电力机车的保护

为了保证机车可靠运行，在机车的线路中必须设置一系列的保护，使机车在发生故障时能迅速切断相应电路，避免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，能够方便地组成故障电路，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，电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、欠电压保护及其他一些特殊保护。保护的方式则根据故障对机车电路、电气设备及列车运行的影响大小而不同，主要有：

（1）切断机车的总电源。

（2）切断故障电路的电源。

（3）仅给司乘人员以某种信号引起注意。

（4）在故障发生后自动予以调整。

一、过电流保护

过电流是指电气设备过载、设备及电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，严重时引起火灾。过电流保护包括过载保护和短路保护两种。机车上通常采用断路器、自动开关和熔断器进行过电流保护。

短路保护一般采用高速自动开关或主断路器。机车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，引起主断路器跳闸。

相控电力机车采用直流传感器检测牵引电机电流，并将过载信号送入牵引过载继电器，此时不但要切断机车总电源，还要封锁电子触发线路。电气制动时，牵引电机过流也可用过载继电器，但一般不切断机车总电源，只切断励磁回路电源，同时封锁相应的电子触发电路。

辅助电路的过电流保护有两种方式：一种是辅助系统过流，通过辅助过流继电器，使主断分闸，切断机车总电源。另一种是辅组机组过流，断开相应辅机的空气开关，切断辅助机组电源。

对于控制电路及其他部件（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。

二、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。机车过电压有大气过电压和操作过电压两种。大气过电压是由外部直击雷或雷电感应突然加到机车上引起的。操作过电压是由于电路本身的变化产生的，如切断感性电路、整流装置换相故障等引起机车内部电磁能量的震荡、聚集和释放。由于这两种过电压产生时，电压增长速度很快，以冲击波的形式出现，因而一般不用带有传动件的电器进行保护。

为了防止大气过电压带来的危害，在机车顶部装有放电间隙或氧化锌避雷器。当大气过电压袭击时，若电压大于放电间隙的击穿电压，则放电间隙被击穿成短路状态直接接地，将过电压的能量排泄掉，使其不致进入机车内部。由于放电间隙被击穿后不能恢复，引起变电所跳闸，故现在多用避雷器。

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，仍能损坏机车内部的电气设备。另外，机车操作过电压及硅整流元件反向恢复过电压对电气设备也有损害。这两种过电压的保护采用阻容吸收电路。过电压保护如图3.5所示。

阻容吸收电路由电阻与电容串联而成，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。

除大气过电压和操作过电压外，机车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引起牵引电动机的电压超过额定电压。这种过电压增长速度比较缓慢，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（如装设过电压音响信号），引起司机注意，通过操作来消除。

图3.5　过电压保护
1—原边过流继电器；2—主断路器；3—电流互感器；4—放电间隙或避雷器

三、零电压和欠电压保护

零电压和欠电压的产生是由于接触网的电压突然消失或过低。当接触网电压消失时，机车因无电要停止运行，如果网压又突然恢复，会造成很大的电气和机械冲击，这是不允许的。如果接触网电压过低，机车就不能以正常功率运行，辅助机组不能正常工作，再生制动时很容易发生逆变失控。

在交-直型电力机车上，一般在变压器的辅助绕组上装设零（欠）压继电器或电子装置，当电压低于某一数值或者失压时间超过2s时，通过零（欠）压继电器或电子装置使主断路器跳闸。需要注意的是，机车运行过程中由于振动而造成受电弓短暂离线，若时间不超过2s是允许的，一旦离线超过2s则按失压进行保护。

四、接地保护

接地是指机车上电气设备或电路因绝缘破坏、飞弧或其他意外情况，使带电导体与金属部分接触。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和导线，因此在机车的主电路、辅助电路和控制电路中必须设有接地保护。交-直型电力机车主要采用接地继电器进行保护，以 SS1机车主电路接地保护装置为例进行分析，如图3.6所示。

SS1型电力机车采用集中供电，主电路只有一套接地保护装置。正常运行时，接地继电器J中不通过电流而处于释放状态。当主电路中任一点接地时，直流电源 E 可通过接地继电器J与接地点构成回路，使接地继电器J动作。这种保护装置采用有源保护，以消除保护“死区”，保证接地保护的可靠性。

由于主电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，有可能造成接地继电器误动作。为此在接地继电器线圈两端并联分流电阻 R1，以减小接地继电器中的电容电流，使其不致误动作。

机车发生接地故障后，如运行途中不能及时处理而需要维持运行时，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3.6中将转换开关由1位转至 2位，将主电路经大电阻 R接地，维持机车运行。

图3.6　接地保护装置

五、其他保护

除了以上介绍的几种保护以外，在电力机车上还有一些其他的保护，如防空转保护、再生制动保护以及油流、风速监视等。

1.空转/滑行保护

大功率的货运机车在牵引状态下运行，或在有雾潮湿天气、轨面不洁等情况下运行时，容易发生空转现象。当发生空转后，黏着条件被破坏，造成牵引力丧失，牵引电机转速剧增，易造成转子绑线甩开、绝缘损坏形成“扫膛”等。同时空转／滑行也会增加机车轮箍的磨耗，因而在机车上应设有防空转/滑行保护装置。

2.失压短路保护

机车再生制动时，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。

3.油流、风速监视

机车上的变压器、牵引电机、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，以免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。