CRH1型動車組變流器中間直流環(huán)節(jié)過電壓的故障分析及預(yù)防

鄭 敏，薛文敏，成 杰

（南昌鐵路局 福州動車段，福州 350018）

CRH1型動車組變流器中間直流環(huán)節(jié)過電壓的故障分析及預(yù)防

鄭 敏，薛文敏，成 杰

（南昌鐵路局 福州動車段，福州 350018）

針對CRH1型動車組配屬福州動車段以來變流器模塊故障頻發(fā)的問題開展故障分析與對策研究。從變流器中間直流環(huán)節(jié)的控制原理入手，結(jié)合車載數(shù)據(jù)及故障發(fā)生時的環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析，通過數(shù)據(jù)對比與實例驗證判明故障真實原因，并提出變流器直流環(huán)節(jié)過電壓故障的解決辦法和預(yù)防措施。

動車組；變流器；故障分析；過壓故障

自CRH1型動車組配屬福州動車段以來，變流器模塊故障頻發(fā)，僅2012年就出現(xiàn)變流器模塊故障69件，其中中間直流環(huán)節(jié)過電壓達到23件。由此導(dǎo)致的變流器模塊被隔離，影響正常的動車組運用和服務(wù)質(zhì)量。因此從變流器中間直流環(huán)節(jié)的控制原理入手，分析原因，結(jié)合車載數(shù)據(jù)分析工作，提前采取措施顯得異常重要。

1 變流器直流環(huán)節(jié)電壓工作原理

1.1 變流器直流環(huán)節(jié)的基本組成

根據(jù)CRH1型動車牽引系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范,網(wǎng)側(cè)變流器將來自高壓系統(tǒng)并經(jīng)由網(wǎng)側(cè)變流器的交流網(wǎng)側(cè)電壓轉(zhuǎn)換為直流環(huán)節(jié)電壓。電機變流器將來自網(wǎng)側(cè)變流器的直流環(huán)節(jié)電壓轉(zhuǎn)換為三相電。三相電為可變電壓和可變頻率，適用于異步牽引電機的驅(qū)動和制動。

直流環(huán)節(jié)電路由網(wǎng)側(cè)變流器的電容器、電阻器、二次諧波濾波器和電機變流器的電容器、斬波器以及輔助變流器的電容器共同組成。其中，二次諧波濾波器用來濾除網(wǎng)側(cè)變流器的二次電流，減小中間直流環(huán)節(jié)電壓波紋，從而減小牽引電機的轉(zhuǎn)矩脈動。

網(wǎng)側(cè)變流器和電機變流器中的直流環(huán)節(jié)濾波器是一個能量緩沖器。直流環(huán)節(jié)濾波器可穩(wěn)定直流環(huán)節(jié)的電壓，并包含足夠的電容量以保證直流環(huán)節(jié)電壓紋波維持在允許的限值內(nèi)，使變流器得到精確控制。

1.2 中間直流環(huán)節(jié)的控制反饋

直流環(huán)節(jié)電壓控制反饋原理是系統(tǒng)通過變流器模塊的電壓傳感器對直流環(huán)節(jié)電容器的電壓進行測量，并將數(shù)值反饋至各自的控制單元進行計算，經(jīng)過其計算值再反饋至牽引控制單元（PCU），PCU將其4個值進行對比，若出現(xiàn)不一致，則根據(jù)測量值與基準值的比對來對中間直流環(huán)節(jié)電壓進行自動調(diào)節(jié)。

1.3 過電壓保護原理

變流器的過壓保護（OVP）可防止變流器模塊受電壓瞬變損害，通過打開和關(guān)閉過壓斬波器，過壓保護可將直流環(huán)節(jié)保持在高低電壓限制之間。當(dāng)激活斬波器時，電能消失在過壓電阻中，同時，直流環(huán)節(jié)電壓開始下降。當(dāng)電壓水平達到最低限制時，斬波器失效。只要系統(tǒng)檢測到直流環(huán)節(jié)高壓，斬波器就處于工作狀態(tài)。

如果直流環(huán)節(jié)電壓持續(xù)上升，超過過壓水平，將顯示直流環(huán)節(jié)過壓，并命令進行保護性關(guān)機。如果在正常運行過程中直流環(huán)節(jié)電壓低于欠壓水平，顯示直流環(huán)節(jié)欠壓，并下達保護性阻斷指令。不管是直流環(huán)節(jié)過壓還是欠壓，最終都將對變流器進行保護。過電壓保護原理如圖1所示。

圖1 過電壓保護原理

直流環(huán)節(jié)電壓水平的設(shè)定：直流環(huán)節(jié)過壓等級（保護性關(guān)機）1 950 V；直流環(huán)節(jié)電壓OVP開啟等級1 900 V；直流環(huán)節(jié)電壓OVP關(guān)閉等級1 840 V；直流環(huán)節(jié)欠壓等級（保護性阻斷）200 V。

2 變流器直流環(huán)節(jié)過壓故障分析

綜合軟件圖及電路圖判斷，影響變流器中間直流環(huán)節(jié)過電壓原因主要有2個：直流環(huán)境測量有誤及網(wǎng)壓等外部因素造成的過壓。而影響直流環(huán)境測量故障的3個條件分別為電壓測量傳感器故障、變流器驅(qū)動控制單元故障（DCU）和電纜傳輸故障。

為了準確鎖定故障原因，提出后續(xù)故障判斷處理的依據(jù)。技術(shù)員組成車載數(shù)據(jù)分析小組在日常工作中采取3步走的方法：（1）分析故障，從已發(fā)生故障的數(shù)據(jù)分析、比對查找原因；（2）摸索“病灶”，排查故障發(fā)生之前該系統(tǒng)（或部件）的歷史事件記錄，從海量的數(shù)據(jù)中查找異常，推斷可能的“病灶”；（3）驗證預(yù)判，在實際運用中確診所預(yù)判的“病灶”準確性和對應(yīng)措施的可行性。

2.1 車載數(shù)據(jù)分析

利用2012年5月13日CRH1083A動車組發(fā)生“中間直流環(huán)節(jié)過電壓故障”前的車載數(shù)據(jù)及故障發(fā)生時的環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)在出現(xiàn)中間直流環(huán)節(jié)過電壓故障的前3天，直流環(huán)節(jié)電壓值曾出現(xiàn)波動，且在極短時間內(nèi)超過標(biāo)準值范圍。

查看故障發(fā)生時的網(wǎng)壓無異常，由此斷定出現(xiàn)直流環(huán)節(jié)過電壓是因直流環(huán)境測量故障引起，通過排查電壓測量傳感器、變流器驅(qū)動控制單元故障（DCU）和電纜傳輸，最終確認電壓傳感器存在問題，更換該元件后故障消除。

2.2 條件假設(shè)

由以上經(jīng)驗假設(shè)直流環(huán)節(jié)電壓是否波動可以作為后續(xù)可能出現(xiàn)直流環(huán)節(jié)過壓故障的一個依據(jù)，為此車載數(shù)據(jù)分析加強了對日常車載數(shù)據(jù)的篩選、分析，并進行驗證。

2.3 故障驗證

在2012年5月21日，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)配屬的CRH-1084A動車組中間直流環(huán)境出現(xiàn)了類似的波動，且間斷性的中間直流電壓超出正常值，持續(xù)時間為1 s～3 s不等，但均未引起其它故障。根據(jù)此前的經(jīng)驗推斷，隨著故障的擴大，后續(xù)動車組會發(fā)生中間直流環(huán)節(jié)過電壓的故障，且故障點可能為電壓傳感器。經(jīng)過近一周的跟蹤，2012年5月28日，動車組在運行途中果然出現(xiàn)了中間直流環(huán)節(jié)過電壓的故障且造成牽引控制單元模塊（LCM）被隔離，通過更換電壓傳感器，故障消除。

由以上分析和驗證，認定出現(xiàn)中間直流環(huán)節(jié)過電壓的主要原因是：外部網(wǎng)壓電壓波動、中間測量環(huán)節(jié)故障，并可以通過跟蹤直流環(huán)節(jié)電壓的波動情況對故障進行預(yù)判。

3 變流器直流環(huán)節(jié)過壓故障預(yù)防

結(jié)合車載數(shù)據(jù)的分析、摸索和驗證，提出了以下預(yù)防動車組運行途中中間直流環(huán)節(jié)過壓問題的方法：

（1）完善典型故障案例，將“直流環(huán)節(jié)電壓測量值”作為車載數(shù)據(jù)分析中的一個監(jiān)控值，加強車載數(shù)據(jù)分析工作，重點盯控中間直流環(huán)節(jié)電壓變化情況，出現(xiàn)波動則立即查看當(dāng)時的網(wǎng)側(cè)電壓以排查是否因網(wǎng)側(cè)電壓波動造成，若因網(wǎng)側(cè)電壓波動引起則在運行途中加強監(jiān)控，出現(xiàn)變流器保護性關(guān)機時，按照《CRH1型動車組應(yīng)急處置手冊》要求進行復(fù)位。

（2）完善動車組一二級檢修作業(yè)流程，要求檢修作業(yè)者在作業(yè)前及時查閱智能顯示單元（IDU）故障記錄，在無IDU故障記錄但車載數(shù)據(jù)監(jiān)測到中間直流環(huán)節(jié)電壓波動的情況下，激活列車，利用中央控制單元的TC CCU軟件檢查并測試所有變流器模塊中間直流環(huán)境的電壓測試值是否符合標(biāo)準值。

（3）在故障間斷性出現(xiàn)的情況下，應(yīng)做好傳感器和變流器驅(qū)動控制單元（DCU）中間的接線檢查，在確認接線無異常的情況下，通過更換電壓測量傳感器、變流器驅(qū)動控制單元（DCU）故障等不穩(wěn)定的配件，提前處置隱患。

（4）因故障發(fā)生的原理相近，可將“中間直流環(huán)節(jié)過電壓”問題的判斷方法延伸用于“中間直流環(huán)境欠壓”問題的判斷，此類問題均可以采用同樣措施。

4 結(jié)束語

為了解決CRH1型動車組配屬福州動車段以來變流器模塊故障頻發(fā)的問題,開展故障分析與對策研究。依據(jù)CRH1型動車組變流器中間直流環(huán)節(jié)的基本組成、控制反饋和過電壓保護原理，提出中間直流環(huán)節(jié)過電壓故障診斷思路。根據(jù)動車組車載數(shù)據(jù)在故障發(fā)生時的環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析，通過數(shù)據(jù)對比和實例驗證判明了故障真實原因。最后，根據(jù)故障技術(shù)特征提出關(guān)于CRH1型動車組變流器直流環(huán)節(jié)過電壓故障的預(yù)防措施，該預(yù)防措施可有效控制過電壓故障的發(fā)生。

[1]龐巴迪.MITRAC CC MAVIS 3.3用戶手冊[Z]. 2010.

[2]龐巴迪.CRH1型動車組電氣原理圖[Z]. 2010.

[3]龐巴迪.CRH1型動車組TCMS軟件圖[Z]. 2010.

責(zé)任編輯 楊利明

征稿啟事

本刊征集并擇優(yōu)刊登以下內(nèi)容稿件

（1）研究與應(yīng)用：鐵路、城市軌道交通領(lǐng)域、交通運輸中反映信息化建設(shè)的研究課題，科研成果，推廣與應(yīng)用，學(xué)術(shù)發(fā)展述評以及專項課題綜述。內(nèi)容包括：計算機在鐵路運輸及經(jīng)濟、機車車輛、通信信號、電氣工程、鐵路工務(wù)工程、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)營管理、城市軌道交通、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用；（2）技術(shù)方法：以刊登廣大基層科技人員在實際工作中的技術(shù)改革，技術(shù)創(chuàng)新，經(jīng)驗介紹，應(yīng)用技巧等方面的文章，本欄目的文章可不提供英文摘要；（3）信息化領(lǐng)域中的市場信息、新技術(shù)、新產(chǎn)品、新理論、國內(nèi)外技術(shù)動態(tài)等。

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tljsj@rails.cn

本刊編輯部

Analysis and prevention of overvoltage failure on middle direct current section of CRH1 EMU converter

ZHENG Min, XUE Wenmin, CHENG Jie

( Fuzhou EMU Maintenance Base, Nanchang Railway Administration, Fuzhou 350018, China )

With respect to the frequent converter module failures after CRH1 high-speed trains allocated in Fuzhou EMU (Electrical Multiple Unit) maintenance depot, corresponding failure analysis and strategy study were performed. Based on the control principle of middle direct current (DC) section, combined with the running and failure data of EMU as the problem occurred, real failure cause was distinguished through data comparison and instance validation, failure treatment and preventive measure were also proposed.

EMU; converter; failure analysis; overvoltage

U231∶TP39

A

1005-8451（2014）01-0030-03

2013-04-17

鄭 敏，高級工程師；薛文敏，助理工程師。