某型動車組中間直流母線過壓故障分析

黃樹剛，黃衛(wèi)斌，劉 哲

（中車永濟電機有限公司 檢測實驗中心，陜西 西安 710018）

0 引 言

在單相交流供電的電氣化鐵路上，為使電力系統(tǒng)三相負荷盡可能平衡，接觸網(wǎng)通常采用分段換相供電，每隔20～30 km設(shè)置一段供電絕緣區(qū)域，即分相區(qū)。接觸網(wǎng)在分相區(qū)兩側(cè)由不同兩相進行供電，在分相區(qū)內(nèi)則無供電。動車組采用自動過分相的方式，控制單元接收到過分相信號后，封鎖四象限整流器脈沖。為保證旅客乘坐的舒適性，在過分相過程中，車上的照明、空調(diào)、冷卻裝置等輔助設(shè)備需要正常工作，動車組輔助系統(tǒng)需要持續(xù)工作，僅依靠變流器的中間支撐電容儲能難以維持輔助系統(tǒng)的持續(xù)工作，因此牽引逆變器需切換到制動模式，維持中間直流母線電壓，為輔助系統(tǒng)供電[1-3]。

某型動車組在線路運行時，第02，04，05車同時報中間直流母線過壓，牽引變流器切除，最后剩07車牽引變流器無法維持輔助系統(tǒng)運行，07車牽引變流器也被切除，導(dǎo)致全列牽引丟失，影響到動車組正常運行。通過車載故障數(shù)據(jù)分析，故障發(fā)生在動車組過分相時刻，故障原因為過分相時牽引逆變器產(chǎn)生的功率大于輔助變流器消耗的功率，造成中間直流母線過壓。本文通過變流器系統(tǒng)和過分相時中壓保持策略，結(jié)合車載故障數(shù)據(jù)分析研究，優(yōu)化過分相時的中壓保持策略以解決此類故障。

1 牽引系統(tǒng)和控制策略

1.1 牽引系統(tǒng)介紹

動車組牽引系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。受電弓從25 kV接觸網(wǎng)獲得電能，通過牽引變壓器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3 600 V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3 600 V左右并保證能量傳遞時的瞬時功率平衡。中間直流母線回路的3 600 V直流電一路經(jīng)過牽引逆變器的變換，向牽引電動機提供電壓、頻率可調(diào)的三相交流電源，實現(xiàn)動車組的牽引、制動等功能；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載[4-5]。

圖1 牽引系統(tǒng)拓撲圖

列車在牽引工況運行時，牽引電機工作在電動機狀態(tài)，牽引逆變器工作在逆變狀態(tài)，能量從中間直流環(huán)節(jié)流向牽引電機。列車在再生制動工況運行時，牽引電機工作在發(fā)電機狀態(tài)，牽引逆變器工作在整流狀態(tài)，可將牽引電機制動產(chǎn)生的能量回饋至中間直流母線，再經(jīng)四象限逆變回饋至電網(wǎng)[6]。

1.2 過分相時中間電壓保持策略

動車組在采用自動過分相的方式，在過分相時，主斷路器斷開，失去網(wǎng)側(cè)對牽引系統(tǒng)的供電，四象限整流器停止工作，此時為保證車載空調(diào)、照明、冷卻裝置等輔助設(shè)備的正常工作，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發(fā)送的牽引或制動指令，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，利用再生制動反饋的能量保證輔助變流器及必要負載設(shè)備持續(xù)正常工作，進入輔助供電模式[7-8]。

進入過分相輔助供電模式后，牽引系統(tǒng)從牽引狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹苿訝顟B(tài)，以保持中間直流電壓的平穩(wěn)。電機實際轉(zhuǎn)矩Te=Te0+Te1，Te0為機車初始制動轉(zhuǎn)矩，可根據(jù)Te0=P/n算出，P為初始輔助系統(tǒng)的功率，n為電機轉(zhuǎn)速；根據(jù)P=UI可算出實時的輔助功率，Te1為機車轉(zhuǎn)矩調(diào)整值。過分相時轉(zhuǎn)矩輸出控制邏輯如圖2所示[9]。

圖2 過分相轉(zhuǎn)矩輸出邏輯控制圖

過分相時進入輔助供電模式時，主要包括初始制動和中間直流電壓閉環(huán)控制兩個過程。

（1）初始制動過程。當(dāng)檢測到過分相開始信號后，在四象限還未停機之前，牽引逆變器進入初始制動狀態(tài)為輔助提供能量。

（2）中間直流電壓閉環(huán)控制。當(dāng)檢測到過分相開始信號后，在四象限停機之后，牽引逆變器進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)

動車組在運行過程中，因第02、04和05車同時報中間直流母線過壓，牽引丟失，惰性運行降速至110 km/h，經(jīng)機械師做牽引輔助復(fù)位后故障消除。故障時刻02車車載數(shù)據(jù)記錄見表1所列，故障時刻車速151 km/h。

表1中過分相預(yù)信號為1，主斷路器狀態(tài)為1，可以看出故障發(fā)生在動車組接收到過分相預(yù)信號，主斷斷開之前，開始時四象限狀態(tài)為1代表四象限還在工作時，牽引逆變器處于根據(jù)輔助功率進行初始制動的過程，初始制動階段中間電壓穩(wěn)定的維持在3 340 V左右。當(dāng)四象限狀態(tài)為0代表四象限停機后，中間直流母線電壓從3 507 V升高到4 000 V以上，超出中間直流母線一級保護閾值3 950 V，報出中間直流母線故障?？梢钥闯鲋虚g直流母線過壓故障發(fā)生在初始制動過程和中間直流電壓閉環(huán)控制切換的過程中。

表1 02車車載故障數(shù)據(jù)

2.2 故障數(shù)據(jù)分析

動車組齒輪箱傳動比為2.517，取半磨耗輪徑值885 mm，可計算轉(zhuǎn)速（單位：r/min）和車速（單位：km/h）變換比為15.01。故障時刻車速為151.13 km/h，則電機轉(zhuǎn)速為：

如果單臺電機施加的牽引力值T為-200.45 N·m，一臺牽引變流器控制4臺電機，則牽引逆變器提供的總功率（單位為kW）為：

鑒于車載故障數(shù)據(jù)的采樣速度和精度，取故障前5個點的數(shù)據(jù)平均值，直流母線電壓Udc為3 341.15 V，輔助輸入電流IAPS為24.10 A，則輔助系統(tǒng)消耗功率（單位：kW）為：

由式（2）和式（3）計算結(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）的計算結(jié)果與軟件設(shè)置預(yù)期結(jié)果一致，但實際車上輔助負載偏小。從式（3）的計算結(jié)果看，當(dāng)時的輔助功率為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牽引逆變器初始制動最小轉(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)和分析計算結(jié)果與02車類似，此處不再贅述。

3 解決措施及效果

3.1 故障處理措施

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改為-10 N·m，同時將過分相時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 故障處理效果

根據(jù)軟件優(yōu)化前后動車組的車載故障數(shù)據(jù)，整理和統(tǒng)計出過分相時直流母線過壓故障次數(shù)，軟件優(yōu)化前后故障情況對比結(jié)果見表2所列。由表2可知，軟件優(yōu)化前過分相時各車均有直流母線過壓故障發(fā)生，一個月內(nèi)過分相時直流母線過壓故障總共發(fā)生10次，軟件優(yōu)化后運行一季度，再無此類故障發(fā)生，說明軟件優(yōu)化明顯，解決措施有效。

表2 軟件優(yōu)化前后過分相時直流母線過壓故障情況對比

4 結(jié) 語

動車組直流母線過壓故障發(fā)生在過分相時刻，牽引系統(tǒng)過分相時的初始制動轉(zhuǎn)矩是按照輔助系統(tǒng)滿載工況[10]（200 kVA）考慮的，而實際運行時，輔助系統(tǒng)并非滿載工作，軟件初始制動轉(zhuǎn)矩設(shè)置偏大，導(dǎo)致動車組過分相時牽引逆變器發(fā)揮的功率大于輔助系統(tǒng)消耗的功率，造成中間直流母線過壓故障，通過調(diào)整軟件初始制動轉(zhuǎn)矩和加載斜率，解決了動車組過分相時直流母線過壓故障，提高了動車組運行的可靠性和穩(wěn)定性。