李健 王雙全 王先君

（1.中國鐵路濟南局集團有限公司青島動車段 山東青島 266000；2.中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東青島 266111）

輔助變流器是動車組關(guān)鍵部件之一，為列車輔助設備如冷卻通風機、油泵、熱水器、空調(diào)裝置、照明等設備提供電源，其中，一款70kVA輔助變流器大批量運用于和諧號動車組，在線運行時，報出了三相電流不平衡故障。此故障發(fā)生后，會一直間歇性出現(xiàn)，嚴重時影響動車正常運行，回動車所后，庫內(nèi)高壓試驗，極難復現(xiàn)。

1 控制原理

輔助變流器主電路采用“單相橋式IGBT 整流器+三相橋式IGBT逆變器”結(jié)構(gòu)，由輸入充電電路、單相輸入變壓器、整流器、逆變器、波濾波器、控制機箱等組成，將單相交流電源變換為穩(wěn)定的三相電源，電路原理如圖1所示。其中，電流傳感器SC2、SC3、SC4 檢測逆變器三相輸出電流，當任意兩相電流有效值差值大于20A時，持續(xù)1s，輔助變流器進行三相電流不平衡故障保護，停止工作。

圖1 電路拓撲

2 理論分析

輔助變流器的負載由多個三相平衡負載組成，根據(jù)電路原理，可等效變換為一個三相平衡負載模型。當其中一個負載如W相缺相時，等效負載W相阻抗變大；W相短路時，等效負載W相阻抗變小。

為簡化分析，假設輔助逆變器輸出的三相電壓為理想電壓源，表達式如下：

根據(jù)支路電流法列出負載三相電流關(guān)系的獨立表達式：

求得三相電流表達式如下：

以W 相負載為例，假設==；=，定義為平衡系數(shù)。當=1 時，三相負載平衡；當＞1時，W 相負載阻抗變大；當＜1 時，W 相負載阻抗變小。三相電流關(guān)系式簡化如下：

相電流幅值變化用系數(shù)、、表征，三相電流相位變化趨勢可用、、表征。當負載平衡時，三相電流幅值相等；、、相等為π/6，U、V、W相電流依次滯后2π/3。當W 相完全斷開時，U、V 相電流相等，并小幅度增加，W 相電流降為0；減少至0，增加到π/3，U、V 兩相相位差增加大至π；當W 相完全短路時，U、V 相電流增加，W 相電流大幅增加；增加最至π/3，減少至0，U、V兩相相位差縮小至π/3。同理可以分析U相或V相阻抗的變化。

輔助逆變器三相輸出頻率為50Hz，U=400 ×1.414V，當=2Ω 時，W 相阻抗變化分別在=0.1、=1、=5時進行仿真分析。

3 案例分析

根據(jù)運營數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在動車組運行4年左右時，輔助變流器會發(fā)生三相不平衡故障，故障現(xiàn)象可自動消除，會反復間歇性出現(xiàn)，地面復現(xiàn)較困難，更換傳感器、逆變器、控制機箱等相關(guān)部件，故障無法消除。

故障記錄顯示，電流僅幅值偏小，頻率相同，相位正常，三相相位依次滯后120°，三相電壓正常，可以初步推測為電流檢測回路異常導致。

電流檢測回路由電流傳感器、逆變器、控制機箱3個部分組成，三相電流檢測回路相互獨立，當其中一相電流檢測偏小，其他兩相電流幅值、相位不受影響，與故障表象相似。

排除故障不是由電流傳感器、逆變器、控制機箱功能故障引起，分析檢測回路信號傳遞過程中的薄弱環(huán)節(jié)。電流傳感器變比為300A∶150mA，屬于電流源信號，不受線路阻抗影響，逆變器通過25Ω采樣電阻轉(zhuǎn)為電壓，等效變?yōu)殡妷涸葱盘枺蟼骺刂茩C箱。當線路阻抗過大時，控制機箱接收的信號變小，就會導致故障發(fā)生。逆變器和控制機箱分別通過24 芯和48 芯連接器連接，連接器經(jīng)受長時間的空氣污染、氧化，并且在振動、濕熱變化等惡劣工況下使用，接觸電阻出現(xiàn)間歇性增大。

4 策略優(yōu)化

考慮到檢測回路引起的三相電流不平衡對輔助變流器運行及負載沒有任何影響，本文提出一種軟件優(yōu)化方案，提高系統(tǒng)容錯性，降低故障率。

檢測回路和負載引起的三相電流不平衡有本質(zhì)區(qū)別。根據(jù)基爾霍夫電流定律，對于電路的任意節(jié)點電流的代數(shù)和為零，因此負載引起電流不平衡，三相電流瞬時值之和仍為零，否則是檢測回路引起。工程運用中，可采取以下邏輯：當采集到的三相電流和值為零時，并且滿足電流差值條件，判斷為負載引起的三相電流不平衡故障，進行保護停機；當和值不為零時，并且滿足電流差值條件，判斷為采樣異常引起的三相電流不平衡故障，維持運行。具體軟件邏輯流程圖如圖2所示。

圖2 三相電流不平衡優(yōu)化方案

5 結(jié)語

本文提出的三相電流不平衡保護策略，增強了系統(tǒng)的容錯性，不影響對實際負載三相不平衡故障的保護。動車輔助變流器全部進行軟件優(yōu)化后，故障大幅降低。故該三相不平衡優(yōu)化策略可以廣泛推廣運用，提升電氣系統(tǒng)可靠性。