CR400AF型動(dòng)車(chē)組牽引變流器接地故障分析與處理

周新力

（中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司 廣州動(dòng)車(chē)段，廣州 511483）

牽引系統(tǒng)作為動(dòng)車(chē)組關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)動(dòng)車(chē)組的安全運(yùn)營(yíng)起著至關(guān)重要作用。牽引變流器作為牽引系統(tǒng)核心部件，發(fā)生接地故障會(huì)造成牽引丟失現(xiàn)象，嚴(yán)重影響動(dòng)車(chē)組線上運(yùn)行秩序。因此，分析牽引變流器接地故障發(fā)生原因，歸納總結(jié)牽引變流器接地故障的排查方法，將有利于提高動(dòng)車(chē)段故障處理能力和運(yùn)用檢修水平。

1 CR400AF型動(dòng)車(chē)組牽引變流器簡(jiǎn)介

CR400AF型動(dòng)車(chē)組牽引變流器是動(dòng)車(chē)組將高壓交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榭煽貏?dòng)力電源的一種變流裝置，在M02、MH04、MB05、M 07車(chē)各配備1臺(tái)。牽引變流器主要由2個(gè)四象限整流模塊4QS1和4QS2，2個(gè)牽引逆變模塊INV1和INV2，1個(gè)輔助逆變模塊FUINV、1臺(tái)輔助變壓器、中間直流回路、無(wú)火回送裝置、TCU控制單元等組成。變流器采用主輔一體化設(shè)計(jì)，同時(shí)集成冷卻系統(tǒng)于一體，具有結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度大、輕量化程度高、易維護(hù)等特點(diǎn)［1］。牽引變流器結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 CR400AF型動(dòng)車(chē)組牽引變流器結(jié)構(gòu)原理圖

2 牽引變流器接地故障分析

2.1 接地故障檢測(cè)機(jī)理

CR400AF型動(dòng)車(chē)組牽引變流器中間直流回路接有3個(gè)直流電壓傳感器VH1、VH2、VH3，其中VH1、VH2用于全中間電壓檢測(cè)，VH3用于半中間電壓檢測(cè)。接地電阻器R5、R6并聯(lián)到牽引變流器的中間直流電壓回路中，R5、R6的阻值相等，電阻器的中央抽頭接地，VH3采集分壓電阻R5上的電壓，在額定運(yùn)行期間，該電壓值為整體DC回路電壓的1/2，即半中間電壓，如圖2所示。

圖2 牽引變流器內(nèi)部接地檢測(cè)電路

當(dāng)牽引主回路發(fā)生接地時(shí)，半中間電壓會(huì)發(fā)生波動(dòng)，TCU檢測(cè)到半中間電壓超過(guò)全中間電壓的85%或者低于全中間電壓的15%時(shí)，持續(xù)超過(guò)200 ms后置位牽引變流器接地保護(hù)故障（代碼3105）。此時(shí)牽引變流器由工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為故障狀態(tài)，封鎖變流器所有脈沖，同時(shí)變流器內(nèi)部的CIFR動(dòng)作，導(dǎo)致相應(yīng)單元的VCB斷開(kāi)，全列牽引自動(dòng)丟失。

2.2 故障模式分析

根據(jù)CR400AF型動(dòng)車(chē)組牽引變流器接地故障檢測(cè)機(jī)理及其主電路分析可知，當(dāng)牽引變壓器二次側(cè)、變流器直流環(huán)節(jié)、變流器輔助逆變環(huán)節(jié)、變流器牽引逆變環(huán)節(jié)、牽引電機(jī)等任一位置發(fā)生接地時(shí)，均可能導(dǎo)致報(bào)出牽引變流器接地保護(hù)故障。結(jié)合CR400AF型動(dòng)車(chē)組在日常運(yùn)用檢修中遇到的變流器接地故障模式，總結(jié)得出其常見(jiàn)接地故障點(diǎn)如下：

（1）牽引變壓器輸出端插頭（Pfiserer端子）

每個(gè)牽引變壓器通過(guò)8個(gè)輸出端插頭（S1~S8）為所在牽引單元的2個(gè)牽引變流器提供電能。當(dāng)牽引變壓器輸出端插頭發(fā)生裂痕或出現(xiàn)內(nèi)部燒損時(shí)，會(huì)導(dǎo)致?tīng)恳兞髌髦虚g直流回路輸入端接地，動(dòng)車(chē)組報(bào)出牽引變流器接地保護(hù)故障。

（2）車(chē)間過(guò)橋線電纜及連接器

車(chē)間過(guò)橋線電纜位于TP03、MH04、MB05、TP06車(chē)的2車(chē)之間，用于TP03、TP06車(chē)2個(gè)高壓基本單元間的連接。若過(guò)橋線燒損或連接器內(nèi)部燒損，可能報(bào)出牽引變流器接地保護(hù)故障。

（3）IGBT模塊

牽引變流器4QS整流器（CPM1、CPM 2）、PWMI逆變器（IPM 1、IPM2）和輔助逆變器（APM）共包含5個(gè)IGBT模塊，如發(fā)生IGBT模塊擊穿、模塊母線排燒損等，可導(dǎo)致?tīng)恳兞髌髦虚g直流回路接地。

（4）牽引電機(jī)

牽引變流器通過(guò)整流、逆變后將驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)工作，當(dāng)發(fā)生牽引電機(jī)輸入連接線接地、電機(jī)電氣連接插頭進(jìn)水、相間阻值不平衡、定子繞組對(duì)地絕緣不良等故障時(shí)，將導(dǎo)致?tīng)恳兞髌鹘拥毓收习l(fā)生。

（5）接地檢測(cè)單元

牽引變流器內(nèi)部電壓傳感器VH1、VH2檢測(cè)中間直流回路全電壓，VH3通過(guò)分壓電阻R5、R6進(jìn)行中間直流回路半電壓檢測(cè)，并將檢測(cè)信號(hào)發(fā)送至TCU進(jìn)行處理，所以VH1、VH2、VH3電壓傳感器器件發(fā)生故障或TCU采集中間接地的板卡出現(xiàn)故障或分壓電阻R5、R6發(fā)生故障時(shí)，可能報(bào)出牽引變流器接地保護(hù)故障。

3 牽引變流器接地故障診斷分析

CR400AF型動(dòng)車(chē)組現(xiàn)車(chē)TCU軟件無(wú)法判斷出具體的接地故障點(diǎn)，當(dāng)牽引變壓器二次側(cè)、變流器直流環(huán)節(jié)、變流器輔助逆變環(huán)節(jié)、變流器牽引逆變環(huán)節(jié)、牽引電機(jī)等任一位置發(fā)生接地時(shí)均會(huì)導(dǎo)致TCU報(bào)出牽引變流器接地保護(hù)故障。故障報(bào)出后，主斷路器自動(dòng)斷開(kāi)，全列牽引丟失，因TCU不能鎖定接地故障點(diǎn)，其保護(hù)策略存在過(guò)保護(hù)，影響車(chē)輛運(yùn)用。針對(duì)此問(wèn)題，借鑒其他車(chē)型接地保護(hù)策略思路［2］，提出一種TCU故障診斷優(yōu)化方案，具體如下。

3.1 優(yōu)化方案

（1）牽引變流器直流環(huán)節(jié)接地（代碼31CE）

牽引系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)下，設(shè)置中間直流回路接地故障診斷邏輯。若出現(xiàn)了半電壓突變?yōu)?的現(xiàn)象，則TCU判斷出牽引系統(tǒng)存在中間直流回路正母排接地；若出現(xiàn)了半電壓突變?yōu)槿妷旱默F(xiàn)象，則TCU判斷出牽引系統(tǒng)存在中間直流回路負(fù)母排接地。變流器出現(xiàn)中間直流回路正母排或負(fù)母排接地，報(bào)出牽引變流器直流環(huán)節(jié)接地（代碼31CE），并封鎖變流器所有脈沖，斷開(kāi)變流器充電、短接接觸器，此車(chē)牽引丟失。

（2）輔助高壓側(cè)接地（代碼34FA）

牽引系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，設(shè)置輔助逆變器高壓側(cè)接地故障診斷邏輯。若出現(xiàn)了半電壓突變?cè)?和全電壓之間變化且變化頻率與輔變頻率相同的現(xiàn)象，則TCU判斷出牽引系統(tǒng)存在輔變輸出接地，報(bào)出輔助逆變器高壓側(cè)接地（代碼34FA），并封鎖輔助逆變器脈沖，斷開(kāi)此車(chē)輔變輸出接觸器，此車(chē)牽引正常工作。

（3）牽引電機(jī)接地（代碼34F9）

牽引系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，設(shè)置牽引逆變器輸出接地故障診斷邏輯。若出現(xiàn)了半電壓突變?cè)?和全電壓之間變化且半電壓頻率并非輔變頻率，TCU先判斷出存在接地故障，之后TCU停止某重牽引逆變器，半電壓恢復(fù)正常，因此判斷為此重牽引逆變器輸出側(cè)接地，報(bào)出牽引電機(jī)接地（代碼34F9），并封鎖該重牽引逆變器脈沖，該架牽引丟失。

（4）牽引變壓器二次側(cè)接地（代碼3105）

牽引系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，設(shè)置牽引變壓器二次側(cè)接地故障診斷邏輯。若出現(xiàn)了半電壓突變?cè)?和全電壓之間變化且半電壓頻率并非輔變頻率，TCU先判斷出存在接地故障，然后先后依此停止第一重、第二重牽引逆變器，此時(shí)仍然存在接地故障，因此判斷為牽引變壓器二次側(cè)接地故障，報(bào)出牽引變壓器二次側(cè)接地（代碼3105），并封鎖牽引變流器所有脈沖，斷開(kāi)變流器充電、短接接觸器和主斷路器，全列牽引丟失。

3.2 成效分析

（1）優(yōu)化前

CR400AF型動(dòng)車(chē)組牽引變壓器二次側(cè)、變流器直流環(huán)節(jié)、變流器輔助逆變環(huán)節(jié)、變流器牽引逆變環(huán)節(jié)、牽引電機(jī)等任一位置發(fā)生接地時(shí)，均報(bào)出牽引變流器接地保護(hù)故障（代碼3105），導(dǎo)致升弓單元主斷路器自動(dòng)斷開(kāi)，全列牽引自動(dòng)丟失。根據(jù)國(guó)鐵集團(tuán)發(fā)布的《CR400AF系列動(dòng)車(chē)組途中故障應(yīng)急處理指導(dǎo)手冊(cè)》（201901版）要求，故障發(fā)生后需切除故障單元受電弓、主斷路器和高壓隔離開(kāi)關(guān)，換弓運(yùn)行至前方站下車(chē)檢查，對(duì)行車(chē)秩序影響較大。同時(shí)，由于高壓隔離開(kāi)關(guān)被切除，全車(chē)空調(diào)功率將自動(dòng)減半，影響旅客舒適性。

（2）優(yōu)化后

優(yōu)化后只有牽引變壓器二次側(cè)接地會(huì)導(dǎo)致主斷路器斷開(kāi)，其他點(diǎn)接地僅封鎖故障變流器脈沖，僅造成單架或單車(chē)牽引丟失，不影響整車(chē)運(yùn)行。

現(xiàn)車(chē)已結(jié)合TCMS網(wǎng)絡(luò)軟件升級(jí)實(shí)現(xiàn)了該優(yōu)化方案，軟件升級(jí)后，大大減少了牽引變流器接地故障對(duì)線上運(yùn)行秩序的影響，同時(shí)可通過(guò)具體故障代碼來(lái)縮小故障排查范圍，提高了故障處置效率。

4 牽引變流器接地故障排查方法

由于牽引變流器接地故障點(diǎn)較多，在查找該類(lèi)故障時(shí)，可根據(jù)HMI屏報(bào)出的具體故障代碼結(jié)合TCU數(shù)據(jù)波形來(lái)確定故障發(fā)生基本范圍，再參照如下方法來(lái)排查具體接地故障點(diǎn)。

4.1 中間直流環(huán)節(jié)或內(nèi)部模塊有接地

（1）檢查2架牽引整流器、牽引逆變器、輔助逆變器及相關(guān)接觸器、電纜插頭，確認(rèn)各部件有無(wú)放電燒損痕跡或有無(wú)異味來(lái)進(jìn)行此類(lèi)故障的初步排查。

（2）拆解牽引變壓器2次繞組至牽引變流器輸入側(cè)1501~1504線，甩開(kāi)牽引變流器半中間直流電壓接地點(diǎn)，分別使用1 000 V兆歐表在牽引變流器輸入側(cè)和牽引變流器輸出側(cè)（511~516線處）測(cè)量變流器模塊絕緣值是否正常，以此來(lái)判定變流器內(nèi)部模塊是否故障。

4.2 變流器輸入側(cè)或輸出側(cè)有接地

牽引變流器一邊與牽引變壓器相連，另一邊與牽引電機(jī)相連，其接地故障的接地點(diǎn)有可能存在這2個(gè)設(shè)備當(dāng)中。

（1）牽引變壓器二次側(cè)檢查

在1501~1504線處，使用1 000 V兆歐表測(cè)量1501~1504線處至牽引變壓器繞組側(cè)絕緣是否正常，同時(shí)使用萬(wàn)用表測(cè)量同一繞組導(dǎo)通是否正常。

（2）牽引電機(jī)檢查

拆下?tīng)恳姍C(jī)插頭，檢查牽引電機(jī)插座有無(wú)電弧燒黑現(xiàn)象，檢查牽引電機(jī)插頭有無(wú)縮針、歪針現(xiàn)象以及電弧燒黑現(xiàn)象。

使用1 000 V兆歐表對(duì)4臺(tái)牽引電機(jī)對(duì)地絕緣阻值進(jìn)行測(cè)量，正常為無(wú)窮大。使用直流電阻測(cè)試儀測(cè)量牽引電機(jī)三相電阻阻值（UV相、UW相、VW相），正常阻值約為0.2Ω左右，三相電阻阻值差值不超過(guò)4%。

對(duì)1~4軸牽引電機(jī)進(jìn)行4 500 V交流耐壓測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)為漏電流<200 mA；使用14 000 V直流耐壓機(jī)分別對(duì)4臺(tái)牽引電機(jī)進(jìn)行耐壓測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)為漏電流<0.1 mA。

拆解牽引變流器逆變模塊輸出側(cè)511~516線，使用1 000 V兆歐表分別從511~516線處以及電機(jī)插座處測(cè)量各連接線對(duì)地絕緣阻值，正常為無(wú)窮大。

4.3 檢測(cè)回路故障

（1）TCU接地檢測(cè)板卡或電壓傳感器VH1、VH2、VH3故障。對(duì)于這種情況，實(shí)際應(yīng)用中直接更換該故障板卡和電壓傳感器。

（2）電阻器單元故障。使用萬(wàn)用表對(duì)電阻單元R5、R6的電阻值進(jìn)行測(cè)量，觀察其阻值是否都在正常范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

CR400AF型動(dòng)車(chē)組配屬?gòu)V州動(dòng)車(chē)段以來(lái)，發(fā)生多起牽引變流器接地故障，嚴(yán)重影響高鐵線路運(yùn)營(yíng)秩序。通過(guò)不斷總結(jié)故障排查處理經(jīng)驗(yàn)，得出牽引變流器接地故障的一般排查方法，并從故障診斷邏輯出發(fā)，優(yōu)化了牽引變流器接地故障檢測(cè)邏輯，有效提高了動(dòng)車(chē)段故障處理能力和運(yùn)用檢修水平。