SS9型電力機車整流裝置燒損原因探討與防止措施

譚斌

(武漢鐵路局 武昌南機務(wù)段 技術(shù)科，湖北武漢430064)

參考文獻(xiàn)

SS9型電力機車整流裝置燒損原因探討與防止措施

譚斌

(武漢鐵路局 武昌南機務(wù)段 技術(shù)科，湖北武漢430064)

SS9機車整流裝置燒損越來越多，通過對SS9機車整流裝置結(jié)構(gòu)及原理的分析，結(jié)合當(dāng)前隨著交流電力機車大量投入使用，使在鐵路線上運行的韶山型系列的直流電力機車出現(xiàn)以前從來未出現(xiàn)的故障，為了更好地解決該故障隱患，找出了燒損的原因，并提出了改進(jìn)方案，以供相關(guān)部門參考與交流。

電力機車;整流裝置;高次諧波;燒損;改進(jìn)

SS9型電力機車是株洲電力機車廠為第5次鐵路大提速設(shè)計的速度為170 km/h的客運直流電力機車，自2004年機車在武昌南機務(wù)段投入運用，該型機車運行情況良好，能很好地滿足用戶的運用及檢修需求，但隨著和諧交流電力機車大量投入運用，機車整流裝置出現(xiàn)大面積燒損現(xiàn)象，2013年3月某日SS9133第一整流柜燒損的情況:整流柜的2個晶閘管V11和2個二極管V8放電燒損，整流柜正面2個晶閘管V11和2個二極管V8面板上的脈沖變壓器及阻容裝置被燒損變形(見圖1)。

整流柜背面2個晶閘管V11和2個二極管V8的散熱器因?qū)耋w蓋板及本身之間放電燒損，將整流柜蓋板及晶閘管和二極管散熱片嚴(yán)重?zé)龘p，其后背板燒毀，絕緣骨架部分燒損(見圖2)。

SS9型機車整流裝置是電力機車最關(guān)鍵的高壓電氣設(shè)備，負(fù)責(zé)將接觸網(wǎng)間的高壓交流電變?yōu)闋恳妱訖C所需要的直流電，若整流裝置發(fā)生故障，機車6臺牽引電動機則無電流，機車只得停下等待救援。2013年武昌南機務(wù)段有8臺SS9電力機車整流裝置在運行中出現(xiàn)燒損，造成機車無法正常牽引列車，嚴(yán)重地干擾了鐵路正常運行。

圖2 燒損晶閘管

經(jīng)過對8臺燒損的機車整流裝置的檢查，整流裝置燒損的部位主要集中V5與V1之間、V6與V2之間、V10與V7之間、V11與V8之間，其中V5、V6、V10、V11為晶閘管，V1、V2、V7、V8為二極管，為什么故障總是發(fā)生在這些硅元件之間呢?下面先從SS9型機車整流裝置工作原理說明。

1 SS9型機車整流裝置原理

SS9型機車整流裝置由2臺整流柜組成。分為一端整流柜和二端整流柜。除一端整流柜多2個制動勵磁橋元件V19、V20外，其電路、結(jié)構(gòu)、組成基本一致，只是出線位置與線號不同。裝置選用銅散熱器配大功率元件，采用獨立通風(fēng)方式。其牽引主電路采用不等分3段半控橋，高速牽引時，采用晶閘管開關(guān)無級磁場削弱，提高機車速度。低速制動時，采用他勵加饋電阻制動，以提高低速時的制動力，它由大功率高壓整流二極管、晶閘管及其附件組成。

整流裝置的主電路接線原理圖見圖3。它由2個串聯(lián)橋組成單相半控橋式整流電路，向3臺并聯(lián)工作的牽引電動機供電。全車共有2套這樣的獨立整流系統(tǒng)。機車在起動過程中首先進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)開通串聯(lián)橋的第1個半控橋，輸出1/2Ud的直流電壓，這個半控橋由6個橋臂組成，其中V7、V8、V9、V12是不可控的整流管臂(又稱二極管臂)，V10、V11是可控的晶閘管臂，每個橋臂均由2個半導(dǎo)體元件并聯(lián)組成。在機車速度高于60 km/h運行過程中，V10、V11晶閘管滿開放，整流橋全電壓運行。整流橋的V9、V12兩個橋臂是因高速時，進(jìn)行晶閘管無級磁場削弱而增加的。進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)的串聯(lián)橋的第2個半控橋是由2組單相半控橋組成，其中的一組是V1、V2、V3、V4組成的半控橋，能輸出1/4Ud的直流電壓。

圖3 整流裝置主電路原理圖

V1、V2是不可控的整流管臂(又稱二極管臂)，V3、V4是可控的晶閘管臂，每個橋臂均由2個半導(dǎo)體元件并聯(lián)組成。V1、V2兩個橋臂在V10、V11晶閘管滿開放前，處于續(xù)流工況，流過整流裝置電流最大。另一組是V1、V2、V5、V6組成的半控橋也能輸出1/4Ud的直流電壓。V5、V6是可控的晶閘管臂，每個橋臂均由2個半導(dǎo)體元件并聯(lián)組成。在V1、V2、V3、V4組成的整流橋晶閘管滿開放后，再提高整流橋輸出電壓到990 V，需要開放V1、V2、V5、V6組成的半控橋，在原1/2Ud+1/4Ud的基礎(chǔ)上再加電壓。在調(diào)壓提速完成后，需再提高機車速度，就要進(jìn)入無級磁場削弱，開通磁場削弱晶閘管V13、V15、V17、V14、V16、V18，將機車的速度提高到要求的最高速度。制動工況，牽引時的串勵電機改他勵電機。串聯(lián)橋的第1個半控橋的V7、V8、V9與V19、V20組成的半控橋，為制動他勵電機的勵磁繞組提供電源。串聯(lián)橋的第2個半控橋的V1、V2與V3、V4、V5、V6組成半控橋串聯(lián)進(jìn)入他勵電機的電樞繞組，構(gòu)成續(xù)流電路或加饋電路。

2 SS9型機車整流裝置燒損分析

通過對燒損整流柜的二極管、晶閘管檢查，發(fā)現(xiàn)燒損不嚴(yán)重機車的整流柜晶閘管快速熔斷器的指示件并沒有跳出，用萬用表測量也沒有發(fā)現(xiàn)快熔燒斷現(xiàn)象，而燒損嚴(yán)重的機車晶閘管快速熔斷器內(nèi)部燒斷，指示件跳出，但無論晶閘管的熔斷器是否熔斷，其在二極管或晶閘管散熱片與散熱片之間、散熱片與柜體之間出現(xiàn)大面積放電并拉弧，而其二極管或晶閘管內(nèi)部卻并未擊穿或短路。

圖4 散熱片單側(cè)拉弧

而從大量燒損的二極管和晶閘管散熱片的現(xiàn)場來看，散熱片有單側(cè)拉弧和雙側(cè)拉弧兩種;所謂單側(cè)拉弧為同一排的晶閘管陽極對與它相鄰的二極管陽極進(jìn)行放電，即兩個并聯(lián)晶閘管中下面1個晶閘管與兩個并聯(lián)二極管上面1個二極管的陽極放電，它反映在同一晶閘管或二極管散熱片只有一側(cè)有放電，見圖4;而雙側(cè)拉弧為同一晶閘管或二極管陽極與陰極之間散熱片之間的拉弧，即同一晶閘管或二極管散熱片兩側(cè)都有放電，見圖5。

圖5 散熱片雙側(cè)拉弧

從燒損的二極管或晶閘管在整流柜結(jié)構(gòu)位置上來看，它們?nèi)考性赩10與V7之間、V11與V8之間、V5與V1之間、V6與V2之間。

從燒損晶閘管和二極管在機車整流柜開通的3段橋所起的作用來看:

V10為1段橋正波開通的晶閘管，V7為1段橋負(fù)波開通的續(xù)流二極管;

V11為1段橋負(fù)波開通的晶閘管，V8為1段橋正波開通的續(xù)流二極管;

V6為3段橋正波開通的晶閘管，V2為3段橋負(fù)波開通的續(xù)流二極管;

V5為3段橋負(fù)波開通的晶閘管，V1為3段橋負(fù)波開通的續(xù)流二極管。

從上述燒損的晶閘管和二極管可以得出SS9機車整流柜故障主要出現(xiàn)在1、3段橋，而2段橋一直未出現(xiàn)燒損故障，通過分析有下述3個原因:

(1)1、3段橋晶閘管二極管在整流柜上放置結(jié)構(gòu)不合理

從整流柜的結(jié)構(gòu)(見圖6)可以發(fā)現(xiàn)，1、3段橋的晶閘管和二極管跨接在主變壓器1/2的牽引繞組上，即主變壓器一半的電壓直接接在1、3段橋的晶閘管和二極管的兩端，但該晶閘管和二極管在整流柜的位置只是通過一個高度為50 mm長方形絕緣隔板隔開的，也就是它們散熱片之間的距離只有50 mm，散熱片后部與蓋板距離也只有13 mm，見圖6，而整流柜又是整體密封的，正常維修時，不能檢查清掃整流柜硅元件內(nèi)部散熱片，而整流柜工作時，內(nèi)部灰塵使其絕緣下降，加之絕緣距離短，極易造成變壓器繞組的交流輸入端通過1或3段橋的晶閘管通過下面的二極管陽極回到變壓器負(fù)端，從而發(fā)生整流輸出正端位置放電，即晶閘管和二極管的散熱片單側(cè)拉弧或雙側(cè)拉弧，從而使散熱片或柜體燒損。

下面從整流柜開通第1段大橋電路分析，具體說明晶閘管V10及二極管V7如何進(jìn)行單側(cè)散熱片的燒損:

當(dāng)變壓器次邊的牽引繞組a2為交流電正端時(見圖7)，第1段橋晶閘管V10開通，因V10晶閘管和第1段橋二極管V7之間的距離很近，它們在整流柜通過一個50 mm電木隔開的，若整流柜內(nèi)部不干凈或電木絕緣下降，極易造成整個變壓器繞組的1/2Ud電壓直接通過下面的二極管V7陽極回到變壓器負(fù)端x2(而不是正常時通過牽引電機回到變壓器負(fù)端x2)，從而發(fā)生整流柜輸出正端位置放電，即晶閘管V10和二極管V7的散熱片單側(cè)拉弧，從而使散熱片或柜體燒損。

圖6 整流柜結(jié)構(gòu)圖

圖7 變壓器次邊牽引電路示意圖

同理，1段橋的負(fù)波易極使晶閘管V11和二極管V8燒損;3段橋的正波易極使晶閘管V11和二極管V8燒損，3段橋的負(fù)波易極使晶閘管V11和二極管V8燒損。

為什么2段橋晶閘管V3或V4及其二極管V1或V2的確沒有發(fā)生過燒損，從整流柜結(jié)構(gòu)圖的位置可以看出，2段橋晶閘管V3(V4)與其二極管V1(V2)同一上下層面，所以不可能發(fā)生放電燒損。

(2)散熱片之間絕緣下降

二極管陰、陽極散熱片之間的4根絕緣套管因使用年限長或粘有灰塵使其絕緣下降。當(dāng)交流電經(jīng)晶閘管整流后，其電壓通過銅排直接加下面的二極管，因二極管陰、陽極散熱片之間的4根絕緣套管下降，從而發(fā)生二極管陰、陽極散熱片之間放電，即雙側(cè)拉弧，見圖8、圖9。

圖8 絕緣套管炭化示意圖

圖9 絕緣套管炭化后放電示意圖

(3)高次諧波

由于現(xiàn)在大量的和諧交流機車的運用，會產(chǎn)生大量高次諧波，當(dāng)SS9牽引運行時，高次諧波通過機車受電弓進(jìn)入主變壓器，會在其主變壓器牽引繞組產(chǎn)生能量巨大的高次諧波能量，因機車主變壓器的交流側(cè)吸收過電壓能力不足，則它會通過導(dǎo)通的晶閘管直接加在1、3段整流大橋的二極管、晶閘管兩端，輕則使整流元件的散熱器發(fā)生放電，整流元件的壽命大大降低，重則發(fā)生1段的二極管、晶閘管及對柜體之間，在大電流情況下將相互放電，造成整流柜燒損。

(4)整流裝置的通風(fēng)系統(tǒng)不良

SS9型機車整流裝置的通風(fēng)系統(tǒng)為獨立通風(fēng)，冷卻空氣從車外吸入經(jīng)側(cè)墻過濾裝置到車體夾層風(fēng)道，然后到整流裝置風(fēng)道進(jìn)入整流柜，對整流元件進(jìn)行冷卻，最后通過牽引通風(fēng)機及風(fēng)道進(jìn)入牽引電機由車底排出，若側(cè)墻的過濾裝置的過濾網(wǎng)破損或有的濾網(wǎng)為鋼絲時，會使雜物或鋼絲吸入整流柜柜體內(nèi)，在整流柜內(nèi)部積塵，從而造成整流柜絕緣下降或使晶閘管和二極管短路放電。

3 SS9型機車整流裝置改進(jìn)措施

針對上述整流柜燒損的分析，我們采取下列措施:

(1)在整流裝置的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)

①增大1、3段橋二極管與晶閘管之間的距離，即將它們之間的距離大于50 mm以上。

②改變1、3段橋晶閘管與二極管在整流裝置的排列位置，即將它們其中的二極管或晶閘管移到整流裝置其他的位置上，而不是現(xiàn)在上下排列的。

③將整流柜背后的蓋板由內(nèi)側(cè)移到外側(cè)，這樣可以從當(dāng)前的13 mm增加至18 mm，它的好處在于可增加二極管、晶閘管散熱片與柜體之間的距離，另外小輔修時，可方便打開此蓋板，檢查清掃整流柜內(nèi)部二極管、晶閘管散熱片，且中修時將此蓋板全部換新，確保絕緣板絕緣穩(wěn)定性能良好。

(2)改變主變壓器的牽引繞組側(cè)過電壓吸收電路的參數(shù)，即把機車的RC阻容吸收器的71C、72C、81C、82C電容值由1.7 kV、18 μF改為1.7 kV、6 μF，來避免阻容保護的電阻燒損。

(3)加強對主變壓器的牽引繞組側(cè)過電壓吸收的電阻73R、74R、83R、84R及電容71C、72C、81C、82C檢查，發(fā)現(xiàn)阻值不良及電阻燒損時，立即更換。

(4)加強對整流柜的通風(fēng)濾網(wǎng)的檢查，發(fā)現(xiàn)不良濾網(wǎng)及時更換，對有鋼絲的濾網(wǎng)全部換成棕網(wǎng)或海棉濾網(wǎng)，并定期清洗濾網(wǎng)。

(5)小輔修時，拆開整流柜V5與V1之間、V6與V2之間、V10與V7之間、V11與V8之間的長方形絕緣隔板及整流柜后部絕緣背板，清除后部灰塵，發(fā)現(xiàn)背板有放電痕跡，及時更換并處理。

(6)更換不良的整流元件時，必須進(jìn)行均流試驗，且均流系數(shù)應(yīng)達(dá)到0.9以上.

4 結(jié)束語

通過實施以上各項措施，SS9型機車整流裝置質(zhì)量大大提高，武昌機務(wù)段因SS9型機車整流裝置燒損故障明顯減少，這說明采取上述措施是可行的，由此確保了SS9型機車在牽引旅客列車的運行安全。

參考文獻(xiàn)

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［4］ 陳伯時，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)［M］.北京:機械工業(yè)出版社.

Cause Analysis and Prevention Measures of Rectifier Device Burning for SS9-type Electric Locomotives

TAN Bin
(Technology Department of Wuchang South Locomotive Depot，Wuhan Railway Bureau，Wuhan 430064 Hubei，China)

Rectifier device burning has occurred with increasing frequency in SS9-type locomotives.This paper analyzes the structure and principle of the rectifier device，finds out the burning cause，and puts forward the improvement measures，which can be a reference for related departments and communication.

electric locomotive;rectifier device;higher harmonic;burning;improvement

U264.3+71

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.01.22

1008－7842(2015)01－0097－04

)男，工程師(

2014－08－09)