HX D1B型電力機車牽引變流器的故障分析

翟啟斌

（武漢鐵路局 江岸機務段，湖北武漢430301）

HXD1B型電力機車（簡稱機車）從2009年7月開始上線運用，江岸機務段目前配屬270臺，擔當武漢北—株洲、鄭州、向塘、阜陽等區段4 500～6 000 t重載貨物列車的牽引任務。

目前，機車還有一些固有缺陷沒有完全解決，如牽引變流器故障。由于不可預見性，故障重復發生的現象非常突出，嚴重影響牽引運輸任務。

1 故障調查

武漢鐵路局配屬270臺機車，有小號機車，也有大號機車；南昌鐵路局配屬100臺小號機車；鄭州鐵路局配屬130臺大號機車。圖1是2009－07～2011－12間3個鐵路局的牽引變流器故障情況。

圖1 HXD1B型電力機車變流器故障統計

其中，四象限整流器（簡稱4 QC）故障占總數的69.9%，主要集中在武漢和南昌鐵路局的小號機車。主逆變器（簡稱Inv）故障占總數的9.6%，主要集中在武漢和鄭州鐵路局的大號機車。輔助逆變器（簡稱Aux）故障占總數的4.9%，相對穩定。輸入斷路器（簡稱Q）故障占總數的15.5%，主要集中在武漢和鄭州鐵路局的大號機車。

因為武漢鐵路局配屬的機車既有南昌鐵路局機車的故障特點，又有鄭州局機車的故障特點，以下重點分析武漢鐵路局機車牽引變流器的故障。

2 變流器故障分析

機車運行中因牽引變流器故障突然導致主斷路器（簡稱HVB）跳閘保護，機車短時間內沒有功率輸出，因此造成機車運行坡停和機破的現象非常突出。

西門子公司雖然及時修改軟件，自動隔離故障點并切除一個牽引電機。但是，機車故障時先要封鎖HVB，然后才能在低壓狀態下完成隔離轉換，如果機車在坡道上運行還是會造成牽引力不足而發生坡停。另外線路接觸器及故障隔離開關頻繁動作，還會造成線路接點故障，因此軟件升級只能將故障損失降至最小，不能解決根本問題。

圖2 武漢鐵路局HXD1B型電力機車變流器故障統計

200臺之前的機車牽引變流器為西門子公司原裝產品，其主要是4 QC故障，200臺之后的牽引變流器在逐步國產化，質量尚不穩定，主要是4 QC、輸入斷路器（簡稱Q）和牽引控制故障（圖2）。

（1）牽引控制單元（簡稱TCU）

原裝車的TCU控制電路板（簡稱PCB）質量穩定，國產化之后的PCB穩定性較差，此現象同樣發生在中央控制單元（簡稱CCU）和智能輸入輸出終端（簡稱SKS）模塊上。

（2）主輔逆變器

故障主要集中在機車上線運用初期，后期質量穩定。

（3）輸入斷路器

200號之后機車的Q輔助連鎖觸點經常失靈，導致Q閉合或斷開的反饋信號丟失，TCU收不到Q工作狀態的反饋信號，實施跳主斷路器和禁止升弓保護（圖3）。

圖3 HXD1B型機車Q斷路器故障趨勢

（4）四象限整流器

所有機車的4 QC經過初期壽命周期之后，隨著機車運行公里的增加，損耗故障也大幅上升，主要表現在4 QC的可靠性受環境溫度等因素的影響較大（圖4）。

圖4 HXD1B型機車4 QC故障統計

2010年西門子公司在現場采集機車運行環境數據，包括內外環境溫度、濕度、油水樣、水流量等數據，分析機車的運行環境對4QC工作狀態的影響，排除了主變壓器、變流器冷卻系統引起的故障；分析氣候因素對機車部件的影響，也沒有發現問題。最后全程記錄供電網壓和網流、4 QC的電壓和電流、中間直流回路電壓、電流和功率等數據，也沒有發現明顯的異常（圖5）。

圖5 4QC的溫度、電流、功率和變流器的中間直流電壓

所有試驗表明，4QC內部的絕緣柵雙極性晶體管（簡稱IGBT）擊穿故障跟網壓、網流及輸入電壓、電流沒有根本關系。在試驗過程中，僅發現在所有供電區間網壓均存在大量的高次諧波（3.5 k HZ左右，電壓峰值＞60 k V以上）。鐵道部于2011年在武漢完成HXD機車的車網匹配試驗及與HXD3、SS4系列機車間的相互干擾試驗，證明高次諧波是由HXD機車所產生。

3 IGBT芯片故障分析

4 QC故障主要發生在英飛凌公司（簡稱infineon）產品中的“KF2”型IGBT半導體，故障的模塊中至少有一個IGBT芯片或二極管損壞，主要集中在芯片的邊線區域損傷（圖6）。

經過鑒別，故障芯片邊線區域內的損傷是因為IGBT芯片加工過程中的工序控制漏項，IGBT祼芯在加工過程中的人為磨損造成的機械損傷。

為了證明此現象是造成IGBT芯片故障的根本原因，供應商在試驗室通過人為擦傷芯片并封裝成品之后，在高溫、潮濕環境下模擬試驗，模塊損壞的比例大幅增加（圖7）。

隨后英飛凌公司改進IGBT的制造工藝，西門子公司更換55臺機車中部分有缺陷的107塊4 QC。因為發現采用新工藝生產的IGBT也發生同樣的故障，西門子公司正在組織聯合攻關，最終計劃用infineonⅡ和ABB公司的IGBT進行改造。

圖6 故障芯片及邊線區域內的損傷放大圖

圖7 人為擦傷芯片后試驗出現的故障圖

通過調查，300號之后機車的4 QC已經安裝ABB公司和英飛凌公司優化之后的IGBT。英飛凌公司優化之后的IGBT也發生同樣的故障，ABB公司的IGBT主要安裝在主輔逆變器上，它的輸入電壓、電流和輸出負載基本恒定，配件的工作環境相對優越，目前只有少量的IGBT安裝在4QC上試驗，沒有經過批量的運用考核驗證（圖8）。

圖8 HXD1B型300號之后機車的4QC故障趨勢

因為不可能在短期內解決并更換所有模塊，建議過渡期內在主逆變器內加裝硅膠干燥劑箱，降低主逆變器內的濕度，希望能將柜體內的濕度降低到功率模塊適應的工作條件，以此降低模塊的故障率。

4 措施及效果

通過上述調查和分析，認為infineonⅠ型IGBT不適合HXD1B型機車。因為4 QC模塊故障跟IGBT的工作環境溫度、濕度有直接關系，建議優化IGBT的設計和封裝工藝，擴大ABB公司的IGBT在4 QC上的試驗范圍，落實infineonⅡ的裝車試驗，通過多渠道并進的方案去驗證產品的適應性，最終選擇最佳的方案替換全部的IGBT。

利用硅膠干燥劑箱來降低變流柜內的濕度方案治標不治本，根本沒有辦法阻止高溫和水分的進入，建議西門子公司盡快找出IGBT故障的根源，制定切實有效的解決辦法。

株洲西門子公司于2011－10～2012－04間改造4 QC的輸入斷路器之后，Q的故障率大幅下降，此配件的質量基本穩定。

因為牽引變流器故障的調查與處理是一漫長的過程，為防止機車因此造成行車故障，通過加強機車的日常維護和數據的下載分析和管理；調查和分析機車上線以來的所有故障案例，制定預防措施；加強乘務員的專業知識培訓，提高乘務員的操縱和故障處理能力，有效地防止了故障的進一步惡化（圖9）。

圖9 HX D1B型機車上線運用以來的臨修故障趨勢

5 結束語

HXD1B型電力機車牽引變流器在高溫、潮濕環境下，四象限整流器模塊的故障率大幅上升，說明IGBT的設計和適應性存在缺陷。我們雖然采取了相應的預防措施，防止此類故障進一步惡化，但是因為IGBT模塊故障沒有最終解決，它始終威脅著鐵路的運輸安全，因此還需要大家繼續深入研究。

［1］中國南車集團株洲電力機車有限公司.HXD1B型交流傳動電力機車維修運用維修手冊［R］.2009.

［2］中國南車集團株洲電力機車有限公司.HXD1B型交流傳動電力機車牽引變流器原理及維護說明書［R］.2009.

［3］德國西門子公司.HXD1B型電力機車IGBT模塊的故障調查與分析報告［R］.2010.

［4］德國西門子公司.HXD1B型電力機車IGBT模塊的故障調查與分析報告［R］.2011.

［5］德國西門子公司.HXD1B型電力機車IGBT模塊的故障調查與分析報告［R］.2012.