高速列车车网电气安全防护理论与方法研究

Aiming at the electrical safety problems of overvoltage between electric multiple units (EMU) and traction power network (TPN) of high-speed railway, which can cause the device, component damage and even EMU operation interruption, the research “electric security protection theories and methods between multiple units and traction power network of high-speed rail” is proposed. Using the real-life data of EMU and TPN, based on the characteristics of CRH EMU and full parallel TPN, the electrical coupled model of EMU and TPN and their grounding system model are established. For the low-frequency oscillation overvoltage between EMU and TPN, its production mechanism and influencing factors are analyzed, and electrical matching method is proposed. Based on the analysis of overvoltage influence mechanism for the traction drive system, the rapid diagnosis and fault tolerant control strategies for key components of EMU are proposed. Based on the relationship research between EMU working grounding and protective grounding, the optimization design of EMU grounding system is given. The project aims to reveal the mechanism of over-voltage low-frequency oscillation between EMU and TPN. A set of suppression and protection methods for the low frequency oscillation overvoltage are proposed and designed.

针对目前高速列车车网过电压引起牵引传动系统设备故障、元器件烧毁，甚至导致行车中断的电气安全防护问题，提出开展“高速列车车网电气安全防护理论与方法”研究。结合动车组与牵引网实际线路检测监测数据，分析动车组和牵引网的特性，建动车组与牵引网电气耦合模型和动车组接地系统模型；对车网低频振荡过电压产生机理及影响因素进行研究，提出抑制低频振荡过电压的电气匹配方法；分析车网过电压对牵引传动系统电气安全防护的影响机理，提出车网过电压下牵引传动系统核心部件故障快速诊断及相关回路容错控制策略；研究动车组工作接地和保护接地之间的相互影响关系，提出动车组接地系统的优化设计方法。项目旨在揭示车网低频振荡过电压产生机理，提出一套抑制车网低频振荡过电压的防护方法和设计方案。

针对目前高速列车车网过电压引起牵引传动系统设备故障、元器件烧毁，甚至导致行车中断的电气安全防护问题，提出开展“高速列车车网电气安全防护理论与方法”研究。研究内容：在车网低频振荡过电压产生机理与传播规律方面，建立了车网耦合系统模型，精确分析了车网系统的稳定性和低频振荡产生机理，分别从机车侧和牵引网侧提出了抑制低频振荡的有效方案；在车网过电压下动车组牵引变流器电气防护方面，分析了牵引整流器以及牵引逆变器IGBT开路状态下的故障特征，建立了变流器故障快速诊断与准确定位算法；在动车组接地的电气安全防护设计方面，建立了车网一体化电路模型，评估了常见电磁暂态情况下不同动车组接地行为下的过电压，提出了动车组接地系统优化设计方案。重要结果：阐明了车网低频振荡的产生机理及不同参数对低频振荡问题的影响规律；通过从机车侧调整整流器控制参数和优化控制策略来改善机车性能，以及从牵引网侧接入无功补偿装置有效地抑制车网系统低频振荡现象；搭建了NI-PXIE半实物实验平台和基于动车组实际变流器控制单元的8车级联半实物平台进行实验验证；建立了牵引变流器的解析模型，对牵引变流器IGBT的各种故障情形进行故障反演再现；利用键合图建模方法对牵引逆变器进行建模，实现任意个数IGBT故障的诊断；建立了动车组普通轮对和泄流轮对过绝缘节切断点的等效电路模型；推导了牵引网回路对车体接地回路的电气耦合系数；提出了一种用于评估车体电压波动对BCU速度传感器速度检测所造成电磁干扰影响情况的方案，并进行实际现场测试与试验。科学意义：从理论角度深入研究揭示车网低频振荡过电压产生机理和车网过电压下动车组牵引变流器故障机理与演变规律，提出一套高速列车车网电气安全防护方法和设计方案，提升高速列车车网系统的可靠性和列车运行安全水平。