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HXD1B型大功率交流传动电力机车
电气线路说明书
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日 期 2012-10-8
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1 概述
HXD1B型大功率交流传动电力机车电气系统由主电路系统、辅助电路系统、控制电路系统以及微机通讯控制系统组成。
机车的主电路系统由主变压器原边电路以及主变压器次变牵引电路组成。受电弓从接触网接受AC25kV, 50Hz电源，经高压隔离开关，主断路器输入主变压器，原边电流经轴端接地装置返回大地。主变压器原边电路设有避雷器、高压电压互感器、高压电流互感器、回流电流互感器。其中一个高压电压信号输入能耗表，另一个输入TCU；其中一个高压电流信号输入能耗表，另一个输入TCU；回流电流信号输入TCU；机车的微机控制系统对原边具有过压、欠压、过流的检测和保护功能、变压器原边具有差动保护功能。主变压器的4个次边绕组给两个主变流器供电，主变流器采用6.5 kV 电压等级的IGBT变流元件，给6个牵引电机提供变频变压交流电源，牵引电机采用三相交流异步电机，具有过压、过流、接地保护功能。
辅助电源系统由主变流器的辅助逆变器提供电源，主变流器1的辅助逆变器模块通过辅助变压器1给变压变频负载提供3AC80…440V，10…60Hz的电源，滤波后的电压波形为近似正弦波，谐波含量不大于5％。主变流器2的辅助逆变器通过辅助变压器2给定压定频负载提供3AC440V， 60Hz的电源，滤波后的电压波形为近似正弦波，谐波含量不大于5％。辅助逆变器采用6.5kV IGBT 元件。通过库内供电插座插可给负载的库内试验和机车的库内动车提供库内3AC380V，50Hz电源。通过配置相应的接触器的分合，可实现辅助电路的冗余。用负载的三相断路器对负载进行过流保护。辅助逆变器检测电压，具有过压保护功能。辅助逆变器对辅助变压器的温度进行检测，具有供超温保护功能。接地检测装置对辅助电路进行接地检测。当机车过分相时，利用机车的再生能量为辅助电路提供电源，实现辅机电源不间断。
控制电路系统由蓄电池充电机、蓄电池、各种操控开关、接触器、断路器、指示器件、继电器等电气元件组成，与微机通讯控制系统一起完成机车的控制功能。 2 主电路 2.1 主电路结构
主变压器的原边通过受电弓、主断路器得电。主变压器4个独立的次边牵引绕组分别向2台主变流器的4个四象限脉冲整流器供电，每台主变流器的2个四象限脉冲整流器通过隔离开关并联向4个电压型PWM 逆变器（3个牵引逆变器和1个辅助逆变器）供电。每
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个牵引逆变器向1台异步牵引电动机供电，从而实现单轴独立控制。再生制动过程相反。辅助逆变器作为机车辅助系统的电源，集成在主变流器柜中，通过一个隔离开关向辅助变压器供电。具体的电路图见附图1。
主电路主要由网侧电路、主变压器、主变流器、库内动车电路和牵引电机组成。 2.2 网侧电路
网侧电路的主要功能是从网侧获取电能，属于25 kV电路。由2台受电弓、2台高压隔离开关、１台带高压接地装置的主断路器、１台避雷器、１台高压电压互感器、１台高压电流互感器、主变压器原边、回流侧互感器、接地电抗器和接地碳刷等组成。
网侧电路有以下保护功能： 2.2.1 网侧短路保护
当流经高压电流互感器的电流超过整定值时，主断路器将进行分断保护。 2.2.2 网侧过压保护
网侧装有避雷器，主要用于抑制操作过电压及运行时的雷击过电压。 2.2.3 网压监测保护
通过高压电压互感器的检测，在网压＜15 kV 或＞32 kV的情况下，主断路器将进行分断，保护主电路相关设备的正常工作。 2.2.4 网侧过流保护
通过高压电流互感器的检测，在电流超过整定值时，主断路器将分断保护。 2.2.5 原边接地保护
检测原边电流和回流电流的差值，当大于整定值时，判定为原边接地，主断路器进行分断保护。
2.2.6 主变压器次边和主变流器短路保护
如果变压器二次线圈或主变流器发生短路，则在检测到短路的瞬间断开主断。由于变压器的高短路阻抗，从而限制了短路电流。 2.3 牵引变压器 2.3.1 牵引变压器结构
牵引变压器采用单相卧式变压器，４个二次侧牵引绕组沿铁芯对称布置，以保证它们在电气特性上的一致。因牵引变压器的牵引绕组中集成了四象限整流器用的斩波电抗器，其短路阻抗做得较大。考虑到PWM整流的特点和每台机车上４个整流器协同工作的实际情况，要求４个牵引绕组的漏电感的差异控制在平均漏电感的3%以内，同时要求４个牵引绕
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组之间要做到尽可能的解耦。
主变流器中二次滤波电路的谐振电抗器也安装在牵引变压器中。牵引变压器中还安装了2个PT100用于油温检测，安装了2个油流继电器用于油流检测，安装了压力释放阀用于压力保护。
2.3.2 牵引变压器主要电气参数
原边绕组容量 原边绕组额定电压 原边绕组额定电流 牵引绕组额定容量 牵引绕组额定电压 牵引绕组额定电流 牵引绕组短路阻抗 谐振电抗器主要电气参数
谐振电抗器电感值 额定电流 最大电流 频率
2.4 牵引变流器电路 2.4.1 四象限整流电路
四象限整流器在牵引工况下进行交—直变换，为中间直流电路提供电能；在再生制动工况时，通过中间直流电路进行直—交变换，将电能回馈给电网。
每台主变流器中有２个四象限整流器。每台四象限整流器通过1个预充电电阻和２个交流接触器与主变压器的１个牵引绕组相连接，两个四象限整流器将交流电变换成直流电，并联向中间回路供电。四象限整流电路使得中间直流环节的电压保持稳定，并使变压器次边的功率因数接近于1。
当牵引变流器投入运行时，首先通过预充电电阻对中间直流电容进行充电，然后再闭合线路接触器，这样可以避免大的电流冲击。否则，如果输入电压直接加载到未充电的支撑电容器组上，将会导致瞬间峰值电流。当中间直流电压达到其理论终值（牵引绕组的峰值电压）的95％后，线路接触器才可以切换至闭合状态。
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11000 kVA 25k V 440 A 4×2750 kVA 4×2121 V 4×1297 A 0.365
2×0.35 mH 1130 A 1700 A 100 Hz
2.4.2 中间直流回路
中间直流电路由中间支撑电容、二次滤波电路、短路保护电路和接地检测电路组成。为了在主电路发生故障时能够实现对故障电路的切除，每台主变流器的中间直流回路上设置了３个隔离开关。 2.4.2.1 中间支撑电容
中间支撑电容作为储能器，起缓冲和平滑中间直流回路电压的作用。这个储能器是必要的，因为在一个短的时间周期内输入和输出中间回路的能量不相等，需要支撑电容对牵引变流器和牵引电机进行能量解耦。 2.4.2.2 二次滤波电路
二次滤波电路是一个谐振电路，由谐振电容器和置于主变压器中的谐振电抗器组成，用来过滤中间直流回路中两倍于输入电压频率的能量流产生的纹波。它作为一个串联的谐振电路工作，其谐振频率为两倍基波频率。为了保证其谐振频率，谐振电容器分为固定电容器和可调电容器两部分。可调电容器可由用户定期调整（每10 年），以避免频率漂移。 2.4.2.3 短路保护电路
短路放电装置是一个保护模块，由２个硬短路放电装置(HCB) 和１个软短路放电装置(SCB) 组成。
软短路放电装置是一个短路晶闸管，它与一个0.5 Ω的短路电阻（与短路放电装置分开，但也在牵引变流器内部）相连。
硬短路放电装置包括一个短路晶闸管及其控制装置和扼流圈。硬短路放电装置仅用于IGBT 非常危急的情况，能够迅速地对中间直流回路放电，以一定的周期及时地吸收来自牵引变流器和牵引电动机（反馈）的能量，避免其他部件受到任何损坏。
短路放电装置的触发由TCU 软件实现。 2.4.2.4 接地检测电路
接地故障检测由分压器、拟位势绝缘的差动放大器和一个比较电路组成。分压电阻器的阻值按３:１的比例划分成两部分。电阻器的中心抽头接地，一个滤波电容器并联在阻值低的电阻器上。监控该电容器的电压，当发生接地故障时，被测电压发生变化，由此，相关联的牵引控制单元TCU 就能识别一个接地故障。 2.4.3 PWM逆变电路
PWM逆变电路根据机车运行要求，将中间直流电压变换为所需要的频率和幅值的三相交流电压，提供给牵引电机或辅助变压器。
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每台主变流器包含３台牵引逆变器和１台辅助逆变器，牵引逆变器向１台牵引电机供电；辅助逆变器通过隔离开关给辅助系统的辅助变压器供电。每台车2台主变流器中的2个辅助逆变器之间设置了3个隔离开关，用于当辅助逆变器故障时的冗余切换。 2.4.4 四象限变流器和PWM逆变器模块的保护 2.4.4.1 过压保护
在直流回路电压大于整定值时，触发软短路保护电路，断开主断路器HVB。 2.4.4.2 过流保护
在短路和其它故障情况下，在达到最大支路电流前自动封锁相关的模块触发脉冲。 2.4.4.3 牵引电机的短路保护
当牵引电机端子或绕组内发生短路时，PWM的触发脉冲将被封锁。 2.4.5 库用动车电路
三相380 V交流电由库内电源插座引入到机车的辅助系统，经辅助变压器反向升压后由相应的辅助逆变器向中间直流回路充电，再通过PWM逆变器在牵引电机上产生驱动力矩，驱动双节机车以约5km/h 的速度运行。此时机车由司机台的主控制器进行操纵。 2.4.6其它功能
辅助逆变器集成在主变流器柜中，使用主变流器的中间回路。这样做除了方便库内动车外，机车在通过绝缘分相区时可实现辅机不断电运行。 2.5 牵引电机
该电机根据电压型PWM逆变器供电的特点进行特殊设计，以保证在PWM逆变器的整个输出电压、频率范围内电机的脉动转矩、损耗和噪声均满足铁路牵引运用要求。电机能承受由于机车运行时所产生的振动和冲击，以及由于电气突然短路时产生的短路转矩。电机采用绝缘轴承防止电机轴电流的产生。 2.6故障切除模式
每台机车安装了两个相同的主变流器柜，每柜中包括2个四象限整流器、3个牵引逆变器、1个辅助逆变器和中间回路等。每个主变流器柜中有2个牵引逆变器直接和相应的脉冲整流器相连，构成2个脉冲整流器---牵引逆变器回路；余下的1个牵引逆变器与辅助逆变器相连，构成1个辅助逆变器---牵引逆变器回路。 3个常闭的电动隔离开关把它们连接起来，用以在故障时实现对故障部件的隔离。接地检测、二次滤波和短路保护等回路置于3个隔离开关之间，使它们能够始终和工作电路连在一起。具体参见图1。
当辅助逆变器、与辅助逆变器直接相连的牵引逆变器或对应的牵引电机故障时，断开
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相应的隔离开关，把故障的辅助逆变器---牵引逆变器回路切除，由另一台主变流器柜中的辅助逆变器对整车的辅助系统供电，机车保持5/6的牵引功率；
当单个脉冲整流器、与整流器直接相连的牵引逆变器或对应的牵引电机故障时，断开相应的隔离开关，把故障的脉冲整流器---牵引逆变器回路切除，机车保持3/4的牵引功率；
当接地检测、二次滤波等公用回路故障时，切除相应的主变流器，机车保持1/2的牵引功率； 3 辅助电路 3.1 概述
辅助电路原理图参见附录2：辅助电路原理图；
两个辅助逆变器分别输出3 AC 80…440 V，10…60 Hz和3 AC 440 V，60 Hz的电源，分别经辅助变压器的变压、隔离、滤波后给变频变压和定频定压的负载供电；
辅助电路采用冗余设计；
库内动车通过机车上的库内供电插座101XS或102XS，经辅助变压器101AT的变压和辅助逆变器1的整流给主变流器1的中间回路供电，或经辅助变压器102AT的变压和辅助逆变器2的整流给主变流器2的中间回路供电，通过牵引逆变器的逆变控制给牵引电机供电，从而实现库内动车；
通过库内供电插座101XS或102XS，可对机车上的辅机进行库内测试，也可给充电机供电从而使充电机给蓄电池进行充电。 3.2 变压变频支路 3.2.1 电路说明
辅助逆变器Aux_INV1输出3 AC 80…440 V，10…60 Hz电源，经逆变器输出接触器给给辅助变压器101AT供电，经辅助变压器的变压、隔离、滤波后给6个牵引风机、2个冷却塔风机供电；
在辅助变压器的原边为三角形连接，可通过主变流器中间电路的接地检测来进行接地保护，次边为星型连接，中心点通过接地电容进行接地，以稳定次边电路对地电压，在次边有一点接地时可抑制回路的短路电流；
在辅助变压器的次边输出端接有三角形连接的滤波电容，可抑制次边的谐波电流和谐波电压；
辅助变压器的次边为星型连接，在其中性点上接有接地检测装置，可对次边电路进行
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接地故障检测；
另外，在辅助变压器的次边电路上装有交流电压互感器11T合12T，检测次边回路的电压，用于辅助逆变器的控制和系统的过压保护。 3.2.2 辅助变压器
额定输入电压 额定输出电压 额定输入电流 额定输出电流 额定频率 工作频率范围 冷却方式
3 AC 1672 V 3 AC 440 V
104 A 394 A 60 Hz 10～60 Hz 强迫风冷
控制系统检测辅助变压器的温度，当温度达到130℃时在HMI上报警，当温度达到150℃时切断负载。 3.2.3辅助逆变器
额定中间电压 输出电压（可变） 输出频率（可变） 最大输出容量 3.3定频定压支路
辅助逆变器Aux_INV2输出3AC440V，60Hz电源，经辅助逆变器输出接触器给辅助变压器102AT供电，经辅助变压器的变压、隔离、滤波后给机车定频定压的辅助负载供电。
在辅助变压器的原边为三角形连接，可通过主变流器中间电路的接地检测来进行接地保护，次边为星型连接；中心点通过接地电容进行接地，以稳定次边电路对地电压，在次边有一点接地时可抑制回路的短路电流。
在辅助变压器的次边输出端接有三角形连接的滤波电容，可抑制次边的谐波电流和谐波电压。
在变压器的次边电路上装有接地检测装置，可对次边电路进行接地故障检测。 另外，在辅助变压器的次边电路上装有交流电压互感器21T和22T，检测次边回路的电压，用于辅助逆变器的控制。
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3500 A 80V～440 V 10～60 Hz 400 kVA
3.4 AC230V负载电路
AC230V电路如附图3 所示，包括230V电源和230V 负载。通过16kVA的变压器给窗加热、电热炉、微波炉、撒沙加热、暖风机风扇等负载供电。
AC230V负载电路的原理图参见附录3：AC230V电路原理图。 3.5 库内动车和库内辅机试验电路
库内3AC380V电源通过两个库用插座的其中一个给定频定压辅助电路供电，通过相应的接触器连接，可给变频变压辅助电路供电。库内电源连接好后，有相应的相序检测继电器对库内电源进行检测，只有在相序正确的情况下库内电源的输入接触器才能吸合。库内电源的输入有熔断器对库内动车和库内辅机测试进行过流保护。
在机车库内动车时，切除滤波电容，投入预充电电阻（预充电完成后短接预充电电阻），经辅助变压器101AT升压后给主变流器1供电，经辅助变压器102AT升压后给主变流器2供电，再经过主变流器的四象限整流后给中间电路供电，此时通过牵引逆变器的控制可驱动机车。
库内辅机测试时，通过手动闭合某一个负载的自动开关使负载投入工作。 4 控制电路
控制电路由蓄电池充电机、蓄电池、各种操控开关、接触器、断路器、指示器件、 继电器等电气元件组成，与微机网络控制系统一起完成机车的控制功能。系统具有欠压提示功能，当蓄电池电压低于88V和低于77V 时，系统会通过微机显示屏给出相应的报警信息。当机车不投入运用时，断开蓄电池输出自动开关，将切除除停放制动阀以外的所有110V负载，可有效地杜绝蓄电池亏电的情况发生。
控制电源及分配见附件4：控制电源及分配 4.1 控制系统负载及其容量要求
机车上的 110V负载主要有控制系统各部件、控制电路中的接触器等控制电器、车内外照明、辅助压缩机、24V电源及相关的加热等，具体见图4所示。这些负载对110V电源的需求可分为两部分：一是持续的电源需求，如冰箱、头灯等，二是瞬时或短时的电源需求，如接触器、辅助压缩机等。持续的电源需求必须由蓄电池充电机提供，瞬时或短时的电源需求或由蓄电池提供。 4.2 控制系统电源
控制系统电源由蓄电池、蓄电池充电机及其配电系统组成，为控制系统提供直流110V
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电源。蓄电池放置在专门的蓄电池柜中，蓄电池充电机和配电电路放置在控制电源柜中。蓄电池充电机由5个110V充电模块、2个24V电源模块和1个充电机监控单元组成。单个110V充电模块的额定电流为30A，当有1组电源模块故障时，仍有120A的输出能力，能够满足机车正常运用时对110V电源的需求。 4.3 受电弓、主断控制电路
受电弓、主断控制电路见附图5。 4.3.1 受电弓控制
每台机车都安装了2台受电弓。一般情况下，一台机车只升一台受电弓。特殊常情况下一台机车可以升两台受电弓。当司机室操纵台占用时（电钥匙开关闭合），机车主控CCU完成整台机车受电弓的选择。受电弓模式选择开关21-S51的位置决定将要升起的受电弓，此开关只有在主断断开受电弓降下时操作有效。共有四种模式可供选择：受电弓1、自动、受电弓2、双弓。机车在重联运行模式下，每台机车将根据自身的受电弓选择开关的位置来选择升起的受电弓。如果满足升弓条件，在司机推动升弓扳键开关后，升起相应的受电弓。
如果升弓的气压不足（由压力开关检测），当有“升弓”命令时，辅助压缩机会自 动启动工作。微机显示屏上有信息通知司机。如果气压足够，CCU控制受电弓电控阀升起受电弓（如果升弓条件已经完全满足）。
如果受电弓已经升起同时气压变低，辅助压缩机自动投入工作，防止受电弓降下。 在微机显示屏上显示信息通知司机出现了这种情况。如果司机给出了降弓命令，辅助压缩机立刻停止工作。
如果受电弓已经升起 15 分钟，但没有检测到网压或者主断没有合上，CCU控制受电弓自动降下。 4.3.2 主断控制
主断控制由硬件电路和软件部分组成。主断回路由一些硬件和软件触点串联组成，主断回路断开将引起跳主断。
当TCU 发生故障被切除的时候，由CCU对故障TCU进行旁路，保持主断回路闭合。 4.3.2.1 合主断控制
在每个司机室操纵台安装一个主断扳键开关。在1端司机室为=21-S12，在2端司机室为=21-S22。如果所有合主断的条件满足了，在占用端司机室，司机可以通过推动“合主断”扳键开关来闭合主断。这个命令在重联的所有机车都有效。
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“合主断”命令通过WTB传送到重联车。为了避免给供电网带来过大的合闸电流，在WTB重联车上主断将延迟5秒闭合。如果主断已经闭合，“合主断”命令将不起作用。
每一台机车的合主断条件在占用端司机室的IDU上采用“状态总览”的方式显示。CCU 控制机械室的MIO模块输出指令去闭合主断。 4.3.2.2 分主断控制
任何失效的允许合主断条件都导致主断断开；同样来自操纵台的指令或者过分相请求 都会断开主断路器。
如果主断已经由 CCU 控制分断，当引起分断的原因消失后主断不能自动合上，需要由司机控制手动合上主断。 4.3.2.3 主断自检
在每天00：00时后机车的第一次启动时，主断自检自动进行（通过断开再闭合“受电弓/主断”的MCB也能触发主断自检）。
在自检过程中，通过闭合和分断方式，检查相应的MIO输出模块和控制继电器。如果 CCU 检测到任何故障，在微机显示屏上有信息通知司机。 5 电气系统主要技术参数 5.1 主电路技术参数 项点 主变压器
原边绕组额定容量 原边绕组额定电压 原边绕组额定电流 牵引绕组额定容量 牵引绕组额定电压 牵引绕组额定电流 牵引绕组短路阻抗 额定效率 变压器主要尺寸 谐振电抗器
11000 kVA 25kV 440A 4×2750 kVA 4×2121 V 4×1297 A 0.365 97 %
参数值
备注
2510 mm×1950 mm×
972mm (L×W×H)
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谐振电抗器电感值 额定电流 最大电流 频率 主变流器 额定输入电压 额定输入电流 额定输入频率 中间直流电压 额定输出电压 额定输出电流 最大输出电流 中间支撑电容 谐振电容 效率 外形尺寸 牵引电机 额定功率
额定电压（基波） 额定电流（基波） 额定转速
额定效率（基波） 起动转矩
1633 kW
2121V/50 Hz 2×1297 A 50 Hz DC 3500V 3×2730V 3×420 A 3×480 A
5mF（2×1+1+2×1） 7.56 mF ≥97.5%
2×0.35 mH 1130 A 1700 A 100 Hz
3400 mm×1060 mm×
2000 mm (L×W×H)
2750V 405 A 2275 rpm 96.2 %
9240 Nm (半磨耗车轮) 2808V
当DC3600V，且牵引工况时当DC3700V，且制动工况时对应140km/h车速
最大电压（基波）
2886V
最高转速
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4065 rpm
5.2 辅助电路技术参数
项点
辅助逆变器 额定输入电压 额定输出容量 最大输出容量 额定输出频率 辅助变压器 绝缘等级 质量 外形尺寸 冷却方式 绕组形式 变比 额定输入电压 最高输入电压 额定输出电压 额定输入电流 额定输出电流 额定频率范围 额定容量 最大容量 额定效率 噪声
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参数值 备注
DC 3500 V 200 kVA 400 kVA 60 Hz
辅助电源冗余模式
H级 730% kg 约862×675×620 强迫风冷 △/Y 3.8 1672 V 2170 V 440 V 110 A 393 A 10～60 Hz 300 kVA 340 kVA 95.5% ≤80dB
+1−3
(持续10 min，下 一次间隔30min
5.3 控制电路技术参数
项点
充电机参数 输入电压 额定输出电压 最大输出电流 蓄电池参数 蓄电池类型 单体额定电压
10小时率容量（终止电压1.8V/单格）
1小时率容量（终止电压1.7V/单格） 最大充电电流 最大放电电流
AC 440V DC 110V 170Ah
3AC 440 V, 60 Hz DC 110 ±1% V 150A
在库内电源模式下输入电压为：3AC 380 V, 50 Hz。
参数值 备注
102Ah 22.5A 510A
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附录1 主电路原理图
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附录2 辅助电路原理图
接控制系统
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附录3 230V负载电路
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附录4 控制电源及分配
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附录5 受电弓及主断控制
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