HXD3C型机车整流单元炸损的问题分析

来源:高速铁路与轨道交通
关键字:HXD3C型机车
发布时间:2014-08-11 09:41

　　摘要：由于IGBT元件集场效应管（MOSFET）和大功率晶体管（GTR）的优点于一体，因此，在变流领域中得到了广泛的应用。HXD3C型电力机车主变流器装置由整流器、逆变器、直流电路滤波电容、真空接触器等主电路部分和无接点控制单元等控制电路部分构成。其整流器单元使用了模块化IGBT元件，逆变器单元同整流器单元一样，使用了同型IGBT元件实现单元体的模块化设计。本文通过三起典型案例分析了引起机车主变流器元件炸损失效的相关原因，并制定相应的措施。

　　关键词：主变流器单元体；炸损；机车故障；改进措施

　　1.前言

　　主变流器装置的四象限整流和逆变，具有对牵引和制动实行连续控制，同时根据车辆的速度，通过矢量控制，精确快速地控制牵引电机的转矩和转速等优点。机车运行中如果出现IGBT模块炸损的事故，而且爆炸过程伤及其它临近设备，将造成整个系统的严重损坏、甚至造成列车停留在区间，严重影响运输秩序及行车安全。

　　现通过三起典型案例分析了引起机车主变流器元件炸损失效的相关原因，并制定相应的措施。

　　2.案例概况及故障现象

　　2.1案例一

　　2014年3月10日，HXD3C型0216机车，担当郑州至西平间旅客列车牵引任务，发生CI3整流单元U相、V相炸损导致故障。如下：

　　检查发现整流柜下部的电机母线端子排上发现有点状的电弧灼伤痕迹。

　　2.2案例二

　　2014年3月15日，HXD3C型0021机车担当张家界至怀化间旅客列车牵引任务，发生CI6逆变单元V相、W相炸损故障。

　　检查发现在主变流柜下方第6电机母线端子排62（V相）、63（W相）间有明显放电痕迹。

　　2.3案例三

　　2014年3月24日，HXD3C型0081机车，担当利川至恩施间旅客列车牵引任务，发生主变流器CI1、2的逆变INV单元的V相IGBT管炸损故障。

　　检查发现发现在1端主变流柜下方大端子排CI1的V相（12）、U相（13）和CI2的V相（22）、U相（23）间有明显的放电灼伤痕迹。

　　3.原因分析

　　综合上述3件CI单元体的炸损案例，我们对近几年以来发生故障进行了统计，从影响因素方面进行了分析。

　　3.1机车运行区段、运行状态的影响

　　根据机车的运器资料、结合TCMS故障显示屏上查询的数据，我们可以得出这样的一个共性的问题，在CI单元体炸损的事件中，过分相的前后是一个重要的时间节点，过分相时由于机车主断的频繁分断，有可能在主回路中引起瞬时的过电压、过电流对主回路各元件造成冲击，同时在过分相之后，由于操纵的需要，一般乘务员选择提手柄进级抢速，那么在一定情况下就有可能进一步加剧这种冲击，造成单元体元件的炸损。

　　3.2工作环境的影响

　　从上面三个案例中，我们发现有一个共同点，就是CI单元体炸损都同时会出现端子排铜排灼伤，放电的痕迹，而进一步检查发现，端子排上有大量的积尘。大量的浮灰降低了端子排之间的绝缘等级，加上进入春季，空气湿度增大，端子排之间放电产生瞬时的过电压，可以引起CI单元体炸损。

　　3.3CI单元体的质量的影响

　　IGBT可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合。CI部分的整流和逆变部分所采用的IGBT元件，其额定电压：4500V（集电极一发射极之间电压）；额定电流900A（集电极的有效电流值）；最大电流1800A；使用温度：-40℃-125℃；绝缘耐电压：6000V交流（1min）IGBT在工作时经常遇到各种工作状况，如过载、桥臂直通、过高的电流增长率、过高的电压增长率、散热不好等，这些都会影响IGBT的正常工作，导致IGBT性能下降，甚至烧损IGBT。在与HXD3机车相对比较的话，我们发现HXD3C的CI单元体明显要损坏的多一些，那么我们有理由怀疑是不是CI单元体本身存在瑕疵，经过两年多长时间使用，CI单元体模块中驱动装置，过压吸引装置以及保护装置老化，在遇到过流过压时，保护回路来不及反馈，都有可能引起单元体的炸损。

　　4.存在问题及采取措施

　　4.1存在问题

　　从上述故障原因分析来看，我们可以得出以下结论。

　　（1）CI单元体的炸损与机车运行区段无关，但是在过分相的前后由于主断的频繁分断，在主回路中形成瞬时过电压，对CI单元体元件造成一定的冲击，引起单元体炸损。

　　（2）相对于HXD3机车来讲，HXD3C型机车CI单元体产品本身存在一定的瑕疵，因为IGBT做为机车的主要部件，它的过流过压保护电路采用的是瞬态钳位保护和软件保护两种，但是当IGBT模块中门极驱动装置、RC过压吸收装置出现老化、性能下降，保护的速度不及过压冲击的速度时极易造成IGBT的炸损。

　　（3）由于主变流柜内卫生保洁状态不是很理想，在经历了一个冬季的运用，柜体内积累了大量的灰尘，在遇到春季空气湿度的增加，引起接线端子铜排间绝缘降低，端子排之间放电引起过电压冲击，炸损单元体。

　　4.2采取措施

　　针对存在的问题，结合机务段机车段修和整备作业，我们从以下几个方面进行增强和改进。

　　（1）定期性的对机车内部进行保洁保养，重点是电器屏柜的内部卫生。

　　（2）结合季节特点，对高温、潮湿、内部保洁等方面做出相对应的措施，排查小而广活件，加强迎检、标准范围的落实、TCMS故障履历查询、系统自检、机能试验、专项整治整修等，积极发挥区域调度员、技术员、车管员的主观能动性，确保机车质量可控、可查、可追溯、可跟踪。

　　（3）加强变流柜散热系统的检查，周期性的更换滤网，检查冷却水箱水位，确保机车主、辅变流柜散热通风正常。

　　（4）在自动过分相前后乘务员操纵进行规范。