CR400AF型動車組牽引變流器接地故障分析與處理

周新力

（中國鐵路廣州局集團有限公司 廣州動車段，廣州 511483）

牽引系統作為動車組關鍵技術之一，對動車組的安全運營起著至關重要作用。牽引變流器作為牽引系統核心部件，發生接地故障會造成牽引丟失現象，嚴重影響動車組線上運行秩序。因此，分析牽引變流器接地故障發生原因，歸納總結牽引變流器接地故障的排查方法，將有利于提高動車段故障處理能力和運用檢修水平。

1 CR400AF型動車組牽引變流器簡介

CR400AF型動車組牽引變流器是動車組將高壓交流電轉變為可控動力電源的一種變流裝置，在M02、MH04、MB05、M 07車各配備1臺。牽引變流器主要由2個四象限整流模塊4QS1和4QS2，2個牽引逆變模塊INV1和INV2，1個輔助逆變模塊FUINV、1臺輔助變壓器、中間直流回路、無火回送裝置、TCU控制單元等組成。變流器采用主輔一體化設計，同時集成冷卻系統于一體，具有結構緊湊、功率密度大、輕量化程度高、易維護等特點［1］。牽引變流器結構原理如圖1所示。

圖1 CR400AF型動車組牽引變流器結構原理圖

2 牽引變流器接地故障分析

2.1 接地故障檢測機理

CR400AF型動車組牽引變流器中間直流回路接有3個直流電壓傳感器VH1、VH2、VH3，其中VH1、VH2用于全中間電壓檢測，VH3用于半中間電壓檢測。接地電阻器R5、R6并聯到牽引變流器的中間直流電壓回路中，R5、R6的阻值相等，電阻器的中央抽頭接地，VH3采集分壓電阻R5上的電壓，在額定運行期間，該電壓值為整體DC回路電壓的1/2，即半中間電壓，如圖2所示。

圖2 牽引變流器內部接地檢測電路

當牽引主回路發生接地時，半中間電壓會發生波動，TCU檢測到半中間電壓超過全中間電壓的85%或者低于全中間電壓的15%時，持續超過200 ms后置位牽引變流器接地保護故障（代碼3105）。此時牽引變流器由工作狀態轉為故障狀態，封鎖變流器所有脈沖，同時變流器內部的CIFR動作，導致相應單元的VCB斷開，全列牽引自動丟失。

2.2 故障模式分析

根據CR400AF型動車組牽引變流器接地故障檢測機理及其主電路分析可知，當牽引變壓器二次側、變流器直流環節、變流器輔助逆變環節、變流器牽引逆變環節、牽引電機等任一位置發生接地時，均可能導致報出牽引變流器接地保護故障。結合CR400AF型動車組在日常運用檢修中遇到的變流器接地故障模式，總結得出其常見接地故障點如下：

（1）牽引變壓器輸出端插頭（Pfiserer端子）

每個牽引變壓器通過8個輸出端插頭（S1~S8）為所在牽引單元的2個牽引變流器提供電能。當牽引變壓器輸出端插頭發生裂痕或出現內部燒損時，會導致牽引變流器中間直流回路輸入端接地，動車組報出牽引變流器接地保護故障。

（2）車間過橋線電纜及連接器

車間過橋線電纜位于TP03、MH04、MB05、TP06車的2車之間，用于TP03、TP06車2個高壓基本單元間的連接。若過橋線燒損或連接器內部燒損，可能報出牽引變流器接地保護故障。

（3）IGBT模塊

牽引變流器4QS整流器（CPM1、CPM 2）、PWMI逆變器（IPM 1、IPM2）和輔助逆變器（APM）共包含5個IGBT模塊，如發生IGBT模塊擊穿、模塊母線排燒損等，可導致牽引變流器中間直流回路接地。

（4）牽引電機

牽引變流器通過整流、逆變后將驅動牽引電機工作，當發生牽引電機輸入連接線接地、電機電氣連接插頭進水、相間阻值不平衡、定子繞組對地絕緣不良等故障時，將導致牽引變流器接地故障發生。

（5）接地檢測單元

牽引變流器內部電壓傳感器VH1、VH2檢測中間直流回路全電壓，VH3通過分壓電阻R5、R6進行中間直流回路半電壓檢測，并將檢測信號發送至TCU進行處理，所以VH1、VH2、VH3電壓傳感器器件發生故障或TCU采集中間接地的板卡出現故障或分壓電阻R5、R6發生故障時，可能報出牽引變流器接地保護故障。

3 牽引變流器接地故障診斷分析

CR400AF型動車組現車TCU軟件無法判斷出具體的接地故障點，當牽引變壓器二次側、變流器直流環節、變流器輔助逆變環節、變流器牽引逆變環節、牽引電機等任一位置發生接地時均會導致TCU報出牽引變流器接地保護故障。故障報出后，主斷路器自動斷開，全列牽引丟失，因TCU不能鎖定接地故障點，其保護策略存在過保護，影響車輛運用。針對此問題，借鑒其他車型接地保護策略思路［2］，提出一種TCU故障診斷優化方案，具體如下。

3.1 優化方案

（1）牽引變流器直流環節接地（代碼31CE）

牽引系統在運行狀態下，設置中間直流回路接地故障診斷邏輯。若出現了半電壓突變為0的現象，則TCU判斷出牽引系統存在中間直流回路正母排接地；若出現了半電壓突變為全電壓的現象，則TCU判斷出牽引系統存在中間直流回路負母排接地。變流器出現中間直流回路正母排或負母排接地，報出牽引變流器直流環節接地（代碼31CE），并封鎖變流器所有脈沖，斷開變流器充電、短接接觸器，此車牽引丟失。

（2）輔助高壓側接地（代碼34FA）

牽引系統在運行狀態時，設置輔助逆變器高壓側接地故障診斷邏輯。若出現了半電壓突變在0和全電壓之間變化且變化頻率與輔變頻率相同的現象，則TCU判斷出牽引系統存在輔變輸出接地，報出輔助逆變器高壓側接地（代碼34FA），并封鎖輔助逆變器脈沖，斷開此車輔變輸出接觸器，此車牽引正常工作。

（3）牽引電機接地（代碼34F9）

牽引系統在運行狀態時，設置牽引逆變器輸出接地故障診斷邏輯。若出現了半電壓突變在0和全電壓之間變化且半電壓頻率并非輔變頻率，TCU先判斷出存在接地故障，之后TCU停止某重牽引逆變器，半電壓恢復正常，因此判斷為此重牽引逆變器輸出側接地，報出牽引電機接地（代碼34F9），并封鎖該重牽引逆變器脈沖，該架牽引丟失。

（4）牽引變壓器二次側接地（代碼3105）

牽引系統在運行狀態時，設置牽引變壓器二次側接地故障診斷邏輯。若出現了半電壓突變在0和全電壓之間變化且半電壓頻率并非輔變頻率，TCU先判斷出存在接地故障，然后先后依此停止第一重、第二重牽引逆變器，此時仍然存在接地故障，因此判斷為牽引變壓器二次側接地故障，報出牽引變壓器二次側接地（代碼3105），并封鎖牽引變流器所有脈沖，斷開變流器充電、短接接觸器和主斷路器，全列牽引丟失。

3.2 成效分析

（1）優化前

CR400AF型動車組牽引變壓器二次側、變流器直流環節、變流器輔助逆變環節、變流器牽引逆變環節、牽引電機等任一位置發生接地時，均報出牽引變流器接地保護故障（代碼3105），導致升弓單元主斷路器自動斷開，全列牽引自動丟失。根據國鐵集團發布的《CR400AF系列動車組途中故障應急處理指導手冊》（201901版）要求，故障發生后需切除故障單元受電弓、主斷路器和高壓隔離開關，換弓運行至前方站下車檢查，對行車秩序影響較大。同時，由于高壓隔離開關被切除，全車空調功率將自動減半，影響旅客舒適性。

（2）優化后

優化后只有牽引變壓器二次側接地會導致主斷路器斷開，其他點接地僅封鎖故障變流器脈沖，僅造成單架或單車牽引丟失，不影響整車運行。

現車已結合TCMS網絡軟件升級實現了該優化方案，軟件升級后，大大減少了牽引變流器接地故障對線上運行秩序的影響，同時可通過具體故障代碼來縮小故障排查范圍，提高了故障處置效率。

4 牽引變流器接地故障排查方法

由于牽引變流器接地故障點較多，在查找該類故障時，可根據HMI屏報出的具體故障代碼結合TCU數據波形來確定故障發生基本范圍，再參照如下方法來排查具體接地故障點。

4.1 中間直流環節或內部模塊有接地

（1）檢查2架牽引整流器、牽引逆變器、輔助逆變器及相關接觸器、電纜插頭，確認各部件有無放電燒損痕跡或有無異味來進行此類故障的初步排查。

（2）拆解牽引變壓器2次繞組至牽引變流器輸入側1501~1504線，甩開牽引變流器半中間直流電壓接地點，分別使用1 000 V兆歐表在牽引變流器輸入側和牽引變流器輸出側（511~516線處）測量變流器模塊絕緣值是否正常，以此來判定變流器內部模塊是否故障。

4.2 變流器輸入側或輸出側有接地

牽引變流器一邊與牽引變壓器相連，另一邊與牽引電機相連，其接地故障的接地點有可能存在這2個設備當中。

（1）牽引變壓器二次側檢查

在1501~1504線處，使用1 000 V兆歐表測量1501~1504線處至牽引變壓器繞組側絕緣是否正常，同時使用萬用表測量同一繞組導通是否正常。

（2）牽引電機檢查

拆下牽引電機插頭，檢查牽引電機插座有無電弧燒黑現象，檢查牽引電機插頭有無縮針、歪針現象以及電弧燒黑現象。

使用1 000 V兆歐表對4臺牽引電機對地絕緣阻值進行測量，正常為無窮大。使用直流電阻測試儀測量牽引電機三相電阻阻值（UV相、UW相、VW相），正常阻值約為0.2Ω左右，三相電阻阻值差值不超過4%。

對1~4軸牽引電機進行4 500 V交流耐壓測試，標準為漏電流<200 mA；使用14 000 V直流耐壓機分別對4臺牽引電機進行耐壓測試，標準為漏電流<0.1 mA。

拆解牽引變流器逆變模塊輸出側511~516線，使用1 000 V兆歐表分別從511~516線處以及電機插座處測量各連接線對地絕緣阻值，正常為無窮大。

4.3 檢測回路故障

（1）TCU接地檢測板卡或電壓傳感器VH1、VH2、VH3故障。對于這種情況，實際應用中直接更換該故障板卡和電壓傳感器。

（2）電阻器單元故障。使用萬用表對電阻單元R5、R6的電阻值進行測量，觀察其阻值是否都在正常范圍內。

5 結束語

CR400AF型動車組配屬廣州動車段以來，發生多起牽引變流器接地故障，嚴重影響高鐵線路運營秩序。通過不斷總結故障排查處理經驗，得出牽引變流器接地故障的一般排查方法，并從故障診斷邏輯出發，優化了牽引變流器接地故障檢測邏輯，有效提高了動車段故障處理能力和運用檢修水平。