HX D1B型電力機(jī)車牽引變流器的故障分析

翟啟斌

（武漢鐵路局 江岸機(jī)務(wù)段，湖北武漢430301）

HXD1B型電力機(jī)車（簡(jiǎn)稱機(jī)車）從2009年7月開始上線運(yùn)用，江岸機(jī)務(wù)段目前配屬270臺(tái)，擔(dān)當(dāng)武漢北—株洲、鄭州、向塘、阜陽等區(qū)段4 500～6 000 t重載貨物列車的牽引任務(wù)。

目前，機(jī)車還有一些固有缺陷沒有完全解決，如牽引變流器故障。由于不可預(yù)見性，故障重復(fù)發(fā)生的現(xiàn)象非常突出，嚴(yán)重影響牽引運(yùn)輸任務(wù)。

1 故障調(diào)查

武漢鐵路局配屬270臺(tái)機(jī)車，有小號(hào)機(jī)車，也有大號(hào)機(jī)車；南昌鐵路局配屬100臺(tái)小號(hào)機(jī)車；鄭州鐵路局配屬130臺(tái)大號(hào)機(jī)車。圖1是2009－07～2011－12間3個(gè)鐵路局的牽引變流器故障情況。

圖1 HXD1B型電力機(jī)車變流器故障統(tǒng)計(jì)

其中，四象限整流器（簡(jiǎn)稱4 QC）故障占總數(shù)的69.9%，主要集中在武漢和南昌鐵路局的小號(hào)機(jī)車。主逆變器（簡(jiǎn)稱Inv）故障占總數(shù)的9.6%，主要集中在武漢和鄭州鐵路局的大號(hào)機(jī)車。輔助逆變器（簡(jiǎn)稱Aux）故障占總數(shù)的4.9%，相對(duì)穩(wěn)定。輸入斷路器（簡(jiǎn)稱Q）故障占總數(shù)的15.5%，主要集中在武漢和鄭州鐵路局的大號(hào)機(jī)車。

因?yàn)槲錆h鐵路局配屬的機(jī)車既有南昌鐵路局機(jī)車的故障特點(diǎn)，又有鄭州局機(jī)車的故障特點(diǎn)，以下重點(diǎn)分析武漢鐵路局機(jī)車牽引變流器的故障。

2 變流器故障分析

機(jī)車運(yùn)行中因牽引變流器故障突然導(dǎo)致主斷路器（簡(jiǎn)稱HVB）跳閘保護(hù)，機(jī)車短時(shí)間內(nèi)沒有功率輸出，因此造成機(jī)車運(yùn)行坡停和機(jī)破的現(xiàn)象非常突出。

西門子公司雖然及時(shí)修改軟件，自動(dòng)隔離故障點(diǎn)并切除一個(gè)牽引電機(jī)。但是，機(jī)車故障時(shí)先要封鎖HVB，然后才能在低壓狀態(tài)下完成隔離轉(zhuǎn)換，如果機(jī)車在坡道上運(yùn)行還是會(huì)造成牽引力不足而發(fā)生坡停。另外線路接觸器及故障隔離開關(guān)頻繁動(dòng)作，還會(huì)造成線路接點(diǎn)故障，因此軟件升級(jí)只能將故障損失降至最小，不能解決根本問題。

圖2 武漢鐵路局HXD1B型電力機(jī)車變流器故障統(tǒng)計(jì)

200臺(tái)之前的機(jī)車牽引變流器為西門子公司原裝產(chǎn)品，其主要是4 QC故障，200臺(tái)之后的牽引變流器在逐步國(guó)產(chǎn)化，質(zhì)量尚不穩(wěn)定，主要是4 QC、輸入斷路器（簡(jiǎn)稱Q）和牽引控制故障（圖2）。

（1）牽引控制單元（簡(jiǎn)稱TCU）

原裝車的TCU控制電路板（簡(jiǎn)稱PCB）質(zhì)量穩(wěn)定，國(guó)產(chǎn)化之后的PCB穩(wěn)定性較差，此現(xiàn)象同樣發(fā)生在中央控制單元（簡(jiǎn)稱CCU）和智能輸入輸出終端（簡(jiǎn)稱SKS）模塊上。

（2）主輔逆變器

故障主要集中在機(jī)車上線運(yùn)用初期，后期質(zhì)量穩(wěn)定。

（3）輸入斷路器

200號(hào)之后機(jī)車的Q輔助連鎖觸點(diǎn)經(jīng)常失靈，導(dǎo)致Q閉合或斷開的反饋信號(hào)丟失，TCU收不到Q工作狀態(tài)的反饋信號(hào)，實(shí)施跳主斷路器和禁止升弓保護(hù)（圖3）。

圖3 HXD1B型機(jī)車Q斷路器故障趨勢(shì)

（4）四象限整流器

所有機(jī)車的4 QC經(jīng)過初期壽命周期之后，隨著機(jī)車運(yùn)行公里的增加，損耗故障也大幅上升，主要表現(xiàn)在4 QC的可靠性受環(huán)境溫度等因素的影響較大（圖4）。

圖4 HXD1B型機(jī)車4 QC故障統(tǒng)計(jì)

2010年西門子公司在現(xiàn)場(chǎng)采集機(jī)車運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)，包括內(nèi)外環(huán)境溫度、濕度、油水樣、水流量等數(shù)據(jù)，分析機(jī)車的運(yùn)行環(huán)境對(duì)4QC工作狀態(tài)的影響，排除了主變壓器、變流器冷卻系統(tǒng)引起的故障；分析氣候因素對(duì)機(jī)車部件的影響，也沒有發(fā)現(xiàn)問題。最后全程記錄供電網(wǎng)壓和網(wǎng)流、4 QC的電壓和電流、中間直流回路電壓、電流和功率等數(shù)據(jù)，也沒有發(fā)現(xiàn)明顯的異常（圖5）。

圖5 4QC的溫度、電流、功率和變流器的中間直流電壓

所有試驗(yàn)表明，4QC內(nèi)部的絕緣柵雙極性晶體管（簡(jiǎn)稱IGBT）擊穿故障跟網(wǎng)壓、網(wǎng)流及輸入電壓、電流沒有根本關(guān)系。在試驗(yàn)過程中，僅發(fā)現(xiàn)在所有供電區(qū)間網(wǎng)壓均存在大量的高次諧波（3.5 k HZ左右，電壓峰值＞60 k V以上）。鐵道部于2011年在武漢完成HXD機(jī)車的車網(wǎng)匹配試驗(yàn)及與HXD3、SS4系列機(jī)車間的相互干擾試驗(yàn)，證明高次諧波是由HXD機(jī)車所產(chǎn)生。

3 IGBT芯片故障分析

4 QC故障主要發(fā)生在英飛凌公司（簡(jiǎn)稱infineon）產(chǎn)品中的“KF2”型IGBT半導(dǎo)體，故障的模塊中至少有一個(gè)IGBT芯片或二極管損壞，主要集中在芯片的邊線區(qū)域損傷（圖6）。

經(jīng)過鑒別，故障芯片邊線區(qū)域內(nèi)的損傷是因?yàn)镮GBT芯片加工過程中的工序控制漏項(xiàng)，IGBT祼芯在加工過程中的人為磨損造成的機(jī)械損傷。

為了證明此現(xiàn)象是造成IGBT芯片故障的根本原因，供應(yīng)商在試驗(yàn)室通過人為擦傷芯片并封裝成品之后，在高溫、潮濕環(huán)境下模擬試驗(yàn)，模塊損壞的比例大幅增加（圖7）。

隨后英飛凌公司改進(jìn)IGBT的制造工藝，西門子公司更換55臺(tái)機(jī)車中部分有缺陷的107塊4 QC。因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)采用新工藝生產(chǎn)的IGBT也發(fā)生同樣的故障，西門子公司正在組織聯(lián)合攻關(guān)，最終計(jì)劃用infineonⅡ和ABB公司的IGBT進(jìn)行改造。

圖6 故障芯片及邊線區(qū)域內(nèi)的損傷放大圖

圖7 人為擦傷芯片后試驗(yàn)出現(xiàn)的故障圖

通過調(diào)查，300號(hào)之后機(jī)車的4 QC已經(jīng)安裝ABB公司和英飛凌公司優(yōu)化之后的IGBT。英飛凌公司優(yōu)化之后的IGBT也發(fā)生同樣的故障，ABB公司的IGBT主要安裝在主輔逆變器上，它的輸入電壓、電流和輸出負(fù)載基本恒定，配件的工作環(huán)境相對(duì)優(yōu)越，目前只有少量的IGBT安裝在4QC上試驗(yàn)，沒有經(jīng)過批量的運(yùn)用考核驗(yàn)證（圖8）。

圖8 HXD1B型300號(hào)之后機(jī)車的4QC故障趨勢(shì)

因?yàn)椴豢赡茉诙唐趦?nèi)解決并更換所有模塊，建議過渡期內(nèi)在主逆變器內(nèi)加裝硅膠干燥劑箱，降低主逆變器內(nèi)的濕度，希望能將柜體內(nèi)的濕度降低到功率模塊適應(yīng)的工作條件，以此降低模塊的故障率。

4 措施及效果

通過上述調(diào)查和分析，認(rèn)為infineonⅠ型IGBT不適合HXD1B型機(jī)車。因?yàn)? QC模塊故障跟IGBT的工作環(huán)境溫度、濕度有直接關(guān)系，建議優(yōu)化IGBT的設(shè)計(jì)和封裝工藝，擴(kuò)大ABB公司的IGBT在4 QC上的試驗(yàn)范圍，落實(shí)infineonⅡ的裝車試驗(yàn)，通過多渠道并進(jìn)的方案去驗(yàn)證產(chǎn)品的適應(yīng)性，最終選擇最佳的方案替換全部的IGBT。

利用硅膠干燥劑箱來降低變流柜內(nèi)的濕度方案治標(biāo)不治本，根本沒有辦法阻止高溫和水分的進(jìn)入，建議西門子公司盡快找出IGBT故障的根源，制定切實(shí)有效的解決辦法。

株洲西門子公司于2011－10～2012－04間改造4 QC的輸入斷路器之后，Q的故障率大幅下降，此配件的質(zhì)量基本穩(wěn)定。

因?yàn)闋恳兞髌鞴收系恼{(diào)查與處理是一漫長(zhǎng)的過程，為防止機(jī)車因此造成行車故障，通過加強(qiáng)機(jī)車的日常維護(hù)和數(shù)據(jù)的下載分析和管理；調(diào)查和分析機(jī)車上線以來的所有故障案例，制定預(yù)防措施；加強(qiáng)乘務(wù)員的專業(yè)知識(shí)培訓(xùn)，提高乘務(wù)員的操縱和故障處理能力，有效地防止了故障的進(jìn)一步惡化（圖9）。

圖9 HX D1B型機(jī)車上線運(yùn)用以來的臨修故障趨勢(shì)

5 結(jié)束語

HXD1B型電力機(jī)車牽引變流器在高溫、潮濕環(huán)境下，四象限整流器模塊的故障率大幅上升，說明IGBT的設(shè)計(jì)和適應(yīng)性存在缺陷。我們雖然采取了相應(yīng)的預(yù)防措施，防止此類故障進(jìn)一步惡化，但是因?yàn)镮GBT模塊故障沒有最終解決，它始終威脅著鐵路的運(yùn)輸安全，因此還需要大家繼續(xù)深入研究。

［1］中國(guó)南車集團(tuán)株洲電力機(jī)車有限公司.HXD1B型交流傳動(dòng)電力機(jī)車維修運(yùn)用維修手冊(cè)［R］.2009.

［2］中國(guó)南車集團(tuán)株洲電力機(jī)車有限公司.HXD1B型交流傳動(dòng)電力機(jī)車牽引變流器原理及維護(hù)說明書［R］.2009.

［3］德國(guó)西門子公司.HXD1B型電力機(jī)車IGBT模塊的故障調(diào)查與分析報(bào)告［R］.2010.

［4］德國(guó)西門子公司.HXD1B型電力機(jī)車IGBT模塊的故障調(diào)查與分析報(bào)告［R］.2011.

［5］德國(guó)西門子公司.HXD1B型電力機(jī)車IGBT模塊的故障調(diào)查與分析報(bào)告［R］.2012.