HXN5型機車通風散熱對IGBT故障的影響分析

張鐵志

(中國鐵路哈爾濱局集團有限公司 黑龍江 哈爾濱 150050)

0 引言

HXN5型機車是干線貨運用大功率交流電傳動內燃機車，由中車戚墅堰機車有限公司(以下簡稱“戚墅堰公司”)及美國通用電氣合作研制，通用電氣通過技術轉讓的方式轉讓其技術，由戚墅堰公司制造。該型機車裝用GEVO-16型柴油機，采用軸控式交流傳動技術，交流發(fā)電機輸出的電能，經(jīng)主整流模塊整流變?yōu)橹绷麟?，再?jīng)過變流器轉換成可變頻率的交流電，提供給交流牽引電動機，驅動機車運行。絕緣柵雙極型晶體管(以下簡稱“IGBT”)是控制系統(tǒng)中變流器的核心部件，具有開關頻率高、導通功耗小、控制方便的特點，能夠滿足高電壓、大功率的場合需要，也是引進技術的核心部件之一。

HXN5型機車自2008年在哈爾濱局集團公司投入運用，最多時配屬320臺。目前基本都經(jīng)過了第一次C6修，新造后累計走行200萬km以上。在十余年的運用過程中，機車變流器的IGBT故障率偏高。統(tǒng)計哈爾濱局集團公司各段從2011年至2020年10年間IGBT的故障數(shù)據(jù)如表1所示。

通過表1的數(shù)據(jù)分析可以看出，HXN5型機車IGBT故障有一定的規(guī)律性，即從新造大量投入運用的2011年，后到批量開始C6修的2018年，故障件數(shù)明顯呈逐步增加趨勢；經(jīng)過C6修后，以及在通風冷卻系統(tǒng)采取了一系列措施，從2019年、2020年開始有明顯回落，而經(jīng)過與專業(yè)維修廠家核實，機車C6修時IGBT并未進行更新，只進行了檢測并用超聲波清洗機對散熱片進行了徹底清洗。

表1 HXN5型機車IGBT故障統(tǒng)計表

1 HXN5型機車IGBT通風冷卻系統(tǒng)原理

分析IGBT冷卻空氣系統(tǒng)原理(見圖1)，外界空氣經(jīng)車體V型濾網(wǎng)過濾樹葉等較大雜物，進入塑料慣性濾清器過濾灰塵等雜質后，經(jīng)過主、輔發(fā)電機通風機葉輪壓縮送風，然后分成兩路：一路穿過風道進入逆變器散熱片風道，冷卻逆變器(IGBT),然后經(jīng)過風道進入交流發(fā)電機，對交流發(fā)電機冷卻后，進入柴油機室，給柴油機室加壓，防止外界灰塵進入；另一路從通風機葉輪出來，經(jīng)過輔助室空氣濾清器過濾，然后分別進入輔助室和控制區(qū)1(CA1)，給電子設備冷卻，冷卻后的空氣給輔助室和控制區(qū)加壓，防止灰塵進入。

從原理圖可以看出，從主、輔發(fā)電機通風機送出的壓縮空氣，一路經(jīng)過空氣濾清器過濾后，輸送到輔助室和控制區(qū)，用于冷卻電子部件；另一路直接輸送到逆變器組用于冷卻IGBT和交流發(fā)電機。

圖1 IGBT冷卻空氣系統(tǒng)原理圖

2 故障原因分析

(1)從結構原理分析

從HXN5型機車變流器通風散熱系統(tǒng)結構看，用于冷卻輔助室電子部件的空氣經(jīng)過二次過濾，空氣中的灰塵被過濾掉，空氣清潔度較高，能夠滿足其他電子部件冷卻散熱需要；而用于冷卻IGBT和交流發(fā)電機的空氣，只通過了V型濾網(wǎng)和塑料慣性濾清器的初級濾清(見圖2)，只把空氣中的較大雜物和砂塵顆粒過濾掉了，而對于粉塵等細小雜質顆粒則無能為力。導致含有一定數(shù)量粉塵顆粒的空氣進入IGBT散熱片風道后，受風道散熱片的阻擋影響，風速下降，部分細小粉塵顆粒產(chǎn)生聚積，附在了散熱片表面。不僅影響IGBT散熱，也會影響風道的風流量，導致IGBT散熱不良。這種情況受機車運用條件影響較大，如果機車經(jīng)常工作在礦山、煤礦或氣候干旱等沙塵大的地區(qū)，尤其明顯。

圖2 V型濾網(wǎng)和塑料慣性濾清器

(2)從日常檢修情況分析

在機車日常檢修以及IGBT發(fā)生故障更換過程中，通過對IGBT散熱片的風道檢查，發(fā)現(xiàn)普遍存在積灰較多的情況，例如：2018年10月15日，HXN5型206機車4B相IGBT故障后換下，檢查發(fā)現(xiàn)散熱片積灰嚴重(見圖3)；在日常吊修交流發(fā)電機過程中，也發(fā)現(xiàn)發(fā)電機內部和柴油機輸出端積灰較多，例如：2020年3月15日，HXN5型044機車因交流發(fā)電機絕緣降低進行了調換處理。拆下交流發(fā)電機后，發(fā)現(xiàn)柴油機輸出端積有大量灰塵(見圖4)，而冷卻交流發(fā)電機的空氣是經(jīng)過IGBT的散熱片過來的，因此，說明流經(jīng)IGBT散熱片的壓縮空氣中也含有較多沙塵，IGBT散熱片積灰同樣比較嚴重。

圖3 IGBT散熱片積灰圖4 柴油機輸出端積灰情況

(3)從交流發(fā)電機風壓測量分析

把測量交流發(fā)電機風道處冷卻散熱系統(tǒng)的風壓值作為輔助判斷IGBT散熱片臟污程度的參照標準。由于IGBT與交流發(fā)電機的冷卻散熱空氣在同一個風路上，而且IGBT在冷卻空氣流向的前端，如果IGBT散熱片積塵多，造成散熱風道的截面積減小，風路流通不暢，勢必導致到達位于風路下游的交流發(fā)電機處的冷卻空氣風壓和風量減少。因此，通過在交流發(fā)電機的風道處測量風壓變化，能夠判斷IGBT散熱片的臟污程度。例如：HXN5型197機車2016年1月11日C5修時，測量交流發(fā)電機處風壓為1 600 Pa，2018年3月23日2C4修時,測量風壓為1 300 Pa，2019年10月31日C3修時,測量風壓為100 Pa，2020年6月20日5C+相位IGBT發(fā)生飽和故障，此時在交流發(fā)電機處測量風壓為900 Pa，拆解IGBT檢查，發(fā)現(xiàn)散熱片內部臟污嚴重，用硬質塑料條插入時阻擋明顯、灰塵硬結,如圖5所示。

圖5 HXN5型197機車IGBT散熱片積灰情況

為了進一步摸索IGBT故障與散熱條件變化之間的關系，從2018年開始，結合修程對HXN5型機車交流發(fā)電機處的風道風壓進行測量，2018年的測量統(tǒng)計結果如表2所示。

表2 2018年HXN5型機車修程風量測量和IGBT故障統(tǒng)計表

從表2的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，交流發(fā)電機處測得的風壓值與IGBT故障件數(shù)有明顯的規(guī)律變化，即隨著交流發(fā)電機處風壓下降，IGBT故障呈上升趨勢。在交流發(fā)電機處風壓大于1 200 Pa時，風壓變化對IGBT故障數(shù)量影響不明顯；當風壓在1 000 Pa～1 200 Pa時，故障率幾乎增加了1倍；當風壓小于1 000 Pa時，故障比例迅速提高，為風壓處于1 200 Pa以上時的8倍左右。由此可見，冷卻風道堵塞、散熱不良對IGBT的故障率有直接影響。

3 解決措施

(1)對冷卻IGBT空氣通路增加一級濾清。

從機車冷卻空氣系統(tǒng)原理圖能夠看出，冷卻IGBT的空氣只經(jīng)過了車體V型濾網(wǎng)和塑料慣性濾清器兩級粗濾，冷卻空氣中仍含有較多的灰塵。它在冷卻輔助室其他電器部件時經(jīng)過了后續(xù)筒式濾芯的空氣濾清器再次過濾，因此空氣的清潔度較好，能夠滿足需要。而在冷卻IGBT時未經(jīng)過再次濾清，造成空氣經(jīng)過IGBT散熱片時產(chǎn)生積塵，風道截面積變小、通風散熱能力下降。為了解決這一難題，首先需要對冷卻IGBT的空氣進行再次過濾，減少空氣中的粉塵量，從而防止灰塵在IGBT散熱片聚積堵塞通風道。

用3 mm厚的過濾棉，采用袋式濾清器的形式，從內向外套裝在機車輔助空氣系統(tǒng)的3個塑料慣性濾清器上。過濾棉濾芯安裝前后要對交流發(fā)電機處的風壓進行測量，要求安裝后風壓降低不大于100 Pa,否則說明濾芯過于細密，影響冷卻空氣流通，需要進行減薄處理。濾芯安裝后，應結合機車C2修時進行更換，防止長時間使用濾芯積灰多而影響空氣流通。

(2)將從交流發(fā)電機處測量通風系統(tǒng)內壓力納入修程。

結合機車C5/C6修出廠整修，以及C1-C4修，測量交流發(fā)電機處通風系統(tǒng)內壓力，監(jiān)測IGBT散熱片通風冷卻情況。C6修時不低于1 744 Pa，C5修時不低于1 500 Pa，C4修時不低于1 200 Pa,C1-C3修時不低于1 000 Pa,否則必須查明原因并徹底處理。在排除通風機故障、濾網(wǎng)堵塞和空氣外漏的情況下，應拆檢IGBT檢查清掃散熱片。

(3)檢查整修冷卻通風系統(tǒng)各密封件，減少壓縮空氣外漏。

①機車C6修時必須更新IGBT安裝膠墊，防止膠墊老化彈性下降失去密封作用，在日常測量發(fā)現(xiàn)交流發(fā)電機處風壓降低時，應抽檢膠墊狀態(tài)；②檢查機車輔助室(CA1-CA5)各門,確保沒有翹起變形、鎖閉良好，發(fā)現(xiàn)門變形，鎖閉后密封不良的應進行徹底處理；③檢查輔助室(CA1-CA5)各門，確保密封膠條完整齊全、無脫落缺失，防止密封不良空氣外漏影響系統(tǒng)壓力。

(4)跟蹤IGBT故障，動態(tài)探索通風量與故障的關系。發(fā)生IGBT故障后，及時復測交流發(fā)電機處通風道空氣壓力，更換IGBT時重點檢查后面散熱片及風道的清潔情況，發(fā)現(xiàn)風壓低或IGBT散熱片臟污的，必須查明原因，并徹底處理，防止同類問題重復發(fā)生。

4 措施實施效果

從2019年開始，在HXN5型機車質量故障攻關過程中，結合修程組織落實上述措施，不斷研究優(yōu)化加裝濾芯的過濾效果，將檢查要求、風壓測量方法和標準納入作業(yè)指導書，加強措施落實過程中的跟蹤指導，對C5修、C6修后機車復測風壓把關，督促高級修單位提高源頭質量。實施兩年來，配屬的HXN5型機車交流發(fā)電機風道壓力低于1 000 Pa的已經(jīng)全部消除，低于1 200 Pa的較2018年下降了50%，2019年以來IGBT故障件數(shù)較2017年下降50%左右，效果明顯，提高了和諧型內燃機車運用可靠性。□