HXD3型电力机车主辅变流器故障分析-论文

   本文就HXD3型电力机车主辅变流器的结构及工作原理进行了简要的介绍与分析，依托对其构造及工作原理的认识，分析了目前HXD3型电力机车主辅变流器在实际运行中存在的故障及原因，并提出了相应的解决措施。
结果表明，由超温及二次过流等故障会造成HXD3型电力机车主变流器的牵引电动机失去牵引电流，信号传输出现问题等。通过明确故障的主要位置，有利于快速明确故障原因及解决措施的提出。辅助变流器出现的故障会导致APU无法启动、DF装置熔断、KM20误动作、辅助触点异常、温度过高等，进而会影响机车运行中的信号传输，中断机车的正常牵引，进而降低电力机车运输的安全及效率。
关键词：HXD3型电力机车；主辅变流器；故障原因；措施 
第1章  绪论 1
1.1 HXD3型电力机车简介 1
1.2 HXD3发展趋势 1
1.3 本课题研究意义 2
第2章  HXD3型电力机车变流器工作原理 3
2.1 HXD3型电力机车主辅变流器组成结构 3
2.2 变流器工作原理 5
2.2.1 主变流器工作原理 5
2.2.2 辅助变流器的工作原理 6
2.3 小结 7
第3 章  变流器常见异常及原因分析 8
3.1 主变流器常见故障及原因 8
3.1.1 主变流器IGBT故障及原因分析 8
3.1.2 主变流器二次过流故障的原因 9
3.2 辅变流器异常及原因 12
3.2.1 APU不启动 12
3.2.2 APU装置DF熔断 13
3.2.3 APU故障 14
3.3 小结 15
第4 章  总结与展望 17
致谢 18
参考文献 19
 第3 章  变流器常见异常及原因分析
3.1 主变流器常见故障及原因
HXD3型电力机车目前已成为最为常见也是最通用的铁路运输列车，该电车运输可实现全国东南西北最远的运程，甚至是跨国运输，且牵引作用强，整车的设施设备齐全，运输时的承载也远大于普通铁路列车。作为机车核心部分的主变流器，它的品质、出现故障的频率直接关系到机车是否能保持顺畅的输送[4]。
3.1.1 主变流器IGBT故障及原因分析
电车实际牵引作业时，经常会出现高电压和大电流的情况，此时就要用到主变流器中的IGBT功率模块，此模块非常显著的特性就是环境工作温度高，且能量消耗大。为了能保证模块的最佳运行状态，可将其作为高频率开关。此外，为防止系统芯片超温损坏，还要不断调控IGBT的工作结温。在-40°C～125°C之间，通常将IGBT元件的额定电流设置为0.9KA，额定电压4.5KV，最大电流1.8KA。
首先是环境温度升高时IGBT炸裂故障的发生率显着增加，特别是在7~8月高温天气下，并随温度的下降，故障出现的频率也在逐步降低。为了给电车操作开关系统进行降温，会使用氮化铝硅的散热材质，其主要使用部位就是CI内的IGBT模块，装配时，在其表面涂覆具有导热作用的硅脂，然后将其与模块紧密贴合起来。其作用原理就是利用氮化铝硅的热膨胀系数，不同温度下，热膨胀出现差异，膨胀致使外部承受膨胀力的IGBT模块发生形变，从而使模块结构出现变形导致芯片无法正常运行。
此外，IGBT还可能会因为气候发生腐蚀而破碎，在湿润的季节中，材料容易因酸性气体和水分的侵蚀失效，此时，无法正常运行的IGBT会深入恶化芯片的作用。由于电车运输作业过程中的温度对IGBT工作场景的相对湿度影响较大，此时空气中的水分能快速通过变形的表面缝隙进入IGBT内部，水分会增加内部器件的电气导通性，电流容易出现短路，超负荷等状态，导致出现电击情况。所以为了防止此种情况，应该对IGBT模块的绝缘性进行改善和提升。
电车在实际运输作业过程中，列车运行容易导致尘土飞扬，粉尘和散落的杂物会覆盖在整个电车的操作系统中，通常可以在机车的主变流器中的各单元中发现覆盖着的灰层，这些灰层在潮湿的环境中与水汽结合形成湿润的凝固物，在电车运行过程中很容易导致电路的电压击穿，并在不同程度上影响着主变流器柜内的其他设施设备。
解决办法：
对于出现的第一种情况，重点关注的目标是CI冷却系统，认真查看其复合冷却器，查看其冷却水管路、管件各连接部分、各阀等是否封闭完好且无渗漏情况，做好这些工作可以杜绝因超温导致的IGBT炸裂；检测冷却水板扁平率满足小于0.02mm的条件，即IGBT与冷却水板连接牢固；判断冷却故障是否需要加循环冷却液，此时要查看在设定的200-220L/min流速下，冷却液温度是否载标准刻度线的下方。若是，则需要补加，若还高于刻度线，则不必补加。
对于第二种情形，常规杜绝手段是控制系统的环境湿度，为了能长时间高效保持模块的干燥工作环境，甚至是在潮润多雨的气候下要保障主变流柜的干燥工作环境，可以加装一个空气干燥器，或者叫集水袋，也就是一种干燥剂，其作用原理与生活中常用的干燥剂一样，将其吊挂在机车主变流柜的逆变侧。干燥剂的装配可保障IGBT工作环境的湿度始终在可控的范围内，进而减少因湿度造成的破裂和电击现象。
当然，保证机车正常运行的重要环节就是对机车的维保操作，最简便易行，且非常重要的操作是要将IGBT各个模块中沉积的灰尘和杂物擦除干净；对于难以清理的死角，要借助吸尘器将其强制性的吸出，保证整个系统模块的干净清洁，降低主变流器柜面灰尘的来源，同时避免了灰尘粘附于IGBT表面更易被液化水蒸吸附的问题。
3.1.2 主变流器二次过流故障的原因
在主变流器中，通常，1960A为二次过流保护的界限，为了实时动态地掌握二次电流的输入，可利用CI控制单元体检测二次过流，为其输人主电路的线路中，设有霍尔电流互感器（ACCT）电器元件。系统模块发生故障时，各个操作单元中的逆变器、整流器和接触器的信号传输系统自动断开，从而起到保护的作用。与此同时，TCMS系统会自动接受到故障的传输，其界面也会立刻显示出二次过流故障。
此外，二次过流故障还会在电车交付使用甚至是在试验阶段出现，出现这种情况通常都是较为正常的现象，机车上通常会配有复位按钮，在此种运行情况下，大部分故障可以通过复位得以解决，但也存在少数特例，无法使用复位来解决，此时可能就需要关注其他的部分是否存在异常[5]。
电车主变流器的中存在一个特别重要的部件—INF23电路板，其作用就是硬件传感器接口，服务于直流电压传感器和电流传感器。在主转换器中，作为CI控制单元（中央控制器）的核心部件，专门用于二次过电流检测。低通滤波电路可消除直流电压传感器信号干扰，将传感器检测信号利用阻抗转换器转换后传送到其他控制电路板上。而且，对于峰值信号的分析，还可利用到保护监测逻辑电路。过流保护的实现是将最大二次电流信号传输到检波器电路，并转换成脉冲信号[5]。二次过电流的发生通常会经历三个阶段：
第一阶段，INF23电路接受来自于主变流器的电流传感器检测信号；
第二阶段：模拟电子电路接受INF23电路的信号，并转换为继电器动作信号；
第三阶段：触点K1-3接受继电路的动作信号。
发生二次过流的主要位置涉及主电路、传感器传输电路、网压波动等。
对主电路而言，任何环节出现问题都会使相应的故障发生警报，尤其是中间检测电路，整流电路，牵引电路中，逆变电路和滤波电路，发生的故障中也频繁的出现二次过流。针对此种情况，可以从以下几点入手：
（1）判断传输电路的情况，重点关注对象为牵引电机速度传感器。
（2）逆变器内部元件异常也是潜在原因，可查看其是否可正常工作；
（3）OVTR放电单元体如果绝缘性异常也会导致二次过流；
（4）滤波器电容无法正常运行时会导致二次过流，应查看其工作情况；
（5）在主电路输入侧，整流器元件的形变损坏也是二次过流的潜在原因。
（6）传感器变速箱故障的位置可能是两端的接头端口。在机车试运行期间，由于在对故障的排查检测过程中，关注到的电路传输线路只有ACCT和CI，对实际故障二次过流却忽略了，也并没有细致检查两端插头的内部针脚。有时，连接器在插入过程中会抽出内部针脚，连接器针脚没有真正锁定，并且存在不良的虚拟连接。如果B9引脚松动，可能会导致信号传输错误。与此类似的是，信号输送失真还可能是由于其他针脚松动，而此时，重点关注对象就是ACCT连接器的针脚3[5]。
当然，还有其他原因也会导致二次过流，比如，由于参数设置不同，但输出电流互感器（CTW）和ACCT却相同。
电车在实际的牵引作业过程中，供电系统的网压需保证在22.5~31kV，由此可以看出网压具有波动性；网压调节可由主变流系统来实现，实际运输作业中，电车网压波动超出此范围时，主变流系统就会做出相应调整。在电流满足主变流器所设限值的情况下，主变流器在2ms的瞬间报二次过流保护故障。
解决措施：
（1）信号传输电路连接器插件一定要进行全面检查以防止插针松动而发生信号传输失真；
（2）在装配之前对主电路的各个单元未见强化质量检查以避免比零件装配质量好而造成电路的烧毁；
（3）为了防止二次过流发生，就要注意CTW在信号探测时出现失误，而其本源则是要牢固装配其牵引电机传感器。
（4）通过将保护过流的阀域值提高至2200A，实际牵引作业过程中，二次过流的诱发因素是供电线路网压涨落，因此为了减小此类事故的发生，可增高相应设定值，尤其是过流保护冗余值和设定值，对于IGBT关断测试电流，由于高达2350A的安全界限，因而过流保护的阀域值可提高至2200A。
    如下图为HXD3电力机车的整体构造图，途中红色区域即为二次过流发生的位置，故障发生后重点关注此区域的异常情况。
 
图3. 1 过流故障处理位置图
3.2 辅变流器异常及原因
HXD3电力机车辅变流器常出现的异常情况包括APU未起动， APU设备双通道光电式传感器（DF）熔断, APU失效等，而导致APU失效的因素还包括负载转换接触器（KM20）错误动作，辅助触点不正常和温度过高等[6-11]。
3.2.1 APU不启动
影响因素：
①变流器无法确认辅助变流器的运行情况，信号无法输送到变流器中，主要是因为KM11或KM12的信号中断或异常造成的；
②相位不匹配，100#与92#同期电源线反接；
③辅助变流器不作业，造成的直接原因是自供电隔离电压传感器模块（DCPT）停运导致中间直流环节电压的判断错误。
改善建议： 
①现场判断KM11或KM12的信号传输情况，一是要看输出端的信号强度，另一方面要查看CN5-26中的信号接受是否正常工作；
②调换100#和92#电源线的接头；
③检测自供电隔离电压传感器模块中的电阻输出数据，对其分析验证是否在正常范围内。
 
图3. 2 APU故障时处理位置图
3.2.2 APU装置DF熔断
辅助变流器中的保险设备是DF熔断器，作为保护系统，750V的直流电源由辅助变流器中间直流环节的110V充电电路（PSU）供应。实际的牵引作业中，有三种常见的DF熔断情形[6,7]。
①有时候DF会存在虚假的熔断故障，其主要原因是辅助触点异常接触导致线路出现故障，因此，解决故障的首要条件是查看辅助接触点的连接情况。正确的情况应是接在常开点上。但如果将辅助触点接在常闭点上，则可能会致使DF熔断。
②DF熔断还可能是因为系统的运行电流出现瞬时超限，此时，辅助变流器系统上DF装置会弹起红色按钮。
③DF熔断还可能是由于PSU装置因短路，超负荷运行等造成。
应对措施：
①针对情况一，要重点查看系统中的辅助开关接触点之间的正确接线和状态,并尽量使触点之位置恢复固定在常开断点位置上这样就基本能够自动恢复正常了。
②故障二可更换DF以恢复正常。
③对于故障三，需要换掉DF熔断器，更换之前要查看PSU装置系统，若该系统出现故障，则应先将该装置进行更换。
3.2.3 APU故障
（1）KM20误动作
故障表现：操控系统显示屏一直处于不变的状态，无法对APU进行设置，且还有其他故障出现，如接地显示故障或FC电压超限等。
异常分析：发生此种故障最可能的位置是大功率的特定线路，主要受谐波影响。
    改善建议：
当电车无法实现牵引工作时，要使邻近两台机车的APU正常运行，确保电力接触器（KM20）接触点不受故障影响，需要调整接线，将KM11、KM12的辅助电源接触点并入KM20的启动控制电路，增加实时控制通信设备。详细分配线图如下图所示；
 
图3.3 KM11与KM12的辅助触点并入KM20的电路
（2）辅助触点异常
现象：机车运行时，牵引电机没有电流导通，且水泵与辅助变流器的信号灯异常闪烁。
异常分析：LV柜后侧CN三连接器上的一个15PIN针(线号：665，去往KM12处)发生松动，从而会让APU-CTR误以判断为KM十二的辅助接点发生虚串连，导致自动化水泵指示灯和辅助接点变流器指示灯出现点亮的现象；22PIN(线号：762，去往KM14)松动[14,15]。
解决方法：查看22PIN、15PIN的插针连接状态。
（3）温度过高
现象：TCMS屏显APU温度过高。
原因：变流箱的出入风入口处通常仅有设计的安全防护百叶窗出口却并未专门设计粉尘过滤器，这样，当在APU整流工作过程中进风量小于循环风机冷却风量时，由于长周期的运行，导致大部分粉尘颗粒岁空气进行电车内部系统，进而沉积在电车内部APU上的各个元器件和工作模块上。沉积的粉尘等杂物在机车运行过程中会导致其散热作用变差，使内部的元器件和功率模块出现异常现象。一般情况下，辅助变流器温度过限时，电车在运输作业时检测系统会自动对其进行检测并对异常情况发出警报，进而系统会自动切断故障的组APU，并保证其他组正常运转。而如果其他组APU也同时发生了超温，机车无法进行常规作业，从而导致停止运行。
改善建议：
①确定维修保养时段，吹洗散热片。
②生产厂家可对结构进行优化设计，为防止粉尘进入，可在APU进风口百叶窗内侧加装防止粉尘进入的过滤网，也方便检修工人对过滤网进行定期清洁。

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