某型動(dòng)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(jì)電機(jī)有限公司 檢測實(shí)驗(yàn)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(fù)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(jìn)行供電，在分相區(qū)內(nèi)則無供電。動(dòng)車組采用自動(dòng)過分相的方式，控制單元接收到過分相信號(hào)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(dòng)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(chǔ)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(dòng)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(dòng)車組在線路運(yùn)行時(shí)，第02，04，05車同時(shí)報(bào)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(yùn)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(dòng)車組正常運(yùn)行。通過車載故障數(shù)據(jù)分析，故障發(fā)生在動(dòng)車組過分相時(shí)刻，故障原因?yàn)檫^分相時(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)車組牽引系統(tǒng)拓?fù)浣Y(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(chǔ)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(shí)的瞬時(shí)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(dòng)機(jī)提供電壓、頻率可調(diào)的三相交流電源，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組的牽引、制動(dòng)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(fù)載[4-5]。

圖1 牽引系統(tǒng)拓?fù)鋱D

列車在牽引工況運(yùn)行時(shí)，牽引電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)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(jī)。列車在再生制動(dòng)工況運(yùn)行時(shí)，牽引電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，牽引逆變器工作在整流狀態(tài)，可將牽引電機(jī)制動(dòng)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(shí)中間電壓保持策略

動(dòng)車組在采用自動(dòng)過分相的方式，在過分相時(shí)，主斷路器斷開，失去網(wǎng)側(cè)對(duì)牽引系統(tǒng)的供電，四象限整流器停止工作，此時(shí)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(jí)發(fā)送的牽引或制動(dòng)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(dòng)反饋的能量保證輔助變流器及必要負(fù)載設(shè)備持續(xù)正常工作，進(jìn)入輔助供電模式[7-8]。

進(jìn)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?dòng)狀態(tài)，以保持中間直流電壓的平穩(wěn)。電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩Te=Te0+Te1，Te0為機(jī)車初始制動(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)速；根據(jù)P=UI可算出實(shí)時(shí)的輔助功率，Te1為機(jī)車轉(zhuǎn)矩調(diào)整值。過分相時(shí)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(shí)進(jìn)入輔助供電模式時(shí)，主要包括初始制動(dòng)和中間直流電壓閉環(huán)控制兩個(gè)過程。

（1）初始制動(dòng)過程。當(dāng)檢測到過分相開始信號(hào)后，在四象限還未停機(jī)之前，牽引逆變器進(jìn)入初始制動(dòng)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(hào)后，在四象限停機(jī)之后，牽引逆變器進(jìn)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(dòng)車組在運(yùn)行過程中，因第02、04和05車同時(shí)報(bào)中間直流母線過壓，牽引丟失，惰性運(yùn)行降速至110 km/h，經(jīng)機(jī)械師做牽引輔助復(fù)位后故障消除。故障時(shí)刻02車車載數(shù)據(jù)記錄見表1所列，故障時(shí)刻車速151 km/h。

表1中過分相預(yù)信號(hào)為1，主斷路器狀態(tài)為1，可以看出故障發(fā)生在動(dòng)車組接收到過分相預(yù)信號(hào)，主斷斷開之前，開始時(shí)四象限狀態(tài)為1代表四象限還在工作時(shí)，牽引逆變器處于根據(jù)輔助功率進(jìn)行初始制動(dòng)的過程，初始制動(dòng)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(jī)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(jí)保護(hù)閾值3 950 V，報(bào)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(dòng)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(dòng)車組齒輪箱傳動(dòng)比為2.517，取半磨耗輪徑值885 mm，可計(jì)算轉(zhuǎn)速（單位：r/min）和車速（單位：km/h）變換比為15.01。故障時(shí)刻車速為151.13 km/h，則電機(jī)轉(zhuǎn)速為：

如果單臺(tái)電機(jī)施加的牽引力值T為-200.45 N·m，一臺(tái)牽引變流器控制4臺(tái)電機(jī)，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(gè)點(diǎn)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(jì)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(shí)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(jì)算結(jié)果與軟件設(shè)置預(yù)期結(jié)果一致，但實(shí)際車上輔助負(fù)載偏小。從式（3）的計(jì)算結(jié)果看，當(dāng)時(shí)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(shí)牽引逆變器初始制動(dòng)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(jì)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(shí)將過分相時(shí)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(dòng)車組的車載故障數(shù)據(jù)，整理和統(tǒng)計(jì)出過分相時(shí)直流母線過壓故障次數(shù)，軟件優(yōu)化前后故障情況對(duì)比結(jié)果見表2所列。由表2可知，軟件優(yōu)化前過分相時(shí)各車均有直流母線過壓故障發(fā)生，一個(gè)月內(nèi)過分相時(shí)直流母線過壓故障總共發(fā)生10次，軟件優(yōu)化后運(yùn)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(shí)直流母線過壓故障情況對(duì)比

4 結(jié) 語

動(dòng)車組直流母線過壓故障發(fā)生在過分相時(shí)刻，牽引系統(tǒng)過分相時(shí)的初始制動(dòng)轉(zhuǎn)矩是按照輔助系統(tǒng)滿載工況[10]（200 kVA）考慮的，而實(shí)際運(yùn)行時(shí)，輔助系統(tǒng)并非滿載工作，軟件初始制動(dòng)轉(zhuǎn)矩設(shè)置偏大，導(dǎo)致動(dòng)車組過分相時(shí)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(dòng)轉(zhuǎn)矩和加載斜率，解決了動(dòng)車組過分相時(shí)直流母線過壓故障，提高了動(dòng)車組運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。