一體化電源TU1模塊故障分析及處理

徐　升　中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司合肥電務(wù)段

某站新上道的電源屏采用一體化信號(hào)電源系統(tǒng)，一般設(shè)計(jì)應(yīng)用在采用三相輸入電源的車站，但由于該站采用單相輸入電源，在上道初期應(yīng)用過程中發(fā)生不間斷供電TU1模塊內(nèi)母線電容炸裂導(dǎo)致模塊故障，影響信號(hào)設(shè)備正常使用。為降低電源設(shè)備故障對(duì)行車運(yùn)輸?shù)挠绊懀Y(jié)合一體化信號(hào)電源系統(tǒng)原理和外電網(wǎng)供電情況的分析，對(duì)存在的設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行分析、優(yōu)化。

1 一體化信號(hào)電源系統(tǒng)工作原理

雙總線冗余一體化信號(hào)電源系統(tǒng)包含：系統(tǒng)輸入配電單元、直流不間斷供電單元（HVDC）、穩(wěn)壓電源模塊及隔離單元、系統(tǒng)輸出配電單元、監(jiān)控與通信管理單元。

雙總線冗余一體化信號(hào)電源系統(tǒng)供電由外電網(wǎng)I、II路電源經(jīng)電源屏兩路市電切換裝置送至高壓直流不間斷電源（HVDC）模塊TU1，輸出DC270V的電壓，分別經(jīng)雙母線獨(dú)立給后端的穩(wěn)壓模塊供電，構(gòu)成雙母線冗余供電方式，即使其中一組母線出現(xiàn)故障，由另一組母線仍給穩(wěn)壓模塊供電，保證輸出不中斷。

2 問題描述

某站電源屏上道使用3個(gè)月后發(fā)生不間斷供電TU1模塊內(nèi)母線電容炸裂現(xiàn)象（TU1模塊電路原理見圖1），其中TU1母線電容C98/C99為江海生產(chǎn)的470uf/450V品牌電解電容。

3 測(cè)試分析

TU1模塊內(nèi)母線電容損壞一般有以下兩種情況：一是電壓應(yīng)力超標(biāo)；二是紋波過大。下面將分別進(jìn)行測(cè)試分析。

3.1 母線電容耐壓測(cè)試

按圖2電容耐壓測(cè)試原理圖所示進(jìn)行接線試驗(yàn)，電阻R1-A為51Ω，電容C1為5個(gè)470uf/450V電容并聯(lián)。每次給電容充電2h，隨后電容自然放電。測(cè)試過程中電容電壓逐漸從450V上升至560V。測(cè)試結(jié)果：電容均未發(fā)生損壞，即可以排除電容損壞是由于電壓應(yīng)力超標(biāo)造成的。

圖2 電容耐壓測(cè)試原理圖

3.2 母線電容紋波測(cè)試

在輸入單相交流電（有效值220V）條件下，對(duì)TU1模塊輸出分別掛接阻性負(fù)載、TH2、TC1、TE1四種現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載進(jìn)行系統(tǒng)完整的模擬復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)。測(cè)試過程如下：

3.2.1 TU1模塊分別掛接阻性負(fù)載、TH2、TC1模塊測(cè)試

TU1模塊為單相輸入，后端分別帶純阻性負(fù)載、兩臺(tái)TH2、兩臺(tái)TC1模塊，逐漸增大負(fù)載，直至帶載15A，測(cè)試正母線電壓最高445V左右，最低300V左右，母線紋波較大。測(cè)試后端全橋的DS電壓最高830V左右。老化約4h，模塊工作正常，溫升約13°正常。

3.2.2 TU1模塊掛接TE1測(cè)試

TU1模塊為單相輸入，后端帶2臺(tái)TE1模塊，逐漸增加TE1負(fù)載，直到TU1帶載15A，測(cè)試正母線電壓最高458V，最低252V，母線紋波與之前測(cè)試相比，進(jìn)一步惡化，紋波劇增至206V。測(cè)試后端全橋的DS電壓最高909V，TU1模塊工作約50min后損壞。

對(duì)損壞TU1模塊拆開后發(fā)現(xiàn)正母線電容炸裂，位置和當(dāng)日現(xiàn)場(chǎng)TU1模塊一致。測(cè)試此時(shí)電容的表面溫升為40℃左右（注：TU1模塊在三相輸入下滿載測(cè)試，母線電容表面溫升為10℃）。根據(jù)3.1母線電容耐壓測(cè)試，可以看出該電解電容電壓在560V高壓的情況下未損壞，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的母線電容應(yīng)力數(shù)據(jù)（最大不超過500V），可排除高壓擊穿造成電容損壞的推斷。而母線電容溫升較高，可確定母線電容炸裂原因是由于紋波較大。

3.3 母線紋波分析

3.3.1 紋波來源與消除

首先TU1模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定正/負(fù)母線上存在固有的工頻紋波，在設(shè)計(jì)時(shí)只能通過電容容量設(shè)計(jì)以及環(huán)路設(shè)計(jì)，弱化紋波幅值，而不能完全消除。

TU1模塊單相輸入下，后端帶2.0模塊或阻性負(fù)載，當(dāng)TU1負(fù)載電流較大時(shí)（如15A），紋波普遍略大。與TH1模塊,就母線容量，作簡(jiǎn)單的橫向?qū)Ρ龋醪綌喽▎蜗噍斎胂拢琓U1模塊母線電容容量不足（TH1-3kW模塊正負(fù)母線電容各為3個(gè)470uf/450V電解電容，TU1-10kW模塊正負(fù)母線電容各為2個(gè)470uf/450V電解電容）。此外通過環(huán)路調(diào)節(jié)優(yōu)化后，無明顯效果。

從TH1和TU1后端拓?fù)鋵?duì)比，TH1的母線掛接半橋逆變，由于輸入和輸出鎖相，輸出正半周能量來源于輸入正半周。而在輸入負(fù)半周過程，正母線存在續(xù)流過程。而TU1的母線掛接移相全橋，無論輸入正半周還是負(fù)半周，正負(fù)母線同時(shí)對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電，即TU1母線容量需求大于TH1模塊。當(dāng)容量不足時(shí)，表現(xiàn)為紋波電壓峰值偏大。具體母線電容的紋波耐受值可參見以下計(jì)算。

根據(jù)江海的此款電解電容（470uf/450V）規(guī)格書，可知該電容允許的紋波有效值為1.5A，據(jù)此可得出電容耐受電壓紋波小于90V。

對(duì)于優(yōu)化方案2中的電解電容（680uf/450V），可知該電容允許的紋波有效值為1.81A，據(jù)此可得出電容耐受電壓紋波小于75V。

TU1母線采用正負(fù)母線結(jié)構(gòu)，主要起儲(chǔ)能作用，因此對(duì)于TU1母線電容的選擇主要滿足以下要求：①發(fā)熱要求：要求電容整體的ESR較小，發(fā)熱滿足電容壽命要求。②儲(chǔ)能要求：要求在帶載時(shí)有足夠的支撐能力。

3.3.2 TU1掛接TE1模塊后母線紋波劇增問題分析

從3.2.1-3.2.2的測(cè)試過程中，可看出紋波幅值普遍較大，特別是3.2.2TU1帶TE1模塊時(shí)，紋波峰峰值達(dá)到206V，顯然紋波過大影響了模塊的壽命以及工作穩(wěn)定性。

對(duì)于TU1掛接TE1模塊，紋波突增到206V的現(xiàn)象，可知TE1模塊的PFC電感電流采樣CT位于整流器前，可以準(zhǔn)確采集工頻信號(hào)，但當(dāng)TE1模塊應(yīng)用于一體化系統(tǒng)時(shí)，其輸入為脈動(dòng)直流信號(hào)，互感器電流采樣值將不能準(zhǔn)確反映實(shí)際電流的變化，從而影響TE1模塊PFC電路電流環(huán)的電流跟隨性及環(huán)路穩(wěn)定性,導(dǎo)致TU1模塊輸出電壓/電流出現(xiàn)脈沖形式的波形畸變，并最終通過高頻變壓器傳遞到TU1模塊母線，使得母線紋波增大。

針對(duì)后端TE1模塊存在的問題進(jìn)行軟件優(yōu)化。TU1模塊帶優(yōu)化后的TE1模塊2PCS進(jìn)行測(cè)試（TU1帶載15A），正母線電壓波形最高438V，最低306V，遠(yuǎn)低于優(yōu)化前的紋波206V。

3.3.3 結(jié)論

根據(jù)上述測(cè)試分析，可以得出如下結(jié)論，TU1模塊在

3.2.2 測(cè)試過程中，損壞的原因來自兩個(gè)方面：

（1）TU1模塊設(shè)計(jì)為三相輸入電源模塊，用在單相輸入電源情況下，在連接同等負(fù)載下，輸入電流更大，需要降額使用或者補(bǔ)充母線容量。通過后續(xù)優(yōu)化，在單相輸入電壓下，降額輸出25A。

（2）TU1帶TE1模塊（優(yōu)化前），TU1母線電容的峰值電壓可達(dá)到206V，此時(shí)母線電容電壓波動(dòng)劇烈，同時(shí)電流不穩(wěn)定使電容頻繁充放電，內(nèi)部溫度升高很快。當(dāng)溫升超過電容泄爆口的承受極限，造成電容發(fā)熱嚴(yán)重?fù)p壞。

4 優(yōu)化改進(jìn)方案

基于上述結(jié)論，解決TU1母線電容損壞，可以通過增加母線電容容量，減小等效電阻來解決。即在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，將TU1模塊母線電容由兩個(gè)470uf/450V電容更換為四個(gè)680uf/450V電容，并增加PFC板和PWM板的正負(fù)母線中點(diǎn)連接線。改造前后的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 優(yōu)化改進(jìn)測(cè)試表

結(jié)論：TU1模塊母線電容優(yōu)化后母線紋波

大大減弱，與之前測(cè)試數(shù)據(jù)基本一致，輸入220V和輸入175V時(shí)，同等負(fù)載下，母線紋波基本一致，且耐受電壓紋波不超標(biāo)。

由于是單相輸入，模塊需降額至25A輸出。為了提升安全富裕量，在單相輸入應(yīng)用環(huán)境下，將模塊的限流點(diǎn)由三相時(shí)的35A降低至單相時(shí)的25A。

5 優(yōu)化措施

5.1 硬件優(yōu)化

在原有2個(gè)母線電容的基礎(chǔ)上增加連接2個(gè)同規(guī)格的母線電容。同時(shí)為了進(jìn)一步提高母線電容的紋波耐受能力，將原有470uf/450V母線電容更換為680uf/450V規(guī)格，以提高模塊的工作可靠性

5.2 軟件優(yōu)化

[1]中華人民共和國(guó)鐵道部.運(yùn)基信號(hào)〔2005〕458號(hào).《鐵路信號(hào)智能電源屏技術(shù)條件》（暫行）.

[2]趙祚義.信號(hào)電源屏存在的主要問題及產(chǎn)生原因[J].鐵道通信信號(hào)，2000年，第1期.