某型動(dòng)車組中間直流母線過壓故障分析

王學(xué)通 葛濱

【摘 ?要】某型動(dòng)車組運(yùn)行途中報(bào)出“中間直流母線過壓”故障，導(dǎo)致全列牽引被自動(dòng)切除，影響該動(dòng)車組的正常運(yùn)行。通過下載并解析列車故障時(shí)刻數(shù)據(jù)記錄，發(fā)現(xiàn)故障時(shí)刻列車正處于分相區(qū)，結(jié)合動(dòng)車組牽引系統(tǒng)原理及過分相中間直流母線電壓保持策略對(duì)故障原因進(jìn)行分析，最終發(fā)現(xiàn)此故障是由于列車在過分相時(shí)牽引逆變器初始制動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，因?yàn)闋恳孀兤髦苿?dòng)提供的功率大于輔助系統(tǒng)消耗的功率，從而導(dǎo)致中間直流母線過壓。通過調(diào)整牽引逆變器軟件控制參數(shù)的初始制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和加載斜率使得軟件進(jìn)行有效優(yōu)化，對(duì)軟件優(yōu)化后數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)優(yōu)化效果明顯，說明此次優(yōu)化可為同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)及故障分析提供一定借鑒和參考。

【關(guān)鍵詞】動(dòng)車組;過分相;牽引系統(tǒng);直流母線

引言：

現(xiàn)階段我國電氣化鐵路采用單相交流供電的供電方式。為盡可能平衡電力系統(tǒng)的三相負(fù)荷，接觸網(wǎng)通常采用分段換相供電，即每隔一段設(shè)置一段供電絕緣區(qū)，通常該區(qū)段為20-30公里，這段供電絕緣區(qū)被稱為分相區(qū)。高壓接觸網(wǎng)在分相區(qū)兩側(cè)供電，而分相區(qū)內(nèi)電壓值為0。動(dòng)車組通常采用自動(dòng)過分相，即控制單元接在接收到過分相信號(hào)后，控制單元對(duì)牽引四象限整流器的脈沖進(jìn)行封鎖。在分相區(qū)為保證乘客的舒適度，此時(shí)列車輔助設(shè)備（照明、空調(diào)、冷卻裝置等）需要持續(xù)工作，此時(shí)牽引逆變器需要切換到制動(dòng)模式，以維持中間直流母線電壓為輔助系統(tǒng)供電。

某型動(dòng)車組載客運(yùn)行途中，02、04、05車同時(shí)報(bào)出“中間直流母線過壓”故障，故障車廂牽引變流器被自動(dòng)切斷。最后，因07車牽引變流器不足以維持全列輔助系統(tǒng)的正常運(yùn)行，導(dǎo)致07車牽引變流器也被自動(dòng)切除，最終造成整列牽引全部丟失。根據(jù)車載故障數(shù)據(jù)分析，故障發(fā)生在動(dòng)車組過分相時(shí)刻，故障原因?yàn)闋恳孀兤鞯妮敵龉β蚀笥谳o助變流器消耗的功率，從而導(dǎo)致中間直流母線過壓。本文通過結(jié)合牽引系統(tǒng)和過分相時(shí)的中壓保持策略，結(jié)合車載故障數(shù)據(jù)的分析研究，優(yōu)化過分相時(shí)的中壓保持策略，以解決同類型產(chǎn)品的故障。

1 牽引系統(tǒng)及中壓保持策略概述

1.1牽引系統(tǒng)概述

動(dòng)車組牽引系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1.1所示。受電弓首先通過接觸網(wǎng)獲得25kV高壓電能，接著牽引變壓器將25kV高壓電能降壓后供給四象限整流器，四象限整流器將牽引變壓器二次側(cè)單相交流電轉(zhuǎn)變成系統(tǒng)要求的3600V直流電，通過四象限控制算法使?fàn)恳兞髌骶W(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1。中間直流回路主要起到儲(chǔ)能和穩(wěn)定中間直流電壓的作用，將中間直流母線電壓保持在3600V左右并保證能量傳遞時(shí)的瞬時(shí)功率平衡。中間直流母線回路的3600V直流電一路經(jīng)過牽引逆變器的變換，向牽引電動(dòng)機(jī)提供電壓、頻率可調(diào)的三相交流電源，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組的牽引、制動(dòng)等功能;另一路經(jīng)輔助變流器換成三相380 V/50 Hz 正弦交流電壓提供給各類輔助負(fù)載[1]。

當(dāng)列車處于牽引工況下，牽引逆變器處于逆變狀態(tài)，能量從中間直流環(huán)節(jié)流向牽引電機(jī)，牽引電機(jī)此時(shí)為電動(dòng)機(jī)狀態(tài);當(dāng)列車處于再生制動(dòng)工況時(shí)，此時(shí)牽引電機(jī)為發(fā)電機(jī)狀態(tài)，牽引逆變器通過整流將牽引電機(jī)制動(dòng)產(chǎn)生的能量回饋至中間直流母線，再經(jīng)過四象限逆變反饋至接觸網(wǎng)[2]。

1.2中壓保持策略概述

當(dāng)動(dòng)車組進(jìn)入分相區(qū)時(shí)，主斷路器自動(dòng)斷開，接觸網(wǎng)不再為牽引系統(tǒng)的供電，此時(shí)四象限整流器停止工作。為保證分相區(qū)內(nèi)車載空調(diào)、照明、冷卻裝置等輔助設(shè)備能夠正常工作，采用中壓保持策略使?fàn)恳兞髌鞴ぷ髟谥虚g直流電壓保持模式。中間直流電壓保持模式下牽引變流器不再受控于列車控制級(jí)發(fā)送的牽引或制動(dòng)指令，僅根據(jù)輔助供電系統(tǒng)的功率需求，由變流器控制單元控制中間直流電壓保持穩(wěn)定，利用再生制動(dòng)反饋的能量保證輔助變流器及必要負(fù)載設(shè)備持續(xù)正常工作，進(jìn)入輔助供電模式[3]。

進(jìn)入輔助供電模式后，為保持中間直流電壓的平穩(wěn)，此時(shí)牽引系統(tǒng)從牽引狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹苿?dòng)狀態(tài)。中壓保持策略主要包括初始制動(dòng)和中間直流電壓閉環(huán)控制兩個(gè)過程。當(dāng)檢測(cè)到過分相開始信號(hào)后，在四象限還未停機(jī)之前，牽引逆變器進(jìn)入初始制動(dòng)狀態(tài)為輔助系統(tǒng)提供電壓，此時(shí)為初始制動(dòng)過程;在四象限停機(jī)之后，牽引逆變器進(jìn)入中間直流電壓閉環(huán)控制。

2 故障數(shù)據(jù)分析

2.1 車載故障數(shù)據(jù)

故障時(shí)刻車載數(shù)據(jù)如表1所示。其中過分相預(yù)信號(hào)為高電平，主斷路器狀態(tài)同時(shí)顯示高電平，可以分析出故障時(shí)刻列車處于接收到過分相預(yù)信號(hào)，主斷斷開之前的工況。開始時(shí)四象限狀態(tài)為1代表四象限還在工作時(shí)，牽引逆變器處于根據(jù)輔助功率進(jìn)行初始制動(dòng)的過程，初始制動(dòng)階段中間電壓穩(wěn)定的維持在3340V 左右;當(dāng)四象限狀態(tài)由1變?yōu)?時(shí)表示牽引四象限停機(jī)，此時(shí)中間直流母線電壓從3507V升至4000V以上，超出中間直流母線一級(jí)保護(hù)閾值3950 V，報(bào)出中間直流母線故障。可以看出中間直流母線過壓故障發(fā)生在初始制動(dòng)過程和中間直流電壓閉環(huán)控制切換的過程中。

由式（2）和式（3）計(jì)算結(jié)果可以看出，牽引逆變器提供的功率大于輔助消耗的功率。

過分相時(shí)初始轉(zhuǎn)矩設(shè)為200 N·m是按照輔助滿載工況（220 kVA，功率因數(shù)為0.85）設(shè)置的。式（2）的計(jì)算結(jié)果與軟件設(shè)置預(yù)期結(jié)果一致，但實(shí)際車上輔助負(fù)載偏小。從式（3）的計(jì)算結(jié)果看，當(dāng)時(shí)的輔助功率為80.52 kW，接近半載。中間直流母線過壓的原因是由于在過分相時(shí)牽引逆變器初始制動(dòng)最小轉(zhuǎn)矩設(shè)置偏高，導(dǎo)致牽引逆變器提供的功率大于輔助消耗的功率，從而導(dǎo)致中間直流母線過壓。04 車和05 車故障數(shù)據(jù)和分析計(jì)算結(jié)果與02 車類似，此處不再贅述。

3 故障處置措施及效果

3.1 故障處置措施

優(yōu)化牽引逆變器控制軟件，將200 km/h 以下過分相初始轉(zhuǎn)矩最小值由-200 N·m降低為-10 N·m，同時(shí)將過分相時(shí)牽引逆變器的加載斜率由3 000 N·m/s 改為4 000 N·m/s。

3.2 故障處置效果

根據(jù)軟件優(yōu)化前后動(dòng)車組的車載故障數(shù)據(jù)，整理和統(tǒng)計(jì)出過分相時(shí)直流母線過壓故障次數(shù)。在軟件優(yōu)化前全國動(dòng)車組各車型共發(fā)生列車過分相工況下直流母線過壓故障10 次，軟件優(yōu)化后運(yùn)行一季度，再無此類故障發(fā)生，說明軟件優(yōu)化明顯，解決措施有效。

4 結(jié)語

牽引系統(tǒng)過分相時(shí)的初始制動(dòng)轉(zhuǎn)矩是按照輔助系統(tǒng)滿載工況[4]（200 kVA）考慮的設(shè)定的，而實(shí)際運(yùn)行時(shí)，輔助系統(tǒng)并總是非滿載工作。由于軟件初始制動(dòng)轉(zhuǎn)矩設(shè)置偏大，導(dǎo)致動(dòng)車組過分相時(shí)牽引逆變器發(fā)揮的功率大于輔助系統(tǒng)消耗的功率，最終造成中間直流母線過壓故障報(bào)出。通過調(diào)整軟件初始制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和加載斜率，解決了動(dòng)車組過分相時(shí)直流母線過壓故障，大大提高了動(dòng)車組運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，為同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)及故障分析提供一定借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]管俊青，王雷，牛勇. 牽引功率單元IGBT保護(hù)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)車電傳動(dòng)，2017，000（004）：20-22.

[2]馮曉云. 電力牽引交流傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]蔣威. 動(dòng)車組變流器中間直流電壓保持控制策略研究[J]. 機(jī)車電傳動(dòng)，2019，267（02）：35-40.

[4]LIU Jing. Analysis on the load management of medium voltagePower supply system of Chinese StandardEMUsCR400BF [C]// The 3rd international conference on electrical and information technologiesfor rail transportation.[S.l.：s.n.]，2017：88-94.