特殊區(qū)段對HXD1C型電力機(jī)車運(yùn)用的影響

張 勇, 齊建剛

(1 烏魯木齊鐵路局 哈密機(jī)務(wù)段, 新疆哈密 839001;2 烏魯木齊鐵路局 烏魯木齊機(jī)務(wù)段, 新疆烏魯木齊 830023)

?

特殊區(qū)段對HXD1C型電力機(jī)車運(yùn)用的影響

張 勇1, 齊建剛2

(1 烏魯木齊鐵路局 哈密機(jī)務(wù)段, 新疆哈密 839001;2 烏魯木齊鐵路局 烏魯木齊機(jī)務(wù)段, 新疆烏魯木齊 830023)

蘭新鐵路哈密至柳園區(qū)段線路的特點(diǎn)為風(fēng)沙大、溫度高、海拔高，HXD1C型機(jī)車在該區(qū)間長時間運(yùn)行時，易造成牽引變流器及牽引電機(jī)溫升較高，導(dǎo)致牽引變流器及牽引電機(jī)的故障。通過對機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，提出了改善建議。

特殊區(qū)段; 高溫; 高海拔; 牽引變流器; 牽引電機(jī)

蘭新鐵路東起甘肅省蘭州市西至新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市，是新疆通往國內(nèi)地的唯一鐵路運(yùn)輸干線，是構(gòu)成中國西北地區(qū)鐵路網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。蘭新線全長1 950 km，最大坡道13‰，烏魯木齊鐵路局區(qū)間最大坡道11.5‰，單臺HXD1C型機(jī)車牽引定噸為4 500 t。

其中哈密到柳園區(qū)間全長300 km左右，煙墩至小泉東持續(xù)6‰上坡道近200 km，超過1 400 m海拔的約100 km左右，該區(qū)間主要站點(diǎn)海拔為：哈密(海拔743 m)、煙墩(海拔695 m)、紅柳河(海拔1 570 m)、照東(海拔1 649 m)、大泉(海拔1 770 m)、柳園(海拔1 806 m)。

蘭新線牽引區(qū)段內(nèi)有百里風(fēng)區(qū)、安西風(fēng)庫等多個風(fēng)沙地段，途經(jīng)火州之稱的吐魯番，夏季最高環(huán)境溫度可能達(dá)到50℃。

因此哈密至柳園區(qū)段線路的特點(diǎn)為風(fēng)沙大、溫度高、海拔高。

2013年4月烏魯木齊鐵路局投入使用大量HXD1C型機(jī)車，通過一年多的使用，牽引變流器元件故障、牽引電機(jī)溫升持續(xù)偏高等故障明顯增加，其中發(fā)生故障較多的區(qū)段為哈密到柳園。

按照HXD1C型機(jī)車安全保護(hù)的要求，機(jī)車牽引電機(jī)溫度達(dá)到220℃時降功率、達(dá)到230℃時牽引封鎖；牽引變流器水溫達(dá)到55℃時降功率、達(dá)到60℃時牽引封鎖。在之前的運(yùn)用中，電機(jī)溫度最高已達(dá)216℃，以及接近降功率的門檻值。按照添乘記錄的情況，機(jī)車?yán)鋮s水相比環(huán)境溫度高出約10℃，夏季環(huán)溫最高45～50℃，冷卻水溫將可能達(dá)到55～60℃，機(jī)車將降低功率使用或牽引封鎖，造成機(jī)破，嚴(yán)重影響了列車的行車安全。

1 HXD1C型機(jī)車使用環(huán)境條件

機(jī)車在下列條件下，應(yīng)能按機(jī)車額定功率正常工作。

(1)海拔高度：不超過2 500 m

(2)環(huán)境溫度(遮蔭處)：-25℃～+40℃

機(jī)車基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)按照-40℃運(yùn)用環(huán)境設(shè)計(jì)，并預(yù)留加強(qiáng)防寒設(shè)備安裝接口和布線空間。機(jī)車能夠在-40 ℃環(huán)境下存放，加強(qiáng)防寒后能夠在-25℃～-40℃環(huán)境下正常運(yùn)用。

(3)月平均最大相對濕度(該月月平均最低溫度不低于25℃)：95 %

(4)環(huán)境條件：能承受風(fēng)、雨、雪、鹽霧、煤塵和偶有沙塵暴 。

2 特殊區(qū)段對牽引變流器的影響及分析

2.1 特殊區(qū)段對牽引變流器的影響

2013年5月至6月期間，技術(shù)人員在該區(qū)段添乘各噸位的機(jī)車，觀察到機(jī)車在通過哈密至柳園的長達(dá)坡道時，環(huán)境溫度約35℃左右，牽引變流器冷卻水溫度達(dá)到40℃～45℃，牽引變流器柜內(nèi)空氣溫度在50℃左右，并且測試了相關(guān)參數(shù)，見表1。

2.2 分析

文獻(xiàn)[1]指出，當(dāng)機(jī)車運(yùn)行在高電壓、大電流負(fù)載下，反向電流產(chǎn)生的損耗在半導(dǎo)體器件總損耗中所占比重大大增加，從而會導(dǎo)致p-n結(jié)的溫度急劇升高，降低了其關(guān)斷性能，增加了半導(dǎo)體器件的故障。

考慮到IGBT廠家提供的不同工況下功率循環(huán)對于IGBT壽命的影響，不論是短脈沖(對應(yīng)IGBT瞬間大電流)結(jié)溫溫升還是長時間IGBT殼的溫升(對應(yīng)長時間大電流導(dǎo)致的溫升)，對IGBT功率循環(huán)次數(shù)(即壽命)都有直接的影響，特別是大的結(jié)溫溫升或是大的殼溫升，對壽命的影響是越大則變得越明顯，呈指數(shù)式衰減，如結(jié)溫溫升為30 K時IGBT元件的循環(huán)次數(shù)為107次，則結(jié)溫溫升上升到40 K時IGBT的循環(huán)次數(shù)已經(jīng)降至3×106次，具體見圖1及圖2。

表1 各噸位機(jī)車測試數(shù)據(jù)

注：四象限輸入電流為兩個IGBT并聯(lián)使用的電流。

圖1 IGBT結(jié)溫升對壽命的影響

圖2 IGBT殼溫升對壽命的影響

從測試的數(shù)據(jù)可知，HXD1C型機(jī)車單機(jī)牽引4 757 t在70 km/h速度等級運(yùn)行時，牽引電機(jī)最高溫度為194℃，逆變器輸出電流為640 A，高于設(shè)計(jì)持續(xù)電流值598 A，逆變器實(shí)際輸出電流偏大，導(dǎo)致IGBT溫升加劇。

通過仿真，參考實(shí)際運(yùn)用環(huán)境，柜內(nèi)環(huán)境溫度設(shè)定為50℃、牽引變流器模塊電流設(shè)定為620 A，其IGBT的結(jié)溫在100 ℃左右，結(jié)溫溫升在50 K左右(具體見表2)，其IGBT的循環(huán)壽命將降至3×105次。隨著夏季高溫的到來，IGBT的結(jié)溫溫升還會進(jìn)一步上升，其IGBT的失效率也會進(jìn)一步增加。

考慮到隨著海拔的升高，空氣壓力和空氣密度降低，引起空氣介質(zhì)冷卻效應(yīng)的減低，對于以自然對流、強(qiáng)迫通風(fēng)及空氣散熱為主要散熱方式的電氣設(shè)備，由于散熱能力的下降，溫升將升高。而HXD1C型機(jī)車運(yùn)行的哈密到柳園區(qū)間中，有超過1 400 m海拔的持續(xù)6‰上坡道約100 km，不管是通過水散熱還是直接空氣散熱，在此區(qū)段運(yùn)用將加速IGBT溫度的上升。

表2 IGBT殼溫溫度仿真結(jié)果

表3 HXD1C 0749機(jī)車電機(jī)溫度數(shù)據(jù) ℃

綜上所述，HXD1C型機(jī)車在哈密到柳園區(qū)間運(yùn)行過程中，隨著夏季溫度的上升，在機(jī)車長時間持續(xù)滿功率運(yùn)行工況下，致使變流器元件電流偏大，IGBT短時芯片局部熱損耗加大，半導(dǎo)體器件的故障率也隨之升高。因此，牽引變流器模塊故障確定為IGBT模塊在大電流下關(guān)斷失效造成，判斷為IGBT熱疲勞損傷造成元件故障。HXD1C型機(jī)車在該特殊區(qū)段長期運(yùn)行時，變流器元件電流偏大，IGBT短時芯片局部熱損耗加大造成元件故障。

3 特殊區(qū)段對牽引電機(jī)的影響及分析

3.1 對牽引電機(jī)的影響

根據(jù)2013年5月至6月期間技術(shù)人員添乘記錄，機(jī)車在哈密到柳園區(qū)間牽引4 757 t和4 926 t運(yùn)行時，當(dāng)夏季高溫來臨之際，機(jī)車長時間持續(xù)滿功率運(yùn)行，而隨著運(yùn)行過程中海拔的升高，機(jī)車散熱效率隨之下降，致使?fàn)恳姍C(jī)溫度升至近200 ℃，接近牽引電機(jī)保護(hù)點(diǎn)(牽引電機(jī)溫度設(shè)定為220 ℃降功率，230 ℃封鎖牽引)。

HXD1C型0749號機(jī)車記錄的主要溫度中牽引電機(jī)1的溫度已經(jīng)達(dá)到216 ℃，具體見表3。

牽引電機(jī)內(nèi)部溫度的升高，致使氣體分子運(yùn)動加劇，氣隙的起始放電電壓降低，局部放電活動劇烈；隨著溫度的升高，平均放電量基本呈線性增長。因此，牽引電機(jī)長時間工作在高溫情況下對于牽引電機(jī)內(nèi)部的絕緣會產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響，直接影響其使用壽命。

3.2 分析

隨著進(jìn)入夏季溫度的上升，環(huán)境溫度接近+40℃，且持續(xù)6‰上坡道，海拔不斷上升，機(jī)車長時間持續(xù)滿功率運(yùn)行，導(dǎo)致牽引電機(jī)和牽引變流器長期耐受高溫運(yùn)用，牽引電機(jī)和牽引變流器的故障率也隨之升高。HXD1C型機(jī)車在哈密到柳園區(qū)間繼續(xù)原有運(yùn)行模式必將出現(xiàn)牽引電機(jī)超溫保護(hù)和牽引變流器模塊故障，致使降功率或牽引封鎖而造成大批量機(jī)車機(jī)破或坡停。因此，HXD1C型機(jī)車在該區(qū)段單機(jī)牽引時適當(dāng)降低功率。

4 牽引計(jì)算分析

由于蘭新線中煙墩至小泉東區(qū)段持續(xù)6‰上坡道近200 km，按照列車牽引計(jì)算規(guī)程(TB/T 1407-1998)，牽引質(zhì)量按限制坡道上長期運(yùn)行速度應(yīng)大于機(jī)車持續(xù)速度點(diǎn)(65 km/h)進(jìn)行計(jì)算，因此，機(jī)車牽引噸位為：

文獻(xiàn)[2]指出，當(dāng)輪軌接觸從干態(tài)轉(zhuǎn)入水介質(zhì)工況運(yùn)行時輪軌的黏著系數(shù)會急劇下降，起動黏著系數(shù)從0.387降低至 0.319～0.255之間，機(jī)車能發(fā)揮的最大牽引力在約469～375 kN之間變化。因此，在雨天撒沙完全按照最優(yōu)的情況下，且不考慮曲線附加阻力，計(jì)算出牽引噸位在3 800～4 800 t。

輪軌間的可用黏著是客觀存在的，是由輪軌接觸的物理狀態(tài)所決定的，不能人為改變，機(jī)車黏著利用軟件只能盡可能的接近可利用的黏著，并且可用黏著還與其他因素有一定的關(guān)系，如曲線因素、機(jī)車速度、撒沙量等，牽引定數(shù)需留有一定的裕量。綜合以上所述，我們認(rèn)為，最好按照雨天等輪軌黏著條件不佳時的情況來定義機(jī)車的牽引噸位，機(jī)車的牽引力應(yīng)留有裕量，機(jī)車長期運(yùn)行速度應(yīng)在機(jī)車持續(xù)速度范圍內(nèi)，蘭新線HXD1C型機(jī)車單機(jī)牽引噸位低于4 500 t。

5 結(jié)束語

由于蘭新線哈密至柳園區(qū)段持續(xù)長大坡道、高海拔條件下，加之夏季溫度較高，機(jī)車各部件工作環(huán)境惡劣，外部環(huán)境最高氣溫可達(dá)50 ℃以上，機(jī)車長時間運(yùn)行在大電流的工況下，易造成溫升較高，導(dǎo)致牽引變流器及牽引電機(jī)的故障。

通過對哈密至柳園區(qū)段運(yùn)行的HXD1C型機(jī)車牽引變流器及牽引電機(jī)的故障數(shù)據(jù)的分析，提出如下改善建議：

HXD1C型機(jī)車夏季在哈密至柳園區(qū)段單機(jī)牽引時：

(1)HXD1C型機(jī)車單機(jī)最大牽引噸位不超過4 500 t，定速65 km/h。以避免高溫、高海拔環(huán)境條件下長時間持續(xù)滿功率運(yùn)用造成牽引電機(jī)和牽引變流器故障以減少機(jī)車在該區(qū)間的故障；

(2)HXD1C型機(jī)車單機(jī)牽引時適當(dāng)降低功率。

[1] В.И.БЕРВИНОВ等. 電感對電力機(jī)車主變流器可靠性的影響[J].變流技術(shù)與電力牽引.2014,(5):29-30.

[2] 申 鵬，王文健，張鴻裴，等. 撒沙對輪軌黏著特性的影響[J].機(jī)械工程學(xué)報.2010, 46(16):74-78.

Influence of Special Section on HXD1C Type Locomotive Operation

ZHANGYong1,QIJiangang2

(1 Hami Locomotive Depot, Urumqi railway bureau, Hami 839001 Xinjiang, China; 2 Urumqi Locomotive Depot, Urumqi railway bureau, Urumqi 830023 Xinjiang, China)

The characteristics of Hami-Liuyuan section of Lan-xin railway is sandy, high temperature and high altitude. For HXD1C type locomotive, long time running on this special railway section will result in high temperature rising of traction converter and traction motor. This will cause traction converter and traction motor failure. This paper analyzes the locomotive running data and puts forward some improved suggestions.

special railway section; high temperature; high altitude; traction converter; traction motor

1008-7842 (2015) 03-0083-04

男，工程師(

2014-12-22)

U266.2

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.21