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电力机车电路功能分析和故障处理
毕业论文
题 目：
电力机车电路功能分析和故障处理
院系名称:
专业班级:
学生姓名:
学号:
指导教师:
完成日期：
２012年３月１8日
毕业设计（论文）任务书
毕业设计（论文）题目：
电力机车电路功能分析和故障处理
一、毕业设计论文内容
本文主要介绍了我国铁路跨越式发展下，针对于目前我国高速电力机车的建设和发展,结合国外先进技术，围绕高速电力机车速度的提高,对牵引供电的运用、维护、高效率运行等方面进行了探讨。
二、基本要求
在高速铁路飞速发展的今天，我国高速电力机车的技术标准,熟悉我国高速电力机车现行供电方式与类型。
总体掌握高速电力机车的负载电路分析动及负载电路的检修方式。
能从总体上把握论文的主题，不偏题,不跑题,论据充分。
三、重点研究问题
（一）电力机车电气线路组成
（二）负载电路分析和不同车型比较
（三）制动电路问题分析
（四）电力机车主线路结构分析
四、主要技术指标
（1）运用与整备、维修一体化思想
（2）250km/h电力机车制动距离约2公里
五、应收集的资料及参考文献
[1]丁莉芬.动车组工程.北京:
中国铁道出版社,2０0７
[2]钱立新.世界高速铁路技术.北京:
中国铁道出版社，2003
［3]赵鹏张迦南铁路动车组的运用问题研讨[期刊]２009
[４]杜鹤亭.安全综合监测车的研制.中国铁道科学，2０03
[５]铁路机车与车辆期刊２009
[6］铁路动车组运用维修规程[Ｓ]．（暂行）铁运［２007]3号
六、进度计划
设计环节
日期
1
收集有关资料
２01１-12－３
2
编写论文提纲
2012-1-１5
3
编写论文
２012-2-1
４
修改论文
2012-3－10
5
打印、装订
2012-3-1８
七、附注
ﻬ摘要
高速铁路技术在20世纪６０年代进入了应用阶段,1９64年,日本新干线实现了商业运营,为世界铁路发展树立了典范，世界铁路的客运发展进入了高速时代。
19８1年,法国建成了最高时速２70km的TGＶ东南新干线,它的修建开辟了一条以地造价建造高速铁路的新途径,把高速铁路的发展推向了一个新台阶。
日本、法国的这两条高速线路不但是高速铁路不断发展阶段的标志，还以其明显的社会经济效益、先进的技术装备和优良的客运服务享誉世界。
在日本、法国修建高速铁路取得成效的基础上，世界上掀起了建设高速铁路的高潮,德国、意大利、西班牙等国家相继发展了不同类型的高速铁路,且速度不断刷新。
随着我国铁路跨越式发展的不断深入，高速电力机车的建设高峰已经到来。
多条电力机车专线建成了,高压输电将成为主要的牵引供电系统的动力,电气化线路的正常运营需要有完善的运用检修设施作为保障。
众所周知,高速电力机车滑动取流的的艰难，只有最大限度地让电力机车正常运行时，保证良好的取流质量,供电的稳定性、连续性，才能提高电力机车的高速运行效率。
如何考电力机车电气线路的检修、维护、安全,使其最为合理、最为经济,并能最大限度地提高供电效率，都是是本文主要探讨的议题。
关键词：
电力机车稳定性高效率
第一章 电力机车电气线路组成.....．．．..．..．．..．.....．．....．...6
第一节主电路 ....．.．...．..．...．．．.．.........．.．......．．.6
第二节辅助线路.．．．．..．.．.....．．..．..．..．.．............．6
第三节电机车主线路的基本要求....．．.．.．.．..．．...．.....．.7
第四节电力机车主线路的结构分析 ..．..．.．．................７
第五节电力机车布线图基础..........．...．............．..．10
第二章 负载电路分析和不同车型比较．..．...．．.....．．．.......．．13
第一节牵引电路问题分析..．．...．.．.．.．...．......．.．.．....1３
第二节制动电路问题分析.............．．.．.．.．．．....．．．.．．１４
第三节电路主要设备及其维护保养.．.．......．...．.．...．.....１6
第三章 保护电路分析和不同车型比较.．..．.．..．...．.．..．.．．....17
第一节短路保护 ..............．..．.．..．........．..．．..．..１7
第二节牵引电机过载保护.......．．...．．．.....．.......．....１7
第三节小齿轮“驰缓”的保护.....．.．.........．..．......．.17
第四节 过电压保护 .........．..........．.．...．....．....．．.1８
第五节 接地保护.．...．.．．．..．.．..．．.........．....．..．.．..１8
第四章主变压器的维护...．..．．.......．.......．．.．.．..........１9
第一节 解体前清扫与检查....．.．........．...．．...．.......．19
第二节检修与修理 ..........．．.........．...．....．.....．..２１
第三节组装...．..．..．．......．..．．..．..................２2
结 束 语.．.．..．...．........．...．....．．...．...．...．．．. ..．..．.．.．......2４
参考文献.....．......．........．．...．..．.....．...．...．.．．．.......．........25
ﻫﻬ第一章 电力机车电气线路组成
第一节 主电路
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。
ﻫ 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高，电流大，又称高压线路。
第二节 辅助线路
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。
ﻫ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。
ﻫ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。
第三节电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:
ﻫ
（一）.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。
ﻫ
（二）.能快速接通和断开电路。
（三）．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。
（四）.能改变机车的运行方向,能进行起动和调速。
（五）.尽可能作到起动平稳,调速平滑,减少冲击。
（六）.在故障情况下有维持运行的故障线路。
ﻫ（七）.有防空转保护装置。
ﻫ（八）.有充分的保护。
（九）．有电气制动的机车应能可靠地进行牵引――制动转换，并保证电气制动的电气稳定性和机械稳定性。
ﻫ（十）.应有使机车入库的低压电源及入库线路。
ﻫ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。
ﻫ 第四节电力机车主线路的结构分析 ﻫ衡量电力机车主线路性能,一般从以下六个方面进行考察：
ﻫ
（一）变流调压方式 ﻫ 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，
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。
ﻫ
（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。
ﻫ１.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。
ﻫ2.半集中供电线路
半集中供电线路,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C0-C０,Ｂ0－B0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 ﻫ3.独立供电线路
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。
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。
ﻫ（三）磁场削弱方式ﻫ 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。
ﻫ 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β值进行旁路，从而达到削弱磁场的目的。
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ﻫ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。
ﻫ电阻制动线路,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。
ﻫ 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。
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（I=（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,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ﻫ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。
ﻫ
（六）检测及保护方式ﻫ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。
ﻫ 第五节电力机车布线图基础
我们从机车主电路中了解到，机车上所有电气设备都是靠连接导线将其连接成一个独立的电系统,如主电路就是由受电弓，主断路器,主变压器等设备及其连接导线组成的一个电系统。
那么连接导线在机车上走线，布置和固定的方式及电气设备之间连接的方式就是布线圈或接线图。
ﻫ机车上电气设备有成百上千个,连接导线则是更多,例如仅主电路就有线号不重复的导线199根，加上在机车不同位置上固定的相同线号的导线,主电路的导线就更多了。
为了更方获直接地标明，表示导线的连接,机车上的布线图也分为主电路布线,辅助电路布线，控制走路布线等。
由于机车上大部分电器及龟气部件都是集中安装在电气柜,空气柜中,因此各电气柜也有布线图。
布线图无论对制造，检修人员还是司乘人员都是非常有用的。
对制造人员而言,布线图是机车上导线安装,固定，接线的标准,必须严格按标准布置导线，这样才不会错接,漏接导线，避免人为故障;对检修人员而言,从布线图上可以很方便地查出哪根导线或电器接在什么位置,怎么接线的,易于准确快捷检修电路,排除故障。
对司乘人员而言，布线图结合电路图可以使司机很快查出故障部位并做出应急处理,因此读识机车布线图是一项基本功。
下面我们以城型电力机车为例进行介绍。
ﻫ对布线图的约定：
（一）各电器联锁触头常开,常闭状态相应于:
各接触器,继电器在无电释放状态；ﻫ 位置转换开关在F（向前），T（牵引）位;
故障隔离开关运行位。
ﻫ
（二）布线图中导线分高压,低压分别绑扎. ﻫ（三）各导线线径代号根据机型不同而含义不同。
如SＳ４改型电力机车各线径代号含义代表技术要求。
（四）布线图上导线有线号，电器有代号,各开关有位置标记。
ﻫ（五）ＳT表示接线排,如22XT4表示第22号接线排第４排接线柱。
XP表示插座,如14XP表示第１４个插座。
XS表示插头,如３2XS表示第32号插头,该插头每根插针所接导线及针数,从插头的布线图中可以清楚地显示出来。
从附图中可以看出,32XＳ为20芯插头,３组悬空。
ﻫ（六）为扩大导线客量,有时导线需若干根并联使用,此时布线图上也应标明,如D１１2，表示Ｄ１1线由两根并联使用。
ﻫ（七）同一线号的导线需分别接到不同位置时，则需要多少根导线，就在其线号后乘以总根数,如34表示3号线有4根。
ﻫ（八）电器接线,用英文小写字母表示线因引出线端子,用阿拉伯数字表示动静联锁节点的引出线端子。
Ⅰ，Ⅱ号高压柜低压布线图读识方法。
该图表示柜板前布图。
1号电器柜共有4个插头插座 ３2ＸS，３３XS,35XS,3１XS,均为20芯结构,线号为每根插针所接线号及线号所接的电器代号表示在括号中。
双划线表示线束,其流向可以看出柜内接线全部汇集在４个插座柜头上与其它电气部件连接。
第二章负载电路分析和不同车型比较ﻫ第一节牵引电路问题分析
由于SＳ7E型采用转向架独立供电方式,故第一转向架的1M和2M牵引电动机并联,由主整流器１V供电；第二转向架上的3M和４M牵引电动机并联,由主整流器2V供电，两组电路完全相同独立。
ﻫ牵引支路的电流路径是:
正极母线1或2→平波电抗器1L~４L→线路接触器IKM~4ＫM→电枢→电流传感器1SＣ~４ＳＣ→两位置转换开关工况鼓1～２QPR→两位置转换开关反向器1～２QＰV→励磁绕组和固定分路电阻1R~４Ｒ→反向器1～2QＰV→电流传感器５SＣ~8SC→牵引电机故障隔离开关1QＳ～4QS→工况鼓1~2QPR→负极母线３或4。
ﻫ SS7E型电力机车主电路牵引工况简化电路
同一转向架上两台牵引电机为背向布置，以换向器端为基准，其相对旋转方向应相反。
各牵引电机的电枢与主极绕组的相对接线方式是：
１MA11B2１-D11Ｄ21
2M A12B2２-D22D1２
3MA1３Ｂ23-D１3D23
4MA１4B24-D24D１4
因此两位置转换开关的反向器均在"前＂位。
机车利用库用电源入库动车或进行电机转向试验及旋轮时,通过主电路库用插座1XS或2XS,将库用转换开关7QS或8QS从运行位转向库用位,使库用电源分别与2M或3M,电机的正，负两端连接,人工扳好两位置转换开关在相应位置,合上隔离开关2QＳ或3QS，就可用2M或3M库内动车。
若前转向架2M处于故障状态需库内动车时,可借助线路接触器2KM使1M的线路接触器1ＫＭ闭合来实现.库用电源为直流,采用正线输入,负线接地（车体）,再经钢轨回流。
库用开关7ＱＳ~8ＱS为双刀双掷开关，一刀接地,一刀接库用插座正极.它有两个位置,当在运行位时,其主刀与主电路隔离,辅助联锁接通受电弓电空阀,可以升弓;置库用位时,不能升弓，其主刀将库用插座的库用电源分别接在牵引电机正,负端。
ﻫ
第二节制动电路问题分析
SS７E型机车采用加馈电阻制动，在电制动时,各励磁绕组串联后由励磁电源供电，电枢电路除串有制动电阻外,还串入一段整流电源。
而SS８型电力机车也采用加馈电阻制动，但是加馈电阻制动又分为两个调速控制区。
SS７Ｅ型电力机车加馈电阻制动简化电路
电制动时,位置转换开关1ＱPR~2QPR转换至制动位,将牵引电机的电枢和励磁绕组隔开，接成它励发电机电路。
此时1M～4M的励磁绕组全部串联,联接顺序为1M→2Ｍ→4M→3M，经励磁接触器5KM,与由第一段半控桥（D3,D５D4,D6T６,Ｔ５），励磁绕组a5ｘ5,接触器６KM组成的励磁电源相联,构成它励状态。
电枢电路中串入制动电阻5~８Ｒ,然后与牵引绕组a1-ｂ1－x1，a３－b3－x３及其对应的整流桥组成制动加馈电路。
加馈电阻制动分为两个速度控制区：
（a）高速区
在高速区,由于电机电势很高，足以维护一定的制动电流，所以无需加馈电源参与工作,主整流器仅起续流作用,晶闸管处于封锁状态。
制动电流电路如下:
牵引电机电枢绕组发电正端→５～8R制动电阻→主整流器二极管→平波电抗器1～4Ｌ→线路触器1ＫM~4KＭ→牵引电机电枢绕组发电负端。
在速度高于7２km/ｈ时,随着速度增加,必须减少励磁电流值,以保证制动电流不超过规定值。
在速度为72kｍ/h,励磁电流达到最大值９70Ａ。
此时制动力的调节是通过调节发电机励磁来实现的。
（b）加馈区
在加馈区，励磁电流调节已达到最大值（970A）的限制值,而这以后发电机由于机车速度低,其发电机电势Ef随速度下降而减小,制动电流无法维持不变，而在低速区要获得最大恒制动力特性,则必须保持最大的制动电流，因此,只能依靠主整流桥Ｄ1D２T2T4与绕组a1ｘ１（以前架为例）组成的直流加馈电源Uｊ,对制动电路实施电流加馈,以维持制动电流不变。
此时制动力的调节是通过调节主整流桥的触发角α来实现的,原理公式为：
α=π→0ﻫ 即相当于牵引电机电势串联一个整流电压,整流电压随相控角变化而自动变化,以保证达到最大制动电流。
加馈时绕组a１b1x１全电压投入工作,不做两段桥运行。
牵引电机的励磁回路在电制动时四台电机的励磁绕组全部串联起来由励磁半控桥供电，其工作电路如下:
①主变压器励磁绕组端子X５为正时:
ﻫX5+→6KM励磁电源接触器→导线20→D3→导线5→1ＱPR1→ﻫ1QS→D２１D11→１QＰR2→ﻫ2QS→D12D22→2ＱPR２→
4QS→Ｄ１4Ｄ２4→2QPＲ1→
3QS→D23Ｄ１3→5ＫM励磁接触器→导线3→Ｄ６→T6→a5-
②主变压器励磁绕组端子a5为正时:
a5＋→T5→导线5→１PQＲ1→ ﻫ1QＳ→D2１D11→１PQR2→ ﻫ２ＱＳ→D12D22→2ＱPＲ2→
4QS→D14D24→1QPR1→
3QS→D23Ｄ１3→５kM励磁接触器→导线3→D5→D4→导线20→6KM励磁电源接触器→x5－
从机车主电路可以看出,它励磁组D21Ｄ11,D２3D13与D１2Ｄ22,D１4Ｄ2４的接线相反，同样亦是因电机背向布置安装方式不同所致。
ﻫ主电路中电机励磁电流，电枢电流的方向不难看出,电枢回路因串有整流器因此两种工况下电枢电流方向相同,制动时励磁电流方向应与牵引时相反（由两位置转换开关的工况鼓保证），以改变电机电势的方向产生制动转矩。
而SＳ４改型电力机车也采用加馈电阻制动，但是没有SＳ7E和SS８型的复杂。
机车处于加馈电阻制动时，经位置转换开关转到制动位，牵引电动机电枢与主极绕组脱离，与制动电阻串联，并且同一台转向架的两台电机电机电枢支路并联之后，与主整流器串联构成回路。
此时,每节车四台电机主极绕组串联相接,经励磁接触器与励磁整流器构成回路,由主变压器励磁绕组供电。
第三节电路主要设备及其维护保养ﻫ牵引电动机ﻫ1.基本结构ﻫ脉流牵引电动机的结构与普通直流电机基本相同,主要由静止的定子和旋转的转子两大部分组成。
定子的作用是产生磁场,提供磁路和作为牵引电动机的机械支撑,由机座,主磁极,换向极,端盖和轴承等部件组成;转子的作用是产生感应电势和电磁转矩,从而实现能量转换,由转轴,电枢铁心,电枢绕组和换向器等部件组成。
转子通过电枢轴承与定于保持相对位置,使两者之间有一个间隙，称为空气院。
此外,脉流牵引电动机还有一套电刷装置，电刷和换向器接触,以实现电枢电路与外电路的连接。
ﻫ2.故障判断 ﻫ 电流传感器的故障,可以用检查有输人电压时偏移电流（失调电流）的方式判别。
当原边无电流输人,副边加±２４V电源，失调电流小于0．４mA时,一般可以认为电流传感器是正常的。
３.维护保养ﻫ 用压缩空气清除各部件的灰尘,若有油污，可先用棉布
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