SS9型電力機車整流裝置燒損原因探討與防止措施

譚斌

(武漢鐵路局 武昌南機務段 技術科，湖北武漢430064)

參考文獻

SS9型電力機車整流裝置燒損原因探討與防止措施

譚斌

(武漢鐵路局 武昌南機務段 技術科，湖北武漢430064)

SS9機車整流裝置燒損越來越多，通過對SS9機車整流裝置結構及原理的分析，結合當前隨著交流電力機車大量投入使用，使在鐵路線上運行的韶山型系列的直流電力機車出現以前從來未出現的故障，為了更好地解決該故障隱患，找出了燒損的原因，并提出了改進方案，以供相關部門參考與交流。

電力機車;整流裝置;高次諧波;燒損;改進

SS9型電力機車是株洲電力機車廠為第5次鐵路大提速設計的速度為170 km/h的客運直流電力機車，自2004年機車在武昌南機務段投入運用，該型機車運行情況良好，能很好地滿足用戶的運用及檢修需求，但隨著和諧交流電力機車大量投入運用，機車整流裝置出現大面積燒損現象，2013年3月某日SS9133第一整流柜燒損的情況:整流柜的2個晶閘管V11和2個二極管V8放電燒損，整流柜正面2個晶閘管V11和2個二極管V8面板上的脈沖變壓器及阻容裝置被燒損變形(見圖1)。

整流柜背面2個晶閘管V11和2個二極管V8的散熱器因對柜體蓋板及本身之間放電燒損，將整流柜蓋板及晶閘管和二極管散熱片嚴重燒損，其后背板燒毀，絕緣骨架部分燒損(見圖2)。

SS9型機車整流裝置是電力機車最關鍵的高壓電氣設備，負責將接觸網間的高壓交流電變為牽引電動機所需要的直流電，若整流裝置發生故障，機車6臺牽引電動機則無電流，機車只得停下等待救援。2013年武昌南機務段有8臺SS9電力機車整流裝置在運行中出現燒損，造成機車無法正常牽引列車，嚴重地干擾了鐵路正常運行。

圖2 燒損晶閘管

經過對8臺燒損的機車整流裝置的檢查，整流裝置燒損的部位主要集中V5與V1之間、V6與V2之間、V10與V7之間、V11與V8之間，其中V5、V6、V10、V11為晶閘管，V1、V2、V7、V8為二極管，為什么故障總是發生在這些硅元件之間呢?下面先從SS9型機車整流裝置工作原理說明。

1 SS9型機車整流裝置原理

SS9型機車整流裝置由2臺整流柜組成。分為一端整流柜和二端整流柜。除一端整流柜多2個制動勵磁橋元件V19、V20外，其電路、結構、組成基本一致，只是出線位置與線號不同。裝置選用銅散熱器配大功率元件，采用獨立通風方式。其牽引主電路采用不等分3段半控橋，高速牽引時，采用晶閘管開關無級磁場削弱，提高機車速度。低速制動時，采用他勵加饋電阻制動，以提高低速時的制動力，它由大功率高壓整流二極管、晶閘管及其附件組成。

整流裝置的主電路接線原理圖見圖3。它由2個串聯橋組成單相半控橋式整流電路，向3臺并聯工作的牽引電動機供電。全車共有2套這樣的獨立整流系統。機車在起動過程中首先進行電壓調節開通串聯橋的第1個半控橋，輸出1/2Ud的直流電壓，這個半控橋由6個橋臂組成，其中V7、V8、V9、V12是不可控的整流管臂(又稱二極管臂)，V10、V11是可控的晶閘管臂，每個橋臂均由2個半導體元件并聯組成。在機車速度高于60 km/h運行過程中，V10、V11晶閘管滿開放，整流橋全電壓運行。整流橋的V9、V12兩個橋臂是因高速時，進行晶閘管無級磁場削弱而增加的。進行電壓調節的串聯橋的第2個半控橋是由2組單相半控橋組成，其中的一組是V1、V2、V3、V4組成的半控橋，能輸出1/4Ud的直流電壓。

圖3 整流裝置主電路原理圖

V1、V2是不可控的整流管臂(又稱二極管臂)，V3、V4是可控的晶閘管臂，每個橋臂均由2個半導體元件并聯組成。V1、V2兩個橋臂在V10、V11晶閘管滿開放前，處于續流工況，流過整流裝置電流最大。另一組是V1、V2、V5、V6組成的半控橋也能輸出1/4Ud的直流電壓。V5、V6是可控的晶閘管臂，每個橋臂均由2個半導體元件并聯組成。在V1、V2、V3、V4組成的整流橋晶閘管滿開放后，再提高整流橋輸出電壓到990 V，需要開放V1、V2、V5、V6組成的半控橋，在原1/2Ud+1/4Ud的基礎上再加電壓。在調壓提速完成后，需再提高機車速度，就要進入無級磁場削弱，開通磁場削弱晶閘管V13、V15、V17、V14、V16、V18，將機車的速度提高到要求的最高速度。制動工況，牽引時的串勵電機改他勵電機。串聯橋的第1個半控橋的V7、V8、V9與V19、V20組成的半控橋，為制動他勵電機的勵磁繞組提供電源。串聯橋的第2個半控橋的V1、V2與V3、V4、V5、V6組成半控橋串聯進入他勵電機的電樞繞組，構成續流電路或加饋電路。

2 SS9型機車整流裝置燒損分析

通過對燒損整流柜的二極管、晶閘管檢查，發現燒損不嚴重機車的整流柜晶閘管快速熔斷器的指示件并沒有跳出，用萬用表測量也沒有發現快熔燒斷現象，而燒損嚴重的機車晶閘管快速熔斷器內部燒斷，指示件跳出，但無論晶閘管的熔斷器是否熔斷，其在二極管或晶閘管散熱片與散熱片之間、散熱片與柜體之間出現大面積放電并拉弧，而其二極管或晶閘管內部卻并未擊穿或短路。

圖4 散熱片單側拉弧

而從大量燒損的二極管和晶閘管散熱片的現場來看，散熱片有單側拉弧和雙側拉弧兩種;所謂單側拉弧為同一排的晶閘管陽極對與它相鄰的二極管陽極進行放電，即兩個并聯晶閘管中下面1個晶閘管與兩個并聯二極管上面1個二極管的陽極放電，它反映在同一晶閘管或二極管散熱片只有一側有放電，見圖4;而雙側拉弧為同一晶閘管或二極管陽極與陰極之間散熱片之間的拉弧，即同一晶閘管或二極管散熱片兩側都有放電，見圖5。

圖5 散熱片雙側拉弧

從燒損的二極管或晶閘管在整流柜結構位置上來看，它們全部集中在V10與V7之間、V11與V8之間、V5與V1之間、V6與V2之間。

從燒損晶閘管和二極管在機車整流柜開通的3段橋所起的作用來看:

V10為1段橋正波開通的晶閘管，V7為1段橋負波開通的續流二極管;

V11為1段橋負波開通的晶閘管，V8為1段橋正波開通的續流二極管;

V6為3段橋正波開通的晶閘管，V2為3段橋負波開通的續流二極管;

V5為3段橋負波開通的晶閘管，V1為3段橋負波開通的續流二極管。

從上述燒損的晶閘管和二極管可以得出SS9機車整流柜故障主要出現在1、3段橋，而2段橋一直未出現燒損故障，通過分析有下述3個原因:

(1)1、3段橋晶閘管二極管在整流柜上放置結構不合理

從整流柜的結構(見圖6)可以發現，1、3段橋的晶閘管和二極管跨接在主變壓器1/2的牽引繞組上，即主變壓器一半的電壓直接接在1、3段橋的晶閘管和二極管的兩端，但該晶閘管和二極管在整流柜的位置只是通過一個高度為50 mm長方形絕緣隔板隔開的，也就是它們散熱片之間的距離只有50 mm，散熱片后部與蓋板距離也只有13 mm，見圖6，而整流柜又是整體密封的，正常維修時，不能檢查清掃整流柜硅元件內部散熱片，而整流柜工作時，內部灰塵使其絕緣下降，加之絕緣距離短，極易造成變壓器繞組的交流輸入端通過1或3段橋的晶閘管通過下面的二極管陽極回到變壓器負端，從而發生整流輸出正端位置放電，即晶閘管和二極管的散熱片單側拉弧或雙側拉弧，從而使散熱片或柜體燒損。

下面從整流柜開通第1段大橋電路分析，具體說明晶閘管V10及二極管V7如何進行單側散熱片的燒損:

當變壓器次邊的牽引繞組a2為交流電正端時(見圖7)，第1段橋晶閘管V10開通，因V10晶閘管和第1段橋二極管V7之間的距離很近，它們在整流柜通過一個50 mm電木隔開的，若整流柜內部不干凈或電木絕緣下降，極易造成整個變壓器繞組的1/2Ud電壓直接通過下面的二極管V7陽極回到變壓器負端x2(而不是正常時通過牽引電機回到變壓器負端x2)，從而發生整流柜輸出正端位置放電，即晶閘管V10和二極管V7的散熱片單側拉弧，從而使散熱片或柜體燒損。

圖6 整流柜結構圖

圖7 變壓器次邊牽引電路示意圖

同理，1段橋的負波易極使晶閘管V11和二極管V8燒損;3段橋的正波易極使晶閘管V11和二極管V8燒損，3段橋的負波易極使晶閘管V11和二極管V8燒損。

為什么2段橋晶閘管V3或V4及其二極管V1或V2的確沒有發生過燒損，從整流柜結構圖的位置可以看出，2段橋晶閘管V3(V4)與其二極管V1(V2)同一上下層面，所以不可能發生放電燒損。

(2)散熱片之間絕緣下降

二極管陰、陽極散熱片之間的4根絕緣套管因使用年限長或粘有灰塵使其絕緣下降。當交流電經晶閘管整流后，其電壓通過銅排直接加下面的二極管，因二極管陰、陽極散熱片之間的4根絕緣套管下降，從而發生二極管陰、陽極散熱片之間放電，即雙側拉弧，見圖8、圖9。

圖8 絕緣套管炭化示意圖

圖9 絕緣套管炭化后放電示意圖

(3)高次諧波

由于現在大量的和諧交流機車的運用，會產生大量高次諧波，當SS9牽引運行時，高次諧波通過機車受電弓進入主變壓器，會在其主變壓器牽引繞組產生能量巨大的高次諧波能量，因機車主變壓器的交流側吸收過電壓能力不足，則它會通過導通的晶閘管直接加在1、3段整流大橋的二極管、晶閘管兩端，輕則使整流元件的散熱器發生放電，整流元件的壽命大大降低，重則發生1段的二極管、晶閘管及對柜體之間，在大電流情況下將相互放電，造成整流柜燒損。

(4)整流裝置的通風系統不良

SS9型機車整流裝置的通風系統為獨立通風，冷卻空氣從車外吸入經側墻過濾裝置到車體夾層風道，然后到整流裝置風道進入整流柜，對整流元件進行冷卻，最后通過牽引通風機及風道進入牽引電機由車底排出，若側墻的過濾裝置的過濾網破損或有的濾網為鋼絲時，會使雜物或鋼絲吸入整流柜柜體內，在整流柜內部積塵，從而造成整流柜絕緣下降或使晶閘管和二極管短路放電。

3 SS9型機車整流裝置改進措施

針對上述整流柜燒損的分析，我們采取下列措施:

(1)在整流裝置的結構上進行改進

①增大1、3段橋二極管與晶閘管之間的距離，即將它們之間的距離大于50 mm以上。

②改變1、3段橋晶閘管與二極管在整流裝置的排列位置，即將它們其中的二極管或晶閘管移到整流裝置其他的位置上，而不是現在上下排列的。

③將整流柜背后的蓋板由內側移到外側，這樣可以從當前的13 mm增加至18 mm，它的好處在于可增加二極管、晶閘管散熱片與柜體之間的距離，另外小輔修時，可方便打開此蓋板，檢查清掃整流柜內部二極管、晶閘管散熱片，且中修時將此蓋板全部換新，確保絕緣板絕緣穩定性能良好。

(2)改變主變壓器的牽引繞組側過電壓吸收電路的參數，即把機車的RC阻容吸收器的71C、72C、81C、82C電容值由1.7 kV、18 μF改為1.7 kV、6 μF，來避免阻容保護的電阻燒損。

(3)加強對主變壓器的牽引繞組側過電壓吸收的電阻73R、74R、83R、84R及電容71C、72C、81C、82C檢查，發現阻值不良及電阻燒損時，立即更換。

(4)加強對整流柜的通風濾網的檢查，發現不良濾網及時更換，對有鋼絲的濾網全部換成棕網或海棉濾網，并定期清洗濾網。

(5)小輔修時，拆開整流柜V5與V1之間、V6與V2之間、V10與V7之間、V11與V8之間的長方形絕緣隔板及整流柜后部絕緣背板，清除后部灰塵，發現背板有放電痕跡，及時更換并處理。

(6)更換不良的整流元件時，必須進行均流試驗，且均流系數應達到0.9以上.

4 結束語

通過實施以上各項措施，SS9型機車整流裝置質量大大提高，武昌機務段因SS9型機車整流裝置燒損故障明顯減少，這說明采取上述措施是可行的，由此確保了SS9型機車在牽引旅客列車的運行安全。

參考文獻

［1］ 余衛斌.韶山9型電力機車［M］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］ 王兆安，黃 俊.電力電子技術(第四版)［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［3］ 華 平.電力機車控制［M］.北京:中國鐵道出版社，2014.

［4］ 陳伯時，陳敏遜.交流調速系統［M］.北京:機械工業出版社.

Cause Analysis and Prevention Measures of Rectifier Device Burning for SS9-type Electric Locomotives

TAN Bin
(Technology Department of Wuchang South Locomotive Depot，Wuhan Railway Bureau，Wuhan 430064 Hubei，China)

Rectifier device burning has occurred with increasing frequency in SS9-type locomotives.This paper analyzes the structure and principle of the rectifier device，finds out the burning cause，and puts forward the improvement measures，which can be a reference for related departments and communication.

electric locomotive;rectifier device;higher harmonic;burning;improvement

U264.3+71

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.01.22

1008－7842(2015)01－0097－04

)男，工程師(

2014－08－09)