影响。