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电力机车主电路
第二十二章电力机车主电路
电力机车电气线路通常由三部分组成，即主电路、辅助电路和控制电路。
主电路是指将牵引电动机及其相关的电气设备连接而成的线路，该线路具有电压高、电流大的特点，因此亦称高压线路或牵引动力电路。
根据机车的运行情况，对机车提出了各种要求，以满足机车安全运行的需要。
主线路的结构将直接影响机车运行性能的好坏、投资的多少、维修费用的高低等重要经济指标。
本章通过对各型机车主电路单元电路的结构方式，如整流调压方式、供电方式、磁场削弱方式、电气制动方式的讨论过渡到具体机车的主电路。
学完本章应达到如下目标：
1.掌握机车主线路的组成及结构特点；
2.会分析SS型电力机车主线路原理；
3.熟悉机车保护线路的原理，熟悉主型机车上采取的保护措施。
第一节概述
一、机车电气线路的分类
电力机车的电气线路就是将各电气设备在电方面连接起来构成一个整体，用以实现一定的功能。
整流器电力机车的电气线路通常都由三部分组成，分别是主线路、辅助线路和控制线路。
各种保护设在各线路之中，在电方面不独立存在。
主线路是指将牵引电动机及与其相关的电气设备（如：
牵引变压器、调压开关、整流元件、转换开关等）用导线（或铜排）连接而成的线路。
由于该线路的电压为接触网电压与牵引电动机电压，电流为变压器绕组电流与牵引电动机电枢电流，因此该线路中的电压较咼、电流大，又称咼压线路。
辅助线路是指将辅助电机（如：
劈相机、压缩机电机、通风机、油泵等）和辅助设备（如：
取暖设备、电热玻璃等）及与其相关的电气设备连接而成的线路。
其工作电压视辅助电机类型而定，一般为交流380伏、220伏或直流几百伏。
控制线路是指司机控制器、低压电器及主线路、辅助线路中各电器的电磁线圈等所组成的线路。
通过控制线路可以使主线路和辅助线路中的电器协调动作。
该线路中一般采用低压直流电源，电压值为50〜110伏，所以又叫低压线路，我国生产的电力机车其控制线路的电压为110伏。
机车的三大线路在电方面基本上是相互独立的。
它们之间通过电磁、机械或
电空传动相联系
二、对机车主线路的基本要求
根据机车的运行情况，对机车的电气线路提出一定要求，机车主线路本身应满足以下几方面的要求：
1•由于主线路是高压线路，因此在升弓带电情况下，要保证工作人员与高压带电部分隔离。
2•能快速接通和断开电路。
3•在网压波动的允许范围内能可靠地工作，具有一定的过载能力，对地有良好的绝缘。
4.能改变机车的运行方向，能进行起动和调速。
5•尽可能作到起动平稳、调速平滑、减少冲击。
6.在故障情况下有维持运行的故障线路。
7.有防空转保护装置。
8.有充分的保护。
9.有电气制动的机车应能可靠地进行牵引一一制动转换，并保证电气制动
的电气稳定性和机械稳定性。
10.应有使机车入库的低压电源及入库线路。
电力机车主线路是非常重要的。
机车主线路要进行功率传递，其结构决定了机车的类型，同时在很大程度上也决定了机车的基本性能，直接影响机车性能的优劣、投资的多少、维修费用的高低等技术经济指标。
三、电力机车主线路的组成
电力机车主线路一般均由以下几部分组成：
1.变压器一次侧线路；
2.变流调压线路；
3.负载线路；
4.保护线路。
第二节电力机车主线路结构分析
衡量电力机车主线路性能，一般从以下六个方面进行考察：
、变流调压方式
整流器电力机车的变流调压方式有高压侧调压低压侧不可控整流、低压侧调
压不可控整流、晶闸管移相调压和晶闸管级间平滑调压等几种方式，
相控调压的基本原理已在第二十章中详述，其基本特点是可以使输出电压平滑调节，实现所谓的无级调压。
相控调压可以分为全控整流调压、半控整流调压两类，其中在无再生制动情况下以半控整流调压为好，主要表现在功率因数的改
善方面。
低压侧调压与半控整流调压相结合就是晶闸管级间相控平滑调压，其主
要解决的问题也在于提高机车的功率因数。
二、供电方式
供电方式可分为集中供电、半集中供电及独立供电等几种方式。
图22-1为典型的集中供电线路，它是由一套调压整流装置给所有的牵引电机供电。
集中供电线路在配线和总体布置上都比较简单，整流装置的容量较大，缺点是当各牵引电动机在特性上出现差异时在并联电机支路中有环流存在，当该
机车由其它机车拖动与原运行方向相反时，牵引电动机将依靠剩磁发电，其中发
电机电势较高的一个电机将通过其它电机形成自励回路，最后造成牵引电机并联
自励发电短路，为此在机车线路中都加设了线路接触器。
此外，当一组整流器故
障时，将使整台机车的功率降低一半。
图22-2半集中供电线路
半集中供电线路如图22-2所示，机车主线路有两组整流装置，每组整流器给一半牵引电动机供电，这种供电线路的特点是每组整流器的容量可以相对小一些，但当一组整流器故障时，也将使整台机车的功率降低一半。
对于Co-Co、Bo-Bo轴式的机车，半集中供电也叫做转向架独立供电。
（a）变压器二次侧共用绕组式（b）变压器二次侧独立绕组式
图22-3独立供电线路
图22-3所示两种独立供电线路，其共同特点是可以避免上述两种电路存在
的缺陷。
即当各电机特性有差异时不会形成环流，若一组整流器故障时，仅切除
相应的一台牵引电动机而不影响其它支路，机车功率下降要少一些。
图22-3（a）
所示电路为变压器二次侧共用绕组式供电线路，当这种线路中的整流元件为可控
元件时，若一组整流器换向时，其余各支路整流元件的阳极电压均下降为元件的正向压降。
这样，各整流支路就会发生逐个换向的现象，造成各支路输出平均电压不相等，电动机特性差异增加。
为克服上述缺点可采用图22-3（b）所示的变压
器二次侧独立绕组式供电线路，这种线路还使变压器二次侧绕组中的电流减小，但却使变压器绕组增加了许多，绕组间还有绝缘方面的要求。
三、磁场削弱方式
磁场削弱的方式有改变励磁绕组匝数的励磁绕组分段法、励磁绕组串-并联转换法和改变励磁电流的电阻分路法及晶闸管分路法四种方式，其中常用的是后两种。
电阻分路法是在励磁绕组旁并联电阻使流过励磁绕组中的电流减小，达到磁
场削弱的目的，通常用两个电阻实现三级磁场削弱。
晶闸管分路法是在励磁绕组旁并联晶闸管，对牵引电动机的励磁电流根据要求的B值进行旁路，从而达到削
弱磁场的目。
晶闸管分路加上相控调压可以实现机车的全无级调速。
四、电气制动方式
电气制动方式有电阻制动和再生制动。
目前，大功率电力机车都配备有电气制动。
电阻制动线路如图22-4所示，制动时一般将牵引电动机接为它励，各牵引
电机的电枢分别与制动电阻接成独立回路，各牵引电机的励磁绕组串联后由一半控桥供电。
电动机转为发电机运行，电能消耗在制动电阻中。
图22-5加馈电阻制动线路
为了使电阻制动在低速区也获得最大恒制动力特性，近年来在机车上又采用了加馈电阻制动方式，线路如图22-5所示。
从电路中可以看出，制动力是靠整
流桥相控输出整流电压Ud，对制动电路实施电流加馈，以维持制动电流不变（1=（Ud+E）/R），实现恒制动力特性。
采用再生制动时，牵引电机励磁电路与电阻制动时相同，所不同的是电枢回路，如图22-6所示，牵引电机作为发电机运行，变流器此时作为逆变器，将发电机的电能反馈到接触网中去。
变流器必须采用全控整流线路或中抽式可控整流线路才能实现逆变要求。
此外，在牵引电机电枢回路中还应串再生稳定电阻Rw。
五、牵引电动机型式及联结方式
牵引电动机型式主要有串励牵引电动机和复励牵引电动机。
为更好的利用机
车的粘着力，一般采用全并联的联结方式。
六、检测及保护方式
为使机车乘务人员随时了解机车的运行状态，掌握牵引电动机的工作情况，
机车通常设有各种检测电路。
机车主线路的交流侧通过电流、电压互感器对接触网电压、一次侧电流进行检测，牵引电机电流的检测方式是用直流电流传感器检测牵引电机的电枢电流和励磁电流（电气制动状态），检测的电流信号接到安装在司机台的电流表上，直接向司机指示牵引电动机电流。
电压的检测是用直流电压传感器，检测获得电压信号后接到安装在司机台的电压表上，直接向司机指示牵引电机电压。
为了保证电力机车可靠运行，在机车的电气线路中必须设置一系列的保护，使机车线路在发生故障时迅速切断相应电路，避免机车电气设备遭到损坏，或防止故障进一步扩大。
当机车故障不能及时排除时，还应能够方便地组成故障线路，使机车能在故障情况下维持运行。
根据机车故障现象的不同性质，线路中的保护一般分为过流保护（包括短路和过载保护）、接地保护、过电压保护、欠电压保护及其它一些特殊保护。
保护的方式则根据故障对机车线路、电气设备及对列车运行的影响大小而不同，有切断机车的总电源，或切断故障线路的电源，也可以仅给司乘人员以某种信号引起注意，还可以在故障发生后自动予以调整。
1•过流保护
过电流是指电气设备过载、设备及线路短路引起的电流剧增。
过电流容易造成电气设备的绝缘老化，设备烧损严重的引起失火。
机车上通常用断路器、过载继电器、自动开关和熔断器进行过电流保护。
电力机车的短路保护一般采用高速自动开关或主断路器。
在整流器机车上，
变压器的一次侧设有过流保护继电器，当变压器一次侧或二次侧发生短路时，均引起变压器一次侧电流剧增，超过保护继电器动作值而使其动作时，使主断路器跳闸。
牵引电动机的过载保护多采用电磁式过载继电器。
牵引电动机回路中的母线穿过继电器铁心，当牵引电动机过载电流超过继电器动作值时，继电器动作，引起主断路器跳闸。
对于相控机车，用直流互感器检测牵引电动机电流，并把过载信号送入牵引过载继电器，此时不仅要切断机车总电源，同时还要封锁电子触发线路。
电气制动时的牵引电动机过载也可用过载继电器，但一般不切断机车总电源，而只切断励磁回路电源，同时封锁相应的电子触发线路。
辅助线路的过电流保护有两种保护方式，一种是通过过流继电器切断机车总电源，另一种是切断辅助线路电源，后者对机车运行有利，但须增设一断路器。
对于控制线路及其它部件（如：
电炉、电热玻璃等）的过载一般采用熔断器、自动开关等进行保护。
2•接地保护
机车上电气设备或电气线路因绝缘破坏、飞弧或其他意外情况，使带电导体与金属部分接触即为接地。
根据接地点是否稳定分为“死接地”和“活接地”，
与车体钢结构直接接触的为“死接地”；裸露导线部分通过空气对钢结构放电或通过绝缘物表面对钢结构爬电的为“活接地”。
接地将导致短路故障而烧损设备或导线，因此在电力机车的主线路和辅助线路必要时控制线路中必须设有接地保护。
主要的接地保护手段是采用接地继电器。
图22-7接地保护装置原理
接地保护装置如图22-7所示。
图中J为接地继电器，正常运行时，继电器J中不通过电流而处于释放状态。
当主线路任一点接地时，直流电源E可通过J
与线路中接地点构成回路，使接地继电器动作。
这种保护装置消除了保护“死区”,保证了接地保护的可靠性。
由于主线路对地电位处于浮动状态，在回路与地（车
体）之间具有潜布的电容电流，该电流经过接地继电器有可能造成继电器的误动作。
为了防止这种现象发生，在接地继电器线圈两端并联一电阻Ri，使部分电
容电流通过电阻，减小了接地继电器中的电容电流，使其不致误动作。
此外，该电阻还可在线路发生接地的瞬间，避免过电压对接地继电器本身的危害。
发生接地故障后，如运行途中不能及时处理而需要维持机车运行时，在确认只有一点接地时，可以用故障转换开关将接地继电器切除，在图22-7中，将转换开关由1位转至2位，将主线路经由一大电阻R接地，维持机车运行。
3.过电压保护
过电压是指对电气设备绝缘有危险的电压升高，它是由系统的电磁能量发生瞬间突变所引起的，对电力机车的电气设备会造成严重损害，如使绝缘击穿、电
机环火等。
过电压主要有两种，一种是大气过电压（外部过电压）它是由外部直击雷或雷电感应突然加到机车上引起的；另一种是操作过电压（内部过电压），
由于线路本身的变化产生，如切断感性回路、整流装置换相或故障等引起的机车内部电磁能量的振荡、积聚、释放。
这两种过电压产生时，电压增长速度很快，以冲击波形式出现，因而一般不用带有传动件的电器保护。
为防止大气过电压带来的危害，一般在机车顶部装有放电间隙或避雷器，如图22-8所示。
当大气过电压袭击时，若电压大于放电间隙的击穿电压，则放电
图22-8放电间隙
图22-9阻容吸收电路
间隙FDQ被击穿成短路状态直接接地，将过电压的能量排泄掉，使过电压不致进入机车内部。
对于低于放电间隙击穿电压的过电压，则可以进入机车内部，虽然是变压器
和主断路器所能承受的，但它可通过电磁感应和静电感应进入变压器二次侧，仍
能损坏机车内部的其它电气设备。
另外，机车操作过电压对电气设备也有损害。
因此对这两种过电压的保护采用阻容吸收电路，如图22-9所示。
阻容吸收电路是由电阻与电容串联而成的支路构成，并接在变压器二次侧绕
组处。
电容元件具有端电压不能跃变的特性，可抑制尖峰状过电压。
为了避免电
容与电感产生谐振现象，在保护电路中串入阻尼电阻，待过电压消失后，电容再
通过串联的电阻构成放电回路而缓慢放电。
除上述两种过电压外，运行中还会出现缓慢增加的过电压，如由于网压的波动有时会使牵引电动机的电压超出额定电压。
再如机车在电气制动时，牵引电机作为发电机运行的发电电压也会由于各种原因超过额定电压（如：
运行速度较高、
励磁电流较大等）。
但是，这种过电压由于增长得比较缓慢，且幅值不是太大，因而危害也小些，不需要专设保护装置，仅靠仪表监视或给司机以某种信号（如:
装设过压音响信号），引起司机注意，通过操作来消除。
4.欠电压保护
欠电压的产生是由于接触网的电压过低或者突然失压，当接触网电压过低时，使机车不能以正常功率运行，辅助机组不能正常工作，在再生制动时很容易使逆变失控，接触网电压消失时，机车当然要停止运行，但如果电压又突然恢复，会造成电气及机械上很大的冲击，这是不能允许的，因而也必须进行保护。
在整流器机车上，一般在变压器的辅助绕组上装设欠电压继电器或电子装置，当电压低于某一数值时，通过欠电压继电器或电子装置都能使主断路器跳闸保护。
在机车运行过程中受电弓短暂离线会使机车失压，这种情况是允许的，因
此，欠电压继电器应有适当的延时。
5.其它保护
除了以上介绍的几种保护以外，在电力机车上还有一些其它的保护，如防空转保护、再生制动时的特殊保护，以及油流、风速监视等。
大功率的货运电力机车在牵引状态下运行时，容易发生空转现象。
当发生空
转后，粘着条件被破坏，造成牵引力丧失，牵引电动机转速剧增，易造成转子绑线甩开、绝缘损坏形成“扫膛”等。
同时空转也会增加机车轮箍的磨耗，因而在机车上应设有防空转保护。
防空转保护的方法有很多种，一般取牵引电动机的电流、电压或速度作为信号，将各电机信号进行比较，规定一差值限度，当电机之间的差值超过这一差值限度时，即视为牵引电动机发生了空转，这时可通过电子装置自动降低牵引电动机的电压，以减小机车牵引力，使之恢复到粘着条件之内。
也有的机车在发生空转时通过保护装置使机车动轮自动地小量上闸来制止空转。
对于防空转来说，目前大量的保护装置都是在机车发生了空转现象后，采取措施迅速地阻止其发展而恢复粘着状态。
比较理想的保护方法应该是空转即将发生时，将其滑动过程（即空转意识）测出，从而防止空转发生。
先进的防空转保护是利用仪器对车轴的振动进行测量，由于一个轮对的两个轮子的粘着情况是不同的，当空转发生时，必然是其中的一个轮子首先失去粘着力，这样就在车轴内形成一种特有的振动，用一种仪器将此时的振动测出之后，以此作为控制信号来对机车进行自动调整，这样可以更有效地防止空转发生。
对于在进行再生制动，其保护原则与牵引时有很大的区别，整流器电力机车在再生制动时，如果电网电压突然消失，即变压器二次侧绕组电势消失，相当于发电机的负载消失而造成失压短路。
因此这种机车除对受电弓的性能要求较高，再生制动工况实施双弓运行外，还可利用高速开关切断发电机电路。
机车上的变压器、牵引电动机、整流机组、平波电抗器等都用油冷、风冷等强迫冷却，因而对它们的冷却系统要有监视，以防在冷却系统不正常时使电气设备因过热损坏。
一般采用油流继电器和风速继电器进行监视，一旦冷却系统故障，通过油流和风速继电器的联锁切断相应的回路或引起降级。
但这类保护应有一定
的延时，以免因冷却系统瞬时故障影响机车的正常运行。
第三节SS8型电力机车主线路分析
为便于理解机车电气线路，约定在机车电气线路原理图中，所有开关和触头表示两位置开关在机车工端向前牵引位；按键开关在断开位；继电器、接触器、电空阀在无电释放；行程开关、刀开关触头和联锁触头在运行位：
主断路器联锁触头在主断路器的断开位。
SS8型电力机车的主电路如附图一所以示，主电路的线号为100〜199号。
机车主电路从六个方面考查其特点：
1、主传动形式：
采用传统的交-直传动型式和串励式脉流牵引电动机。
2、牵引电动机供电方式：
采用转向架独立供电方式即每台转向架外两台并
联的牵引电动机，由一组整流器供电。
当一组整流器损坏时，能保留1/2牵引力。
3、整流调压电路：
采用三段不等分顺控桥控制，平滑调节整流电压，这样可使机车功率平滑变化，机车功率因数较高，谐波电流降低。
采用单相半控桥式全波整流。
为改善牵引电机换向性能，在机车主电路中设有平波电抗器，在牵引电动机励磁绕组两端并联了固定分路电阻。
4、电制动方式：
采用加馈电阻制动，可使机车速度低至12km/h时，仍保持最大制动力136kN。
5、磁削方式：
采用晶闸管分路的无级磁场削弱，以改善列车高速运行时的平稳性。
在速度0~170km/h范围内，牵引力可平滑调节。
&检测保护：
直流电流与直流电压的测量采用霍尔元件制成的传感器，交
流电压与电流的测量采用交流互感器，达到高压电路和低压电路的隔离，以利司
机安全，并且使控制、测量、保护一体化，提高了系统的控制精度。
（1）网侧高压电路（25kv电路）
网侧高压电路的主要功能是由接触网取得电能。
主要设备有，高压部分：
受电弓1〜2AP、空气断路器QF、高压电压互感器1TV、高压电流互感器1TA、避雷器F、主变压器TM的高压绕组AX;低压部分：
电流互感器2TA，网压表1PV、2PV，电度表PJ,自动开关QA，接地电刷1E〜4E，变压器3T。
网侧电流从接触网流入升起的受电弓，主断路器QF-主变压器一次侧AX绕组一车体一车体与转向架软连线一接地电刷1E〜4E-轮对一钢轨。
低压部分主要用于检测机车网压，提供电度表用的电压信号。
变压器3T为微机提供同步电压信号。
（2）整流调压电路
机车性能与整流电路的选择有很大关系，从供电性能来说，机车主要有两个
指标，一个是功率因数和谐波电流；另一个是机车的效率和节能。
为了提高机车的功率因数，减少谐波电流，目前晶闸管相控机车主电路结构上广为采用多段桥，SS8型采用的是三段不等分桥整流调压电路。
SS8型电力机车的调压整流电路分为两个独立的相同单元，分别向相应的转向架供电。
现以其中一个调压供电单元为例，说明其调压过程。
图22-10为1端转
向架单元的整流调压简化电路。
网侧高压绕组AX的25kV电压经主变压器TM降压至次边绕组a1-bl-x1、a2-x2,其中a1-bl-x1段分为两段a1-b1/b1-x1电压分别为343.4V，a2-x2电压为686.8V，构成三段不等分电压，与相应的整流桥式电路构成三段不等分整流半控桥。
调压原理分析如下：
第一段：
绕组a2-x2工作，移相T5、T6、D2D1、D6D3、D5D4提供电流通道。
电流路径：
在电源正半周时，电流由牵引绕组&+一平波电抗器1L—牵引电
动机电枢—励磁绕组—导线3—D6—T6—X2-。
在电源负半周时，电流由牵引绕组X2+—T5—D2D5—导线1—平波电抗器1L—牵引电动机电枢—励磁绕组—导线3—D5—D4—a2-。
整流输出电压：
1cos1
Udi=0.9Ua2x2a=—0时，Udi=O—3Ud,波形见图22-10（a）
第二段：
T5、T6满开放时，投入绕组a1-b1段，移相T1、T3。
电流路径在电源正半周时，电流由a1+—导线1—负载—导线3—D6—T6—X2a2—D3—T3—导线81—
b1-。
电源负半周时，与上述不同的是T1、D2导电，T3、D1截止。
整流输出电压:
T4截止。
整流
1cos
2
半控桥通过
13
怙=—0时，Ud2=-Ud—；Ud，波形见图22-10（b）。
第三段：
在第二段a1-b1绕组将满开放时，投入b1-X1绕组，移相T2、T4
电流路径在电源正半周时，电流由a1+—D1—导线1—负载—导线3—D6—T6—a2X2
—D3—T4—X1。
电源负半周时，与上述不同的是D2、T2导电，D1、
输出电压:
1cos
Ud3=Ud2max+0.9Ua1b1=0.9Ua2x2+0.9Ub1X1+0.9Ua1b1
3
当a=—0时，Ud3=Ud—Ud,波形见图22-10（c）
4
由于受牵引电动机允许的最咼电压值（1.1Un=1100V）限制,
维持先开放的整流桥满开放，调节最后一段的移相电压，以满足总的整流电压不超过电压限制值的要求。
SS8型电力机车采用二级限压，当电机端电压达到1030V时，开始第一次限压，此时电机电枢电流开始下降第二次限压，限压值为1100V，
1030〜1100V之间随电流下降电压线性增加。
当电机电压达到1100V后，可以进
行磁场削弱。
当机车进行整流桥的空载试验时，负载电阻19R并联在导线1、3之间。
电阻
中流过的电流应大于晶闸管的维持电流
图22-10SS8型电力机车整流调压简化电路及波形图
（3）磁场削弱电路
当电机电压达限制值后，还要继续升速时，可通过磁场削弱进行调速。
SS8
型机车采用晶闸管分路，来实现从满磁场到最深削弱磁场叩（亦二43%）的连续平滑控制，以改善高速区的牵引性能。
无级磁削的电路，也是与主整流器一样，以转向架分为两个相同而独立部分，现以前转向架部分（见主电路原理图105-106）为例，其组成是从电机电枢和励磁绕组的连接点15和25分别到第一段桥的二个桥臂中点18和19,串入二对磁场分路晶闸管。
现以牵引电机1M为例来说明无级磁削（磁场分路）的工作原理。
图22-11为其调节原理图及元件导通图。
分析中假定为理想整流器和平波电抗器电感量足够大。
图22-11SS8型半控桥电路及无级磁削电路原理图
图①②为满磁场的工作情况，这时与分路晶闸管联接的整流桥D3、D6D6、
D5D4、T5处于满开放输出状态（该半控桥为三段不等分半控桥的第一段整流桥），此时晶管T9、T10不参与工作。
在电源正半周时（图①）：
D3、D6、T6导通，电
流路径为：
a2+fD3—1/2Ud—Ln1M电枢—15—D11D21（1R）—D6—T6Tx2-。
在电源负半周时（图②）：
D5、D4、T5导通，电流路径为：
x2+—T3—1/2Ud—Li—1M电枢—15—D11D21（1R）—D5—T4—a2-。
输出的整流全波电压施加于平波电抗器L1、电机电枢和励磁绕组D11D21及固定分路电阻1R上。
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