电力机车列车供电系统接地研究
株洲南车时代电气股份有限公司的研究人员蔡杰、林波，在2015年第6期《电气技术》杂志上撰文，详细介绍了列车供电系统多种接地方法，并给出其相应的工作原理图，利用Matlab建立电力机车列车供电系统模型，对每一种接地情况作了闭环仿真分析，通过多方面的仔细研究和论证，并结合现场的高压试验验证，找出了最佳的接地判断解决方案，为列车供电系统的接地判断提供了必要的依据。
自铁路第五次大提速以来，基于集中供电、分散变流的DC600V列车供电系统正逐步取代空调发电车的作用，成为空调列车新型供电方式的主要发展方向[1-2]。
DC600V列车供电系统采用集中整流分散变流的方式，客车进行分散变流。电力机车主变压器副边设置2个独立的列车供电绕组,输出单相AC860V电压到DC600V列车供电系统，经整流后输出独立的2路DC600V电源提供给客车，系统设计容量为2×400 kW[3]。
客车上装有逆变器和充电机, 逆变器将DC600V电压逆变成三相AC380V电压后供给空调机组、通风机等负载，同时充电机将DC600V电压变换成DC110V电压后供蓄电池充电、照明和其他控制系统用电[4]。因此DC600V列车供电系统的安全性和稳定性对旅客列车安全运行和正常的服务工作具有极其重要的作用。
根据《TB/T 3063-2011 旅客列车DC600V供电系统技术要求及试验》，电力机车列车供电系统的接地保护电路已在标准中进行了统一规定[5]。为了更好地保证电力机车列车供电系统安全、稳定地运行，在接地方式统一的基础上[6]，如何有效地进行列车供电系统直流输出侧和交流输入侧的接地判断就成了关键问题[7-8]，既要保证系统发生接地时能可靠动作，又要保证系统正常运行时不误动作影响正常列车供电，因此急需进一步深入研究。
1 列车供电系统
电力机车列车供电系统由两套完全独立的供电回路组成，其电路结构完全相同，其主电路形式如图1所示：单相交流输入（a7-x7），经真空接触器KM与快速熔断器FU到单相整流桥（V1、V2为二极管，V3、V4为晶闸管），通过平波电抗器L和支撑电容器C输出直流600V，同时设有控制用电压传感器SV1[9]。根据TB/T 3063-2011第4节规定，列车供电系统必须采用电阻中点接地的方式，因此系统直流侧还设有接地检测用电阻网络（由R1、R2和R3组成）和接地检测用电压传感器SV2。
图1 列车供电回路主电路原理图
2 系统模型构建
根据图1所示，在MATLAB/Simulink中创建电力机车列车供电系统模型（如图2）[10], 并利用其进行接地的仿真研究。仿真模型中的元器件参数和实物参数完全一致，并可设置观察窗查看、比较接地发生时接地电压传感器SV2的波形。
图2 列车供电系统模型
3 直流侧接地
在电力机车列车供电系统正常工作无接地的情况下，电压传感器SV2的反馈值Ujd应在300V左右。而一旦列车供电系统的直流侧出现负载接地或者连接线缆绝缘等级下降的情况，Ujd会逐渐偏离300V。
根据图1所示，当列车供电系统的输出正线（第4点）或者输出负线（第5点）发生接地故障时，此时的系统相当于对地接入了一个电阻Rjd，其等效电路如图3所示，RX代表客车负载。
图3 列车供电系统直流侧接地等效电路
图4 输出接地时仿真波形图
如上图4所示为DC600V输出正线/负线在不同接地电阻阻值时的仿真波形图（Utb表示交流输入电压，Ujd表示传感器SV2电压，以下的接地仿真波形中均相同）。随着接地电阻的不断减小，Ujd的输出值也逐渐偏离300V，且系统空载和负载时波形一致，与RX大小无关联关系。
4 交流侧接地
根据图1所示的电路结构图，电力机车列车供电系统交流侧主要是指输入的a7端（第1点）、x7端（第2点）以及电抗器前端（第3点）。这三个位置无论哪一点发生接地，叠加在接地电压传感器SV2上的电压Ujd既包括交流分量，也包括直流分量，电路计算还需要考虑晶闸管、整流管、平波电抗器、电容、电阻等因素，直接推导Ujd和Rjd之间的函数较为复杂，因此可借助Matlab仿真进行深入分析。
通过仿真模型考察发现，列车供电系统在不同负载工况下，a7端、x7端以及电抗器前端发生交流接地时，Ujd电压均发生了较大畸变，情况各不相同，且随着Rjd阻值的不断减小，畸变程度越来越严重。
根据图1所示，当列车供电系统的a7端（第1点）、x7端（第2点）以及电抗器前端（第3点）发生接地故障时，接地等效电路如图5所示，其中US为交流输入电源，L1为电源短路阻抗，Rjd为交流接地时等效电阻，RX为客车负载。
图5 列车供电系统交流侧接地等效电路
利用仿真模型考察a7/x7/电抗器前端在不同负载工况下不同阻值Rjd时Ujd电压波形，具体如下：当RX等效负载大于10欧左右时，系统维持空载运行或者小电流时，其Ujd的典型波形如图6所示（Utb表示交流输入电压，Ujd表示传感器SV2电压）。
图6 轻载时交流接地仿真波形图
随着RX等效负载从10欧逐渐减小，系统负载电流逐渐增大，其Ujd的典型波形如图7所示。
图7 负载时交流接地仿真波形图
5 结论
通过对电力机车列车供电系统接地分析，考察了不同负载和不同接地电阻工况下的直流侧接地和交流侧接地波形，归纳出相应的等效电路及仿真模型，总结出Ujd的输出规律：
①直流侧接地时Ujd电压输出平稳，且随着Rjd不断减小，其电压逐渐偏离300V。直流正线接地时Ujd电压变化范围在0-300V之间，直流负线接地时Ujd电压变化范围在300-600V之间。
②交流侧接地时Ujd输出波形出现畸变，且随着交流输入电压的变化而出现周期性振荡。随着Rjd不断减小，Ujd电压峰-峰值越来越大，且会出现超过600V以上的电压或者负电压的情况。
根据以上规律提出了系统接地判断的工程化实现方法，并通过电力机车高压试验，其接地判断方法准确可靠，目前已经应用于数百台的HXD3C、HXD3D和HXD1D客运电力机车的列车供电系统中。