磁懸浮列車補償系統IGBT相模塊故障分析

曹 雯

（上海上電電力運營有限公司，上海 200245）

磁懸浮列車在運行中需要消耗大量無功，并且牽引裝置產生的高次諧波，會對電網產生一定影響。因此，需要在磁懸浮供電系統中安裝補償系統，以補償無功功率并消除高次諧波。由于補償變頻器中的關鍵部件絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）相模塊短路故障率非常高，影響了系統的整體無功補償效果。為了降低IGBT相模塊的故障率，曾對補償系統的運行環境做了改進，如完善通風過濾系統、通風控制系統等，但仍未解決問題。對補償系統的設計進行重新計算，也沒有發現偏離規定值的情況。

經過了幾年的分析和測試，從設備環境如通風、溫度、濕度等外部條件，以及故障IGBT相模塊內部情況等方面分析探究，并且在設備運行當中進行各項參數的測試，最終發現是由于變頻器風扇開斷自動控制的滯后性造成了溫度波動范圍增大，使得IGBT相模塊內部的基板和對應的底板間分層，從而導致短路故障。

1 磁懸浮列車補償系統

磁懸浮列車補償系統由濾波器和補償器組成。濾波器用來消除高次諧波和發出相對固定的容性無功，補償器則用來動態地補償磁懸浮供電系統中的無功功率。

1.1 濾波器

濾波器一次接線圖如圖1所示。

每組濾波器由電抗器和電容器的串聯電路組成，來實現濾波的目的。電抗器的阻抗一般用R+j XL來表示，其中電阻R比XL小得多；電容器一般用-j XC來表示。以一相的一個濾波電路為例來分析。

圖1 濾波器一次接線圖

電路總阻抗Z為：

式中：ω為角頻率；f為頻率。

當XL=XC時，電路發生諧振。此時總阻抗Z=R為最小，電路的電流達到最大I=U／R。很明顯，在某個角頻率ω0（ω0稱為諧振角頻率）下，會達到XL=XC。諧振角頻率只由L和C參數決定。當發生諧振時，電路的電抗為0，電流達到最大值I=U／R。在電壓為常數的情況下，電流完全取決于電阻的大小。實際電路中R很小，對于具有諧振頻率的電源來說，濾波器電路相當于短路，具有諧振頻率的電流都流向濾波器電路，因此其他電路流過該諧振頻率的電流就很小，這就是濾波器的工作原理。

在磁懸浮列車運行中投運濾波器，經供電部門測試，諧波量符合要求。

1.2 補償器

補償器一次接線圖如圖2所示。

圖2 補償器一次接線圖

補償器的主要器件是絕緣柵雙極型晶體管變頻器，每臺輸出功率為600kvar，是獨立的變頻系統。變頻器通過強制換向和控制開關脈沖的寬度，可將電容器直流電壓轉換到變頻器的交流側，使得交流側產生可以超前于電流，或遲后于電流的正弦波電壓。

磁懸浮列車補償系統中的補償器可以無級調節產生從-600kvar（容性）至600kvar（感性）的無功功率。一套補償器的10組變頻器就能產生從-6 000kvar（容性）至6 000kvar（感性）的無功功率。與一套濾波器配合起來就能產生從0～-12 000kvar的無功功率，可以滿足補償磁懸浮列車運行中需要的無功功率。但最關鍵的是，補償器能根據系統的無功功率需要自動調節其無功的輸出進行補償，這是動態無功補償，可以使系統的功率因數大于0.9。否則，如果全部采用靜態無功補償，就會在磁懸浮列車停止時造成過補償（容性無功功率過剩），同樣使系統的功率因數低于0.9。

當補償器全部正常使用時，可使系統的功率因數大于0.9，實際抄錄磁懸浮列車運行中的功率因數大多在0.95以上。當補償器中的變頻器發生故障時，功率因數會明顯下降。通過抽樣測試統計，補償器中變頻器故障對系統功率因數影響如表1所示。

表1 變頻器故障對系統功率因數影響

在實際運行中發現，變頻器故障的發生還是相當多的，特別是IGBT相模塊的短路故障率很高，使用壽命僅為2～3年。

2 IGBT相模塊短路故障分析

2.1 故障測試情況

為了解決變頻器IGBT相模塊短路故障率高的問題，提高補償系統的運行可靠性，曾經多次對故障原因進行分析，并對補償系統的設計進行檢查和重新計算，結果沒有發現偏離相關規定值的情況。

對損壞的IGBT模塊進行超聲脈沖回波信號檢查時發現，在基板和底板下徹底分層，在發射器主要端子和底板下方徹底分層。為了找到分層的原因，對補償系統的主要項目重新進行了測量，如變頻器電流、直流環節電壓（Ud）、變頻器無功功率、變頻器電流正弦波、相連變頻器的同步性能、相模塊散熱片溫度等，結果沒有發現偏離理論值的情況，也沒有發現異常運行狀態。

對補償系統其他項目的測量，如變頻器空氣入口處的空氣溫度、變頻器空氣入口處的空氣濕度、變頻器空氣出口處的空氣溫度、相模塊散熱片振動等，結果未發現偏離相關理論值和規定值的情況。

通過在散熱片適當位置鉆孔放置溫度傳感器來測量在IGBT底板處溫度，并在2013年6月5日至2013年6月10日對底板溫度進行測試。測試結果表明：當冷卻風扇持續（沒有中斷）工作時，IGBT底板的溫度浮動范圍小于20K，在規定值范圍內。如果外部溫度低，冷卻風扇會在正常運行期間通過滯后自動控制進行開和關（65℃自動開，55℃自動關）。這種工況下，IGBT底板的溫度浮動范圍大于30K，超出了允許范圍。

2.2 用溫度傳感器測量IGBT底板處溫度情況

2.2.1 變頻器的選擇

通過對磁懸浮列車補償系統分析，最終選擇下列變頻器進行測試。龍陽路變電站A段補償變頻器A23，在2012年7月14日安裝，已運行了約8 400h。浦東機場變電站 A段補償變頻器A23，在2011年10月25日安裝，已運行了約23 000h。在每個柜子選一個相模塊，在散熱片背面鉆孔，在IGBT的底板上安裝熱傳感器。安裝完傳感器后，鉆孔被密封以預防測試錯誤。

2.2.2 測試情況

1）龍陽變頻器A23測試的溫度曲線（2013年6月5日04：00至6日06：30）如圖3所示。運行工況為：5節編組的列車往返運行；在早上4：30連接濾波器，6：45啟動運行模式；晚上9：45結束運行，10：10斷開濾波器。在整個運行期間，風扇一直工作，并設置為開斷自動控制。

由圖3結果顯示，在外界溫度高于20℃的情況下，底板上的溫度波動約為15K。由于下午4：30左右的降雨，散熱片上的溫度下降到50℃，因此風扇通過自動控制被關斷。這就使底板上的溫度升高，達到約70℃。底板上總的溫度浮動上升了約29K。

圖3 龍陽變頻器A23的溫度曲線

2）龍陽變頻器A23測試的溫度曲線（2013年6月10日13：21至15：00）如圖4所示。運行工況同圖3，僅在散熱片的溫度達到70℃時（風扇控制的測量溫度點），人工關斷變頻器。結果顯示，底板溫度下降至40℃，同時風扇通過滯后控制被關斷。人工將變頻器重新連接，結果顯示底板溫度快速上升直至風扇通過滯后控制再次打開，底板溫度已經幾乎達到70℃。

圖4 散熱片上溫度達到70℃時龍陽變頻器關斷后的溫度曲線

由圖4顯示：測量到的溫度浮動范圍約為28K。

3）浦東變頻器A23測試的溫度曲線（2013年6月7日04：00至8日06：30）如圖5所示。運行工況同圖3，只是在整個運行期間，風扇一直工作著。

圖5 浦東變頻器A23的溫度曲線

6 散熱片上溫度達到70℃時浦東變頻器關斷后的溫度曲線

由圖5顯示，在外部溫度高于20℃的情況下，底板溫度浮動范圍約18K，比龍陽變頻器的底板溫度高約10K。可以假定，在IGBT運行了33000周次時，分層情況進一步惡化，并使其熱性能惡化。

4）浦東變頻器A23測試的溫度曲線（2013年6月10日15：30至17：00）如圖6所示。運行工況同圖3，只是在散熱片溫度達到70℃時，人工關斷變頻器，同時風扇通過滯后控制被關斷，人工將變頻器重新連接。

由圖6顯示，當散熱片上溫度達到70℃時，變頻器關斷后測量到的溫度浮動范圍約為32K。

3 結論

通過對磁懸浮列車補償系統分析發現，IGBT部件和底板之間分層，而幾乎所有故障都發生在經過兩個冬季之后。在夏季（運行）環境條件下，IGBT底板的正常溫度浮動范圍小于20K（風扇一直處于工作狀態）。在較冷月份，風扇受滯后控制會被頻繁關斷，IGBT底板的溫度波動范圍大于30K。此溫度波動范圍的增大可造成IGBT使用壽命縮短。此次測試也證實了交替變換的載荷條件和不利的風扇控制參數（控制滯后）使溫度波動范圍增大，造成IGBT部件和對應的底板之間分層。對所有變頻器的風扇控制特性進行調整，將風扇工作點的測量溫度由原先65℃改為10℃，即風扇處于常運行狀態。調整后，變頻器風扇將持續工作，可以消除不利的溫度條件。