曹 雯

（上海上電電力運(yùn)營有限公司，上海 200245）

磁懸浮列車在運(yùn)行中需要消耗大量無功，并且牽引裝置產(chǎn)生的高次諧波，會對電網(wǎng)產(chǎn)生一定影響。因此，需要在磁懸浮供電系統(tǒng)中安裝補(bǔ)償系統(tǒng)，以補(bǔ)償無功功率并消除高次諧波。由于補(bǔ)償變頻器中的關(guān)鍵部件絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）相模塊短路故障率非常高，影響了系統(tǒng)的整體無功補(bǔ)償效果。為了降低IGBT相模塊的故障率，曾對補(bǔ)償系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境做了改進(jìn)，如完善通風(fēng)過濾系統(tǒng)、通風(fēng)控制系統(tǒng)等，但仍未解決問題。對補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行重新計算，也沒有發(fā)現(xiàn)偏離規(guī)定值的情況。

經(jīng)過了幾年的分析和測試，從設(shè)備環(huán)境如通風(fēng)、溫度、濕度等外部條件，以及故障IGBT相模塊內(nèi)部情況等方面分析探究，并且在設(shè)備運(yùn)行當(dāng)中進(jìn)行各項參數(shù)的測試，最終發(fā)現(xiàn)是由于變頻器風(fēng)扇開斷自動控制的滯后性造成了溫度波動范圍增大，使得IGBT相模塊內(nèi)部的基板和對應(yīng)的底板間分層，從而導(dǎo)致短路故障。

1 磁懸浮列車補(bǔ)償系統(tǒng)

磁懸浮列車補(bǔ)償系統(tǒng)由濾波器和補(bǔ)償器組成。濾波器用來消除高次諧波和發(fā)出相對固定的容性無功，補(bǔ)償器則用來動態(tài)地補(bǔ)償磁懸浮供電系統(tǒng)中的無功功率。

1.1 濾波器

濾波器一次接線圖如圖1所示。

每組濾波器由電抗器和電容器的串聯(lián)電路組成，來實現(xiàn)濾波的目的。電抗器的阻抗一般用R+j XL來表示，其中電阻R比XL小得多；電容器一般用-j XC來表示。以一相的一個濾波電路為例來分析。

圖1 濾波器一次接線圖

電路總阻抗Z為：

式中：ω為角頻率；f為頻率。

當(dāng)XL=XC時，電路發(fā)生諧振。此時總阻抗Z=R為最小，電路的電流達(dá)到最大I=U／R。很明顯，在某個角頻率ω0（ω0稱為諧振角頻率）下，會達(dá)到XL=XC。諧振角頻率只由L和C參數(shù)決定。當(dāng)發(fā)生諧振時，電路的電抗為0，電流達(dá)到最大值I=U／R。在電壓為常數(shù)的情況下，電流完全取決于電阻的大小。實際電路中R很小，對于具有諧振頻率的電源來說，濾波器電路相當(dāng)于短路，具有諧振頻率的電流都流向濾波器電路，因此其他電路流過該諧振頻率的電流就很小，這就是濾波器的工作原理。

在磁懸浮列車運(yùn)行中投運(yùn)濾波器，經(jīng)供電部門測試，諧波量符合要求。

1.2 補(bǔ)償器

補(bǔ)償器一次接線圖如圖2所示。

圖2 補(bǔ)償器一次接線圖

補(bǔ)償器的主要器件是絕緣柵雙極型晶體管變頻器，每臺輸出功率為600kvar，是獨(dú)立的變頻系統(tǒng)。變頻器通過強(qiáng)制換向和控制開關(guān)脈沖的寬度，可將電容器直流電壓轉(zhuǎn)換到變頻器的交流側(cè)，使得交流側(cè)產(chǎn)生可以超前于電流，或遲后于電流的正弦波電壓。

磁懸浮列車補(bǔ)償系統(tǒng)中的補(bǔ)償器可以無級調(diào)節(jié)產(chǎn)生從-600kvar（容性）至600kvar（感性）的無功功率。一套補(bǔ)償器的10組變頻器就能產(chǎn)生從-6 000kvar（容性）至6 000kvar（感性）的無功功率。與一套濾波器配合起來就能產(chǎn)生從0～-12 000kvar的無功功率，可以滿足補(bǔ)償磁懸浮列車運(yùn)行中需要的無功功率。但最關(guān)鍵的是，補(bǔ)償器能根據(jù)系統(tǒng)的無功功率需要自動調(diào)節(jié)其無功的輸出進(jìn)行補(bǔ)償，這是動態(tài)無功補(bǔ)償，可以使系統(tǒng)的功率因數(shù)大于0.9。否則，如果全部采用靜態(tài)無功補(bǔ)償，就會在磁懸浮列車停止時造成過補(bǔ)償（容性無功功率過剩），同樣使系統(tǒng)的功率因數(shù)低于0.9。

當(dāng)補(bǔ)償器全部正常使用時，可使系統(tǒng)的功率因數(shù)大于0.9，實際抄錄磁懸浮列車運(yùn)行中的功率因數(shù)大多在0.95以上。當(dāng)補(bǔ)償器中的變頻器發(fā)生故障時，功率因數(shù)會明顯下降。通過抽樣測試統(tǒng)計，補(bǔ)償器中變頻器故障對系統(tǒng)功率因數(shù)影響如表1所示。

表1 變頻器故障對系統(tǒng)功率因數(shù)影響

在實際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，變頻器故障的發(fā)生還是相當(dāng)多的，特別是IGBT相模塊的短路故障率很高，使用壽命僅為2～3年。

2 IGBT相模塊短路故障分析

2.1 故障測試情況

為了解決變頻器IGBT相模塊短路故障率高的問題，提高補(bǔ)償系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，曾經(jīng)多次對故障原因進(jìn)行分析，并對補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行檢查和重新計算，結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)偏離相關(guān)規(guī)定值的情況。

對損壞的IGBT模塊進(jìn)行超聲脈沖回波信號檢查時發(fā)現(xiàn)，在基板和底板下徹底分層，在發(fā)射器主要端子和底板下方徹底分層。為了找到分層的原因，對補(bǔ)償系統(tǒng)的主要項目重新進(jìn)行了測量，如變頻器電流、直流環(huán)節(jié)電壓（Ud）、變頻器無功功率、變頻器電流正弦波、相連變頻器的同步性能、相模塊散熱片溫度等，結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)偏離理論值的情況，也沒有發(fā)現(xiàn)異常運(yùn)行狀態(tài)。

對補(bǔ)償系統(tǒng)其他項目的測量，如變頻器空氣入口處的空氣溫度、變頻器空氣入口處的空氣濕度、變頻器空氣出口處的空氣溫度、相模塊散熱片振動等，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)偏離相關(guān)理論值和規(guī)定值的情況。

通過在散熱片適當(dāng)位置鉆孔放置溫度傳感器來測量在IGBT底板處溫度，并在2013年6月5日至2013年6月10日對底板溫度進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明：當(dāng)冷卻風(fēng)扇持續(xù)（沒有中斷）工作時，IGBT底板的溫度浮動范圍小于20K，在規(guī)定值范圍內(nèi)。如果外部溫度低，冷卻風(fēng)扇會在正常運(yùn)行期間通過滯后自動控制進(jìn)行開和關(guān)（65℃自動開，55℃自動關(guān)）。這種工況下，IGBT底板的溫度浮動范圍大于30K，超出了允許范圍。

2.2 用溫度傳感器測量IGBT底板處溫度情況

2.2.1 變頻器的選擇

通過對磁懸浮列車補(bǔ)償系統(tǒng)分析，最終選擇下列變頻器進(jìn)行測試。龍陽路變電站A段補(bǔ)償變頻器A23，在2012年7月14日安裝，已運(yùn)行了約8 400h。浦東機(jī)場變電站 A段補(bǔ)償變頻器A23，在2011年10月25日安裝，已運(yùn)行了約23 000h。在每個柜子選一個相模塊，在散熱片背面鉆孔，在IGBT的底板上安裝熱傳感器。安裝完傳感器后，鉆孔被密封以預(yù)防測試錯誤。

2.2.2 測試情況

1）龍陽變頻器A23測試的溫度曲線（2013年6月5日04：00至6日06：30）如圖3所示。運(yùn)行工況為：5節(jié)編組的列車往返運(yùn)行；在早上4：30連接濾波器，6：45啟動運(yùn)行模式；晚上9：45結(jié)束運(yùn)行，10：10斷開濾波器。在整個運(yùn)行期間，風(fēng)扇一直工作，并設(shè)置為開斷自動控制。

由圖3結(jié)果顯示，在外界溫度高于20℃的情況下，底板上的溫度波動約為15K。由于下午4：30左右的降雨，散熱片上的溫度下降到50℃，因此風(fēng)扇通過自動控制被關(guān)斷。這就使底板上的溫度升高，達(dá)到約70℃。底板上總的溫度浮動上升了約29K。

圖3 龍陽變頻器A23的溫度曲線

2）龍陽變頻器A23測試的溫度曲線（2013年6月10日13：21至15：00）如圖4所示。運(yùn)行工況同圖3，僅在散熱片的溫度達(dá)到70℃時（風(fēng)扇控制的測量溫度點(diǎn)），人工關(guān)斷變頻器。結(jié)果顯示，底板溫度下降至40℃，同時風(fēng)扇通過滯后控制被關(guān)斷。人工將變頻器重新連接，結(jié)果顯示底板溫度快速上升直至風(fēng)扇通過滯后控制再次打開，底板溫度已經(jīng)幾乎達(dá)到70℃。

圖4 散熱片上溫度達(dá)到70℃時龍陽變頻器關(guān)斷后的溫度曲線

由圖4顯示：測量到的溫度浮動范圍約為28K。

3）浦東變頻器A23測試的溫度曲線（2013年6月7日04：00至8日06：30）如圖5所示。運(yùn)行工況同圖3，只是在整個運(yùn)行期間，風(fēng)扇一直工作著。

圖5 浦東變頻器A23的溫度曲線

6 散熱片上溫度達(dá)到70℃時浦東變頻器關(guān)斷后的溫度曲線

由圖5顯示，在外部溫度高于20℃的情況下，底板溫度浮動范圍約18K，比龍陽變頻器的底板溫度高約10K?？梢约俣?，在IGBT運(yùn)行了33000周次時，分層情況進(jìn)一步惡化，并使其熱性能惡化。

4）浦東變頻器A23測試的溫度曲線（2013年6月10日15：30至17：00）如圖6所示。運(yùn)行工況同圖3，只是在散熱片溫度達(dá)到70℃時，人工關(guān)斷變頻器，同時風(fēng)扇通過滯后控制被關(guān)斷，人工將變頻器重新連接。

由圖6顯示，當(dāng)散熱片上溫度達(dá)到70℃時，變頻器關(guān)斷后測量到的溫度浮動范圍約為32K。

3 結(jié)論

通過對磁懸浮列車補(bǔ)償系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，IGBT部件和底板之間分層，而幾乎所有故障都發(fā)生在經(jīng)過兩個冬季之后。在夏季（運(yùn)行）環(huán)境條件下，IGBT底板的正常溫度浮動范圍小于20K（風(fēng)扇一直處于工作狀態(tài)）。在較冷月份，風(fēng)扇受滯后控制會被頻繁關(guān)斷，IGBT底板的溫度波動范圍大于30K。此溫度波動范圍的增大可造成IGBT使用壽命縮短。此次測試也證實了交替變換的載荷條件和不利的風(fēng)扇控制參數(shù)（控制滯后）使溫度波動范圍增大，造成IGBT部件和對應(yīng)的底板之間分層。對所有變頻器的風(fēng)扇控制特性進(jìn)行調(diào)整，將風(fēng)扇工作點(diǎn)的測量溫度由原先65℃改為10℃，即風(fēng)扇處于常運(yùn)行狀態(tài)。調(diào)整后，變頻器風(fēng)扇將持續(xù)工作，可以消除不利的溫度條件。