CRH1型動車組變流器中間直流環節過電壓的故障分析及預防

鄭 敏，薛文敏，成 杰

（南昌鐵路局 福州動車段，福州 350018）

CRH1型動車組變流器中間直流環節過電壓的故障分析及預防

鄭 敏，薛文敏，成 杰

（南昌鐵路局 福州動車段，福州 350018）

針對CRH1型動車組配屬福州動車段以來變流器模塊故障頻發的問題開展故障分析與對策研究。從變流器中間直流環節的控制原理入手，結合車載數據及故障發生時的環境數據進行分析，通過數據對比與實例驗證判明故障真實原因，并提出變流器直流環節過電壓故障的解決辦法和預防措施。

動車組；變流器；故障分析；過壓故障

自CRH1型動車組配屬福州動車段以來，變流器模塊故障頻發，僅2012年就出現變流器模塊故障69件，其中中間直流環節過電壓達到23件。由此導致的變流器模塊被隔離，影響正常的動車組運用和服務質量。因此從變流器中間直流環節的控制原理入手，分析原因，結合車載數據分析工作，提前采取措施顯得異常重要。

1 變流器直流環節電壓工作原理

1.1 變流器直流環節的基本組成

根據CRH1型動車牽引系統設計規范,網側變流器將來自高壓系統并經由網側變流器的交流網側電壓轉換為直流環節電壓。電機變流器將來自網側變流器的直流環節電壓轉換為三相電。三相電為可變電壓和可變頻率，適用于異步牽引電機的驅動和制動。

直流環節電路由網側變流器的電容器、電阻器、二次諧波濾波器和電機變流器的電容器、斬波器以及輔助變流器的電容器共同組成。其中，二次諧波濾波器用來濾除網側變流器的二次電流，減小中間直流環節電壓波紋，從而減小牽引電機的轉矩脈動。

網側變流器和電機變流器中的直流環節濾波器是一個能量緩沖器。直流環節濾波器可穩定直流環節的電壓，并包含足夠的電容量以保證直流環節電壓紋波維持在允許的限值內，使變流器得到精確控制。

1.2 中間直流環節的控制反饋

直流環節電壓控制反饋原理是系統通過變流器模塊的電壓傳感器對直流環節電容器的電壓進行測量，并將數值反饋至各自的控制單元進行計算，經過其計算值再反饋至牽引控制單元（PCU），PCU將其4個值進行對比，若出現不一致，則根據測量值與基準值的比對來對中間直流環節電壓進行自動調節。

1.3 過電壓保護原理

變流器的過壓保護（OVP）可防止變流器模塊受電壓瞬變損害，通過打開和關閉過壓斬波器，過壓保護可將直流環節保持在高低電壓限制之間。當激活斬波器時，電能消失在過壓電阻中，同時，直流環節電壓開始下降。當電壓水平達到最低限制時，斬波器失效。只要系統檢測到直流環節高壓，斬波器就處于工作狀態。

如果直流環節電壓持續上升，超過過壓水平，將顯示直流環節過壓，并命令進行保護性關機。如果在正常運行過程中直流環節電壓低于欠壓水平，顯示直流環節欠壓，并下達保護性阻斷指令。不管是直流環節過壓還是欠壓，最終都將對變流器進行保護。過電壓保護原理如圖1所示。

圖1 過電壓保護原理

直流環節電壓水平的設定：直流環節過壓等級（保護性關機）1 950 V；直流環節電壓OVP開啟等級1 900 V；直流環節電壓OVP關閉等級1 840 V；直流環節欠壓等級（保護性阻斷）200 V。

2 變流器直流環節過壓故障分析

綜合軟件圖及電路圖判斷，影響變流器中間直流環節過電壓原因主要有2個：直流環境測量有誤及網壓等外部因素造成的過壓。而影響直流環境測量故障的3個條件分別為電壓測量傳感器故障、變流器驅動控制單元故障（DCU）和電纜傳輸故障。

為了準確鎖定故障原因，提出后續故障判斷處理的依據。技術員組成車載數據分析小組在日常工作中采取3步走的方法：（1）分析故障，從已發生故障的數據分析、比對查找原因；（2）摸索“病灶”，排查故障發生之前該系統（或部件）的歷史事件記錄，從海量的數據中查找異常，推斷可能的“病灶”；（3）驗證預判，在實際運用中確診所預判的“病灶”準確性和對應措施的可行性。

2.1 車載數據分析

利用2012年5月13日CRH1083A動車組發生“中間直流環節過電壓故障”前的車載數據及故障發生時的環境數據進行分析，發現在出現中間直流環節過電壓故障的前3天，直流環節電壓值曾出現波動，且在極短時間內超過標準值范圍。

查看故障發生時的網壓無異常，由此斷定出現直流環節過電壓是因直流環境測量故障引起，通過排查電壓測量傳感器、變流器驅動控制單元故障（DCU）和電纜傳輸，最終確認電壓傳感器存在問題，更換該元件后故障消除。

2.2 條件假設

由以上經驗假設直流環節電壓是否波動可以作為后續可能出現直流環節過壓故障的一個依據，為此車載數據分析加強了對日常車載數據的篩選、分析，并進行驗證。

2.3 故障驗證

在2012年5月21日，技術人員發現配屬的CRH-1084A動車組中間直流環境出現了類似的波動，且間斷性的中間直流電壓超出正常值，持續時間為1 s～3 s不等，但均未引起其它故障。根據此前的經驗推斷，隨著故障的擴大，后續動車組會發生中間直流環節過電壓的故障，且故障點可能為電壓傳感器。經過近一周的跟蹤，2012年5月28日，動車組在運行途中果然出現了中間直流環節過電壓的故障且造成牽引控制單元模塊（LCM）被隔離，通過更換電壓傳感器，故障消除。

由以上分析和驗證，認定出現中間直流環節過電壓的主要原因是：外部網壓電壓波動、中間測量環節故障，并可以通過跟蹤直流環節電壓的波動情況對故障進行預判。

3 變流器直流環節過壓故障預防

結合車載數據的分析、摸索和驗證，提出了以下預防動車組運行途中中間直流環節過壓問題的方法：

（1）完善典型故障案例，將“直流環節電壓測量值”作為車載數據分析中的一個監控值，加強車載數據分析工作，重點盯控中間直流環節電壓變化情況，出現波動則立即查看當時的網側電壓以排查是否因網側電壓波動造成，若因網側電壓波動引起則在運行途中加強監控，出現變流器保護性關機時，按照《CRH1型動車組應急處置手冊》要求進行復位。

（2）完善動車組一二級檢修作業流程，要求檢修作業者在作業前及時查閱智能顯示單元（IDU）故障記錄，在無IDU故障記錄但車載數據監測到中間直流環節電壓波動的情況下，激活列車，利用中央控制單元的TC CCU軟件檢查并測試所有變流器模塊中間直流環境的電壓測試值是否符合標準值。

（3）在故障間斷性出現的情況下，應做好傳感器和變流器驅動控制單元（DCU）中間的接線檢查，在確認接線無異常的情況下，通過更換電壓測量傳感器、變流器驅動控制單元（DCU）故障等不穩定的配件，提前處置隱患。

（4）因故障發生的原理相近，可將“中間直流環節過電壓”問題的判斷方法延伸用于“中間直流環境欠壓”問題的判斷，此類問題均可以采用同樣措施。

4 結束語

為了解決CRH1型動車組配屬福州動車段以來變流器模塊故障頻發的問題,開展故障分析與對策研究。依據CRH1型動車組變流器中間直流環節的基本組成、控制反饋和過電壓保護原理，提出中間直流環節過電壓故障診斷思路。根據動車組車載數據在故障發生時的環境數據進行分析，通過數據對比和實例驗證判明了故障真實原因。最后，根據故障技術特征提出關于CRH1型動車組變流器直流環節過電壓故障的預防措施，該預防措施可有效控制過電壓故障的發生。

[1]龐巴迪.MITRAC CC MAVIS 3.3用戶手冊[Z]. 2010.

[2]龐巴迪.CRH1型動車組電氣原理圖[Z]. 2010.

[3]龐巴迪.CRH1型動車組TCMS軟件圖[Z]. 2010.

責任編輯 楊利明

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tljsj@rails.cn

本刊編輯部

Analysis and prevention of overvoltage failure on middle direct current section of CRH1 EMU converter

ZHENG Min, XUE Wenmin, CHENG Jie

( Fuzhou EMU Maintenance Base, Nanchang Railway Administration, Fuzhou 350018, China )

With respect to the frequent converter module failures after CRH1 high-speed trains allocated in Fuzhou EMU (Electrical Multiple Unit) maintenance depot, corresponding failure analysis and strategy study were performed. Based on the control principle of middle direct current (DC) section, combined with the running and failure data of EMU as the problem occurred, real failure cause was distinguished through data comparison and instance validation, failure treatment and preventive measure were also proposed.

EMU; converter; failure analysis; overvoltage

U231∶TP39

A

1005-8451（2014）01-0030-03

2013-04-17

鄭 敏，高級工程師；薛文敏，助理工程師。