張 勇, 齊建剛

(1 烏魯木齊鐵路局 哈密機(jī)務(wù)段, 新疆哈密 839001;2 烏魯木齊鐵路局 烏魯木齊機(jī)務(wù)段, 新疆烏魯木齊 830023)

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特殊區(qū)段對(duì)HXD1C型電力機(jī)車(chē)運(yùn)用的影響

張 勇1, 齊建剛2

(1 烏魯木齊鐵路局 哈密機(jī)務(wù)段, 新疆哈密 839001;2 烏魯木齊鐵路局 烏魯木齊機(jī)務(wù)段, 新疆烏魯木齊 830023)

蘭新鐵路哈密至柳園區(qū)段線(xiàn)路的特點(diǎn)為風(fēng)沙大、溫度高、海拔高，HXD1C型機(jī)車(chē)在該區(qū)間長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，易造成牽引變流器及牽引電機(jī)溫升較高，導(dǎo)致?tīng)恳兞髌骷盃恳姍C(jī)的故障。通過(guò)對(duì)機(jī)車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，提出了改善建議。

特殊區(qū)段; 高溫; 高海拔; 牽引變流器; 牽引電機(jī)

蘭新鐵路東起甘肅省蘭州市西至新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市，是新疆通往國(guó)內(nèi)地的唯一鐵路運(yùn)輸干線(xiàn)，是構(gòu)成中國(guó)西北地區(qū)鐵路網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。蘭新線(xiàn)全長(zhǎng)1 950 km，最大坡道13‰，烏魯木齊鐵路局區(qū)間最大坡道11.5‰，單臺(tái)HXD1C型機(jī)車(chē)牽引定噸為4 500 t。

其中哈密到柳園區(qū)間全長(zhǎng)300 km左右，煙墩至小泉東持續(xù)6‰上坡道近200 km，超過(guò)1 400 m海拔的約100 km左右，該區(qū)間主要站點(diǎn)海拔為：哈密(海拔743 m)、煙墩(海拔695 m)、紅柳河(海拔1 570 m)、照東(海拔1 649 m)、大泉(海拔1 770 m)、柳園(海拔1 806 m)。

蘭新線(xiàn)牽引區(qū)段內(nèi)有百里風(fēng)區(qū)、安西風(fēng)庫(kù)等多個(gè)風(fēng)沙地段，途經(jīng)火州之稱(chēng)的吐魯番，夏季最高環(huán)境溫度可能達(dá)到50℃。

因此哈密至柳園區(qū)段線(xiàn)路的特點(diǎn)為風(fēng)沙大、溫度高、海拔高。

2013年4月烏魯木齊鐵路局投入使用大量HXD1C型機(jī)車(chē)，通過(guò)一年多的使用，牽引變流器元件故障、牽引電機(jī)溫升持續(xù)偏高等故障明顯增加，其中發(fā)生故障較多的區(qū)段為哈密到柳園。

按照HXD1C型機(jī)車(chē)安全保護(hù)的要求，機(jī)車(chē)牽引電機(jī)溫度達(dá)到220℃時(shí)降功率、達(dá)到230℃時(shí)牽引封鎖；牽引變流器水溫達(dá)到55℃時(shí)降功率、達(dá)到60℃時(shí)牽引封鎖。在之前的運(yùn)用中，電機(jī)溫度最高已達(dá)216℃，以及接近降功率的門(mén)檻值。按照添乘記錄的情況，機(jī)車(chē)?yán)鋮s水相比環(huán)境溫度高出約10℃，夏季環(huán)溫最高45～50℃，冷卻水溫將可能達(dá)到55～60℃，機(jī)車(chē)將降低功率使用或牽引封鎖，造成機(jī)破，嚴(yán)重影響了列車(chē)的行車(chē)安全。

1 HXD1C型機(jī)車(chē)使用環(huán)境條件

機(jī)車(chē)在下列條件下，應(yīng)能按機(jī)車(chē)額定功率正常工作。

(1)海拔高度：不超過(guò)2 500 m

(2)環(huán)境溫度(遮蔭處)：-25℃～+40℃

機(jī)車(chē)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)按照-40℃運(yùn)用環(huán)境設(shè)計(jì)，并預(yù)留加強(qiáng)防寒設(shè)備安裝接口和布線(xiàn)空間。機(jī)車(chē)能夠在-40 ℃環(huán)境下存放，加強(qiáng)防寒后能夠在-25℃～-40℃環(huán)境下正常運(yùn)用。

(3)月平均最大相對(duì)濕度(該月月平均最低溫度不低于25℃)：95 %

(4)環(huán)境條件：能承受風(fēng)、雨、雪、鹽霧、煤塵和偶有沙塵暴 。

2 特殊區(qū)段對(duì)牽引變流器的影響及分析

2.1 特殊區(qū)段對(duì)牽引變流器的影響

2013年5月至6月期間，技術(shù)人員在該區(qū)段添乘各噸位的機(jī)車(chē)，觀(guān)察到機(jī)車(chē)在通過(guò)哈密至柳園的長(zhǎng)達(dá)坡道時(shí)，環(huán)境溫度約35℃左右，牽引變流器冷卻水溫度達(dá)到40℃～45℃，牽引變流器柜內(nèi)空氣溫度在50℃左右，并且測(cè)試了相關(guān)參數(shù)，見(jiàn)表1。

2.2 分析

文獻(xiàn)[1]指出，當(dāng)機(jī)車(chē)運(yùn)行在高電壓、大電流負(fù)載下，反向電流產(chǎn)生的損耗在半導(dǎo)體器件總損耗中所占比重大大增加，從而會(huì)導(dǎo)致p-n結(jié)的溫度急劇升高，降低了其關(guān)斷性能，增加了半導(dǎo)體器件的故障。

考慮到IGBT廠(chǎng)家提供的不同工況下功率循環(huán)對(duì)于IGBT壽命的影響，不論是短脈沖(對(duì)應(yīng)IGBT瞬間大電流)結(jié)溫溫升還是長(zhǎng)時(shí)間IGBT殼的溫升(對(duì)應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間大電流導(dǎo)致的溫升)，對(duì)IGBT功率循環(huán)次數(shù)(即壽命)都有直接的影響，特別是大的結(jié)溫溫升或是大的殼溫升，對(duì)壽命的影響是越大則變得越明顯，呈指數(shù)式衰減，如結(jié)溫溫升為30 K時(shí)IGBT元件的循環(huán)次數(shù)為107次，則結(jié)溫溫升上升到40 K時(shí)IGBT的循環(huán)次數(shù)已經(jīng)降至3×106次，具體見(jiàn)圖1及圖2。

表1 各噸位機(jī)車(chē)測(cè)試數(shù)據(jù)

注：四象限輸入電流為兩個(gè)IGBT并聯(lián)使用的電流。

圖1 IGBT結(jié)溫升對(duì)壽命的影響

圖2 IGBT殼溫升對(duì)壽命的影響

從測(cè)試的數(shù)據(jù)可知，HXD1C型機(jī)車(chē)單機(jī)牽引4 757 t在70 km/h速度等級(jí)運(yùn)行時(shí)，牽引電機(jī)最高溫度為194℃，逆變器輸出電流為640 A，高于設(shè)計(jì)持續(xù)電流值598 A，逆變器實(shí)際輸出電流偏大，導(dǎo)致IGBT溫升加劇。

通過(guò)仿真，參考實(shí)際運(yùn)用環(huán)境，柜內(nèi)環(huán)境溫度設(shè)定為50℃、牽引變流器模塊電流設(shè)定為620 A，其IGBT的結(jié)溫在100 ℃左右，結(jié)溫溫升在50 K左右(具體見(jiàn)表2)，其IGBT的循環(huán)壽命將降至3×105次。隨著夏季高溫的到來(lái)，IGBT的結(jié)溫溫升還會(huì)進(jìn)一步上升，其IGBT的失效率也會(huì)進(jìn)一步增加。

考慮到隨著海拔的升高，空氣壓力和空氣密度降低，引起空氣介質(zhì)冷卻效應(yīng)的減低，對(duì)于以自然對(duì)流、強(qiáng)迫通風(fēng)及空氣散熱為主要散熱方式的電氣設(shè)備，由于散熱能力的下降，溫升將升高。而HXD1C型機(jī)車(chē)運(yùn)行的哈密到柳園區(qū)間中，有超過(guò)1 400 m海拔的持續(xù)6‰上坡道約100 km，不管是通過(guò)水散熱還是直接空氣散熱，在此區(qū)段運(yùn)用將加速I(mǎi)GBT溫度的上升。

表2 IGBT殼溫溫度仿真結(jié)果

表3 HXD1C 0749機(jī)車(chē)電機(jī)溫度數(shù)據(jù) ℃

綜上所述，HXD1C型機(jī)車(chē)在哈密到柳園區(qū)間運(yùn)行過(guò)程中，隨著夏季溫度的上升，在機(jī)車(chē)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)滿(mǎn)功率運(yùn)行工況下，致使變流器元件電流偏大，IGBT短時(shí)芯片局部熱損耗加大，半導(dǎo)體器件的故障率也隨之升高。因此，牽引變流器模塊故障確定為IGBT模塊在大電流下關(guān)斷失效造成，判斷為IGBT熱疲勞損傷造成元件故障。HXD1C型機(jī)車(chē)在該特殊區(qū)段長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，變流器元件電流偏大，IGBT短時(shí)芯片局部熱損耗加大造成元件故障。

3 特殊區(qū)段對(duì)牽引電機(jī)的影響及分析

3.1 對(duì)牽引電機(jī)的影響

根據(jù)2013年5月至6月期間技術(shù)人員添乘記錄，機(jī)車(chē)在哈密到柳園區(qū)間牽引4 757 t和4 926 t運(yùn)行時(shí)，當(dāng)夏季高溫來(lái)臨之際，機(jī)車(chē)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)滿(mǎn)功率運(yùn)行，而隨著運(yùn)行過(guò)程中海拔的升高，機(jī)車(chē)散熱效率隨之下降，致使?fàn)恳姍C(jī)溫度升至近200 ℃，接近牽引電機(jī)保護(hù)點(diǎn)(牽引電機(jī)溫度設(shè)定為220 ℃降功率，230 ℃封鎖牽引)。

HXD1C型0749號(hào)機(jī)車(chē)記錄的主要溫度中牽引電機(jī)1的溫度已經(jīng)達(dá)到216 ℃，具體見(jiàn)表3。

牽引電機(jī)內(nèi)部溫度的升高，致使氣體分子運(yùn)動(dòng)加劇，氣隙的起始放電電壓降低，局部放電活動(dòng)劇烈；隨著溫度的升高，平均放電量基本呈線(xiàn)性增長(zhǎng)。因此，牽引電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作在高溫情況下對(duì)于牽引電機(jī)內(nèi)部的絕緣會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響，直接影響其使用壽命。

3.2 分析

隨著進(jìn)入夏季溫度的上升，環(huán)境溫度接近+40℃，且持續(xù)6‰上坡道，海拔不斷上升，機(jī)車(chē)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)滿(mǎn)功率運(yùn)行，導(dǎo)致?tīng)恳姍C(jī)和牽引變流器長(zhǎng)期耐受高溫運(yùn)用，牽引電機(jī)和牽引變流器的故障率也隨之升高。HXD1C型機(jī)車(chē)在哈密到柳園區(qū)間繼續(xù)原有運(yùn)行模式必將出現(xiàn)牽引電機(jī)超溫保護(hù)和牽引變流器模塊故障，致使降功率或牽引封鎖而造成大批量機(jī)車(chē)機(jī)破或坡停。因此，HXD1C型機(jī)車(chē)在該區(qū)段單機(jī)牽引時(shí)適當(dāng)降低功率。

4 牽引計(jì)算分析

由于蘭新線(xiàn)中煙墩至小泉東區(qū)段持續(xù)6‰上坡道近200 km，按照列車(chē)牽引計(jì)算規(guī)程(TB/T 1407-1998)，牽引質(zhì)量按限制坡道上長(zhǎng)期運(yùn)行速度應(yīng)大于機(jī)車(chē)持續(xù)速度點(diǎn)(65 km/h)進(jìn)行計(jì)算，因此，機(jī)車(chē)牽引噸位為：

文獻(xiàn)[2]指出，當(dāng)輪軌接觸從干態(tài)轉(zhuǎn)入水介質(zhì)工況運(yùn)行時(shí)輪軌的黏著系數(shù)會(huì)急劇下降，起動(dòng)黏著系數(shù)從0.387降低至 0.319～0.255之間，機(jī)車(chē)能發(fā)揮的最大牽引力在約469～375 kN之間變化。因此，在雨天撒沙完全按照最優(yōu)的情況下，且不考慮曲線(xiàn)附加阻力，計(jì)算出牽引噸位在3 800～4 800 t。

輪軌間的可用黏著是客觀(guān)存在的，是由輪軌接觸的物理狀態(tài)所決定的，不能人為改變，機(jī)車(chē)黏著利用軟件只能盡可能的接近可利用的黏著，并且可用黏著還與其他因素有一定的關(guān)系，如曲線(xiàn)因素、機(jī)車(chē)速度、撒沙量等，牽引定數(shù)需留有一定的裕量。綜合以上所述，我們認(rèn)為，最好按照雨天等輪軌黏著條件不佳時(shí)的情況來(lái)定義機(jī)車(chē)的牽引噸位，機(jī)車(chē)的牽引力應(yīng)留有裕量，機(jī)車(chē)長(zhǎng)期運(yùn)行速度應(yīng)在機(jī)車(chē)持續(xù)速度范圍內(nèi)，蘭新線(xiàn)HXD1C型機(jī)車(chē)單機(jī)牽引噸位低于4 500 t。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于蘭新線(xiàn)哈密至柳園區(qū)段持續(xù)長(zhǎng)大坡道、高海拔條件下，加之夏季溫度較高，機(jī)車(chē)各部件工作環(huán)境惡劣，外部環(huán)境最高氣溫可達(dá)50 ℃以上，機(jī)車(chē)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在大電流的工況下，易造成溫升較高，導(dǎo)致?tīng)恳兞髌骷盃恳姍C(jī)的故障。

通過(guò)對(duì)哈密至柳園區(qū)段運(yùn)行的HXD1C型機(jī)車(chē)牽引變流器及牽引電機(jī)的故障數(shù)據(jù)的分析，提出如下改善建議：

HXD1C型機(jī)車(chē)夏季在哈密至柳園區(qū)段單機(jī)牽引時(shí)：

(1)HXD1C型機(jī)車(chē)單機(jī)最大牽引噸位不超過(guò)4 500 t，定速65 km/h。以避免高溫、高海拔環(huán)境條件下長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)滿(mǎn)功率運(yùn)用造成牽引電機(jī)和牽引變流器故障以減少機(jī)車(chē)在該區(qū)間的故障；

(2)HXD1C型機(jī)車(chē)單機(jī)牽引時(shí)適當(dāng)降低功率。

[1] В.И.БЕРВИНОВ等. 電感對(duì)電力機(jī)車(chē)主變流器可靠性的影響[J].變流技術(shù)與電力牽引.2014,(5):29-30.

[2] 申 鵬，王文健，張鴻裴，等. 撒沙對(duì)輪軌黏著特性的影響[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào).2010, 46(16):74-78.

Influence of Special Section on HXD1C Type Locomotive Operation

ZHANGYong1,QIJiangang2

(1 Hami Locomotive Depot, Urumqi railway bureau, Hami 839001 Xinjiang, China; 2 Urumqi Locomotive Depot, Urumqi railway bureau, Urumqi 830023 Xinjiang, China)

The characteristics of Hami-Liuyuan section of Lan-xin railway is sandy, high temperature and high altitude. For HXD1C type locomotive, long time running on this special railway section will result in high temperature rising of traction converter and traction motor. This will cause traction converter and traction motor failure. This paper analyzes the locomotive running data and puts forward some improved suggestions.

special railway section; high temperature; high altitude; traction converter; traction motor

1008-7842 (2015) 03-0083-04

男，工程師(

2014-12-22)

U266.2

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.21