谷翠軍 吳曉東 李國(guó)銀 楊 吉

(重慶中車(chē)四方所科技有限公司, 401133, 重慶)

重慶軌道交通2號(hào)線(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“2號(hào)線”)是我國(guó)西部第一條城市軌道交通線路,也是我國(guó)第一條跨座式單軌線路, 于2004年11月開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。2號(hào)線列車(chē)在正線運(yùn)營(yíng)時(shí),牽引逆變器VVVF(變壓變頻)箱多次發(fā)生過(guò)壓斬波IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)故障,并伴隨GR(接地)故障,導(dǎo)致列車(chē)下線,嚴(yán)重影響線路的正常運(yùn)營(yíng)。對(duì)此,本文基于過(guò)壓斬波原理,結(jié)合故障現(xiàn)象、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)及有關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證,分析并確定故障原因,進(jìn)而提出解決措施。

1 過(guò)壓斬波原理

車(chē)輛制動(dòng)時(shí),牽引逆變器VVVF箱處于再生制動(dòng)工況,牽引電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài),將列車(chē)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能,并回饋至牽引逆變器VVVF箱直流側(cè),通過(guò)受電弓反饋給直流電網(wǎng)[1]。當(dāng)電網(wǎng)無(wú)法完全吸收反饋能量時(shí),電網(wǎng)電壓將迅速升高,進(jìn)而導(dǎo)致VVVF箱中的支撐電容電壓上升。為了保證電網(wǎng)及列車(chē)行車(chē)安全,2號(hào)線牽引系統(tǒng)采用了電阻消耗型再生能量回收技術(shù)。當(dāng)支撐電容兩端電壓過(guò)高時(shí),過(guò)壓斬波器工作,通過(guò)過(guò)壓吸收電阻消耗多余的電能并以熱量的形式散發(fā),從而降低母線電壓[2]。

圖1為2號(hào)線車(chē)輛單元組過(guò)壓吸收回路拓?fù)鋱D。由圖1可知:過(guò)壓吸收回路由過(guò)壓斬波器Q和過(guò)壓吸收電阻Re組成;PT為電壓傳感器,用于實(shí)時(shí)檢測(cè)支撐電容SC兩端的電壓;CT為電流傳感器,用于檢測(cè)斬波回路電流,并根據(jù)檢測(cè)的電流值對(duì)過(guò)壓吸收回路進(jìn)行相應(yīng)的故障保護(hù)。受車(chē)輛結(jié)構(gòu)限制,2號(hào)線車(chē)輛每個(gè)單元組的三路過(guò)壓斬波回路共用同一個(gè)Re。

注:Udc—DC 1 500 V電源;TD—二極管。

2 故障現(xiàn)象及分析

2.1 故障現(xiàn)象

在臨江門(mén)站—較場(chǎng)口站區(qū)間運(yùn)行中,多列列車(chē)的司機(jī)室TCMS(列車(chē)控制管理系統(tǒng))監(jiān)視屏顯報(bào)OVT-IGBT(過(guò)壓斬波IGBT)故障和GR故障,導(dǎo)致列車(chē)下線。

故障列車(chē)回庫(kù)后,對(duì)其高壓回路的熔斷器箱、隔離開(kāi)關(guān)箱、高壓接線箱、斷路器箱、VVVF箱等設(shè)備進(jìn)行開(kāi)箱檢查發(fā)現(xiàn),斷路器箱內(nèi)過(guò)壓吸收電阻的電阻帶脫落至箱體底部。用萬(wàn)用表二極管檔對(duì)VVVF箱中的斬波器Q兩端電纜測(cè)量發(fā)現(xiàn),正反均導(dǎo)通,說(shuō)明斬波器Q被擊穿損壞。故障列車(chē)其余箱體設(shè)備均無(wú)異常。

VVVF箱體返回工廠后,經(jīng)拆解、試驗(yàn)和測(cè)量發(fā)現(xiàn),斬波器Q及其驅(qū)動(dòng)板、適配板和過(guò)壓吸收電阻均出現(xiàn)損壞。

2.2 故障機(jī)理

圖2為OVT-IGBT故障判定邏輯。由圖2可知,當(dāng)控制器檢測(cè)到OVT-IGBT故障位置位、控制器及RIOM(遠(yuǎn)程輸入輸出單元)電源正常,并持續(xù)0.5 s后,便向TCMS上報(bào)OVT-IGBT故障并切除本單元牽引。若車(chē)體電位較接觸網(wǎng)負(fù)線電位高100 V,則觸發(fā)GR故障。

圖2 OVT-IGBT故障判定邏輯圖

2.3 故障分析

IGBT故障樹(shù)如圖3所示。由圖3可知,OVT-IGBT故障原因可能為IGBT本體失效、適配板故障、驅(qū)動(dòng)板故障、供電故障或控制器故障。結(jié)合VVVF箱體中驅(qū)動(dòng)板、適配板、斬波器IGBT都出現(xiàn)損壞現(xiàn)象,可初步推斷導(dǎo)致OVT-IGBT故障的原因?yàn)?在斬波器Q工作時(shí),過(guò)壓吸收回路中存在瞬時(shí)電壓尖峰,擊穿了驅(qū)動(dòng)板、適配板和斬波器IGBT,于是報(bào)出OVT-IGBT故障。此外,由于IGBT被擊穿,過(guò)壓斬波回路處于導(dǎo)通狀態(tài),故過(guò)壓吸收電阻長(zhǎng)時(shí)間工作,最終溫度過(guò)高而損壞。而損壞的電阻碎片接觸車(chē)體,導(dǎo)致車(chē)體帶電,進(jìn)而觸發(fā)GR故障。

圖3 IGBT故障樹(shù)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及改進(jìn)措施

3.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步確定OVT-IGBT故障原因,本研究根據(jù)車(chē)輛實(shí)際走線長(zhǎng)度,搭建了2個(gè)實(shí)物測(cè)試單元(PU1、PU2)進(jìn)行雙脈沖試驗(yàn)。雙脈沖試驗(yàn)接線如圖4所示。PU1到過(guò)壓吸收電阻的距離約為1.8 m,PU2到過(guò)壓吸收電阻的距離約為16.6 m,過(guò)壓吸收電阻阻值Re=5.4 Ω。通道1測(cè)量PU1單元斬波器Q的集電極C和發(fā)射極E之間電壓VCE1,通道2測(cè)量PU2單元斬波器Q的集電極C和發(fā)射極E之間電壓VCE2,通道3測(cè)量PU1的斬波電流I1,通道4測(cè)量PU2斬波電流I4。

圖4 雙脈沖試驗(yàn)接線示意圖

圖5為PU1中斬波器Q開(kāi)通工作時(shí)的VCE1波形圖截圖。從圖5可以看出,在斬波器關(guān)斷瞬間,VCE1出現(xiàn)了尖峰電壓。

圖5 PU1中斬波器Q開(kāi)通工作時(shí)的VCE1波形圖截圖

由試驗(yàn)結(jié)果可確定,IGBT故障發(fā)生的原因?yàn)?斬波器關(guān)斷瞬間,回路中產(chǎn)生了VCE1尖峰電壓;VCE1尖峰電壓擊穿了斬波器的適配板、驅(qū)動(dòng)板,從而導(dǎo)致了OVT-IGBT故障。進(jìn)一步分析可知,由于2號(hào)線每個(gè)單元組的三路過(guò)壓斬波回路共用1個(gè)過(guò)壓吸收電阻,故而更易導(dǎo)致斬波器關(guān)斷瞬間產(chǎn)生尖峰電壓。

3.2 改進(jìn)措施

針對(duì)OVT-IGBT故障發(fā)生的原因,本文提出如下改進(jìn)措施:

1) 優(yōu)化過(guò)壓吸收回路主動(dòng)放電功能,將開(kāi)通過(guò)壓吸收回路對(duì)應(yīng)的支撐電容電壓閾值提高,降低過(guò)壓吸收回路斬波器的工作頻率,減少開(kāi)關(guān)損耗。這可有效避免斬波器因過(guò)熱而損壞;提高支撐電容電壓閾值對(duì)電容本身的性能和壽命無(wú)影響。

2) 對(duì)過(guò)壓吸收回路相關(guān)邏輯處理進(jìn)行優(yōu)化,增加有斬?zé)o流故障(斬波器工作,但回路中沒(méi)檢查到電流,說(shuō)明回路有故障)和未斬有流故障(斬波器不工作,但回路中檢測(cè)到電流,說(shuō)明斬波器有故障),從而可實(shí)時(shí)監(jiān)控該回路的工作狀態(tài)。

3) 當(dāng)斬波器IGBT發(fā)生故障后,易造成過(guò)壓吸收電阻過(guò)熱燒損,并導(dǎo)致GR故障。建議優(yōu)化VVVF控制程序——一旦OVT-IGBT故障后,可通過(guò)控制高速斷路器切除該故障單元,避免故障影響范圍擴(kuò)大。

4) 優(yōu)化驅(qū)動(dòng)板的相關(guān)參數(shù),調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電阻,降低IGBT的開(kāi)關(guān)頻率,從而減小IGBT在關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn)生的尖峰電壓,進(jìn)而減小尖峰電壓對(duì)適配板的沖擊。

經(jīng)現(xiàn)車(chē)驗(yàn)證,最終解決了OVT-IGBT故障,保證了2號(hào)線正常運(yùn)營(yíng)。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)2號(hào)線多起過(guò)壓斬波IGBT故障,結(jié)合故障現(xiàn)象、故障機(jī)理和試驗(yàn)驗(yàn)證,最終確定了故障原因。針對(duì)故障原因,提出了故障改進(jìn)措施。在后續(xù)車(chē)輛設(shè)計(jì)時(shí),可考慮每路過(guò)壓斬波回路單獨(dú)配置1套過(guò)壓吸收電阻,從設(shè)計(jì)初期避免潛在的風(fēng)險(xiǎn)。