HXD1C型機車運用中主變流器故障成因分析

陳純北，楊 斌

（烏魯木齊鐵路局 哈密機務段，新疆哈密839001）

HXD1C型機車運用中主變流器故障成因分析

陳純北，楊 斌

（烏魯木齊鐵路局 哈密機務段，新疆哈密839001）

HXD1C型機車運用中發(fā)生主變流器TCU內的故障有多種因素引起。有機車設計結構性缺陷，有機車運用地理性環(huán)境溫度與電子設備工作溫度的雙重影響，有機車長時間連續(xù)工作在高負荷區(qū)引起的超載超溫的影響，也有機車網絡通信障礙，有人為操作處置失當?shù)纫蛩兀F(xiàn)對此類不良因素進行了揭示，并提出了相應的改進與預防措施。

主變流器；機車運用；電容器爆裂；電容器膨脹漏液；通信故障

哈密機務段處在蘭新線的末端，自2013年年初部分更換HXD1C型電力機車為牽引動力以來，相應較高地提升了列車的通過能力與列車牽引定數(shù)，即在原圖定的基礎上提高了列車運行對數(shù)，并由原上、下行牽引4 000 t/3 200 t提高到現(xiàn)時的上下行5 000 t。在運輸效益提高的同時也反映出內燃機車轉電力機車中的運用適用性問題（包括運用人員操作技能的發(fā)揮），該類機車運用故障多數(shù)情況下發(fā)生在機車主變流器（簡稱TCU：Traction Control Unit）電子控制模塊裝置（TCU屬該型機車兩大控制系統(tǒng)之一牽引控制系統(tǒng)）中，會引起機車終止牽引導致區(qū)間被救援，所耽擱堵塞正線時間，有時多達3 h左右，短則50 min左右，極大地影響到機車運用效率與運輸效益。在此有機車設計結構性缺陷，有機車運用地理性環(huán)境溫度與電子設備工作溫度雙重影響，有機車長時間連續(xù)工作在高負荷區(qū)引起的超載、超溫的影響，也有司乘人員操縱處置失當?shù)阮愐蛩亍榭偨Y這方面的經驗，筆者將本單位運用該型機車以來突出發(fā)生在TCU方面的運用故障總結出來，為該類型機車運用、設計制造方提供點滴運用經驗，避免發(fā)生類似的故障或提供發(fā)生類似故障下解決的辦法，并有針對性地提出機車設計、制造質量上的一些建議。

1 發(fā)生的問題

原烏魯木齊機務段哈密運用車間2013年7月1日后改為哈密機務段（以下稱本單位），自2013年3月開始HXD1C型機車試運用，5月份以后，投入的該型機車運用臺數(shù)逐漸增加。到目前為止，干線上主要以HXD1C型機車牽引為主，運用該型機車達100多臺（不包括相鄰鐵路局跨境運用機車）。該型機車中發(fā)生的運用故障問題引起的機車途停、列車終止運行被救援，主要以TCU內電子設備故障與通信失控居首位。統(tǒng)計自2013年5月至9月經本單位運用的HXD1C型機車所發(fā)生在TCU內的故障列述如下（見表1）。

表1 2013年5月至9月HXD1C型機車發(fā)生在TCU內運用故障統(tǒng)計［1-2］

2 分 析

HXD1C型電力機車的TCU，它實質為多電子元件功能模塊組合體，由完全相同的兩組TCU（TCU1、TCU2）電子控制設備模塊所組成。通過它們分別控制著機車前后轉向架的3臺牽引電動機的牽引與電制動功能的轉換。此電子元件功能模塊組合體由線路接觸器和預充電單元、四象限整流器、中間直流回路（包含支撐電容和接地檢測單元）和外部諧振電抗器一體構成的諧振電路、保護模塊單元、脈寬調制逆變器（牽引和輔助驅動）、控制和監(jiān)視系統(tǒng)［3］。為了便于說明與分析該設備所存在的運用性故障，特將該型電力機車的TCU中一臺牽引電動機的控制關系圖［4］列述出來（見圖1），圖中虛線方框部分為機車TCU控制裝置。

圖1 HXD1C型機車TCU對1臺牽引電動機的控制關系

在機車運用中屬該組合體內的電子元件模塊發(fā)生故障時，微機屏幕顯示（下稱微機屏顯）均會泛泛地提示為主變流器TCU1（或主變流器TCU2）故障。因此在該型機車運用中若不能熟練地掌握認識微機屏顯提示，會給該型機車運用帶來諸多不便，甚至在發(fā)生機車運用故障或行車事故時，給予司乘人員判斷處置故障的時間僅2～3 min。否則，就會發(fā)生機車途停事件（或行車事故），特別是處在特殊區(qū)段的長大上坡道上，電力供電線路的分相區(qū)，或特殊天氣下有困難阻止發(fā)生障礙區(qū)段（簡稱困阻區(qū)段），時有發(fā)生終止機車牽引請求救援堵塞正線的行車事故。如發(fā)生在HXD1C型9664（本鐵路局防止重號，本機車出廠號為0664號）機車因主變流器TCU柜內模塊爆炸就造成途停堵塞蘭新正線108 min（見圖2）。因此筆者將此類故障收集分析總結如下，便于掌握，避免再發(fā)生類似的機車運用故障。該方面的故障可分為TCU硬件設備故障，通信類（包括軟件）故障，人為操縱處置失當故障。一般而言，硬件設備故障指TCU內諧振電子設備故障，通信類故障指輔助性（網絡線路）故障，在機車運用中其故障均發(fā)生在控制軟件內，但其故障現(xiàn)象均出現(xiàn)在電子設備的硬件上。發(fā)生該類故障后，其外部故障現(xiàn)象均會觸使主斷路器跳閘引起主電路起保護作用。

圖2 HXD1C型0664機車主變流器TCU2故障堵塞正線被救援時的微機屏顯圖

2.1 TCU硬件故障

TCU硬件故障主要發(fā)生在四象限整流器內支撐電容、二次諧振電路的中間回路與相應電路吸收電容的損壞。即這類電容器的“炸裂”（外部殼體爆炸，具有相當大的爆炸聲，發(fā)生在電器間司機室均能聽到）與電容器內化學物質激化漏液（即電容器體膨脹，泄漏）。該類故障在微機屏顯上有報警顯示TCU1（或TCU2）故障。僅能泛泛顯示，不能具體提示故障屬TCU內那只功能模塊（或那類部件）存在故障點，這就需要司乘人員根據(jù)屏顯故障提示去分析查找處置。

（1）電容器爆裂

機車運用中曾發(fā)生上述電路內電容器的“爆裂”，如發(fā)生在HXD1C型6221機車支撐電容爆裂后，導致模塊等電子設備受侵蝕而損壞，散落在主變流柜體下方的碎塊、片與碎渣及電線路的燒損（見圖3）。該類故障一般屬該電路中的端電壓（指電涌電壓，或指整流電路諧振峰值電壓）過高，超過了該類電容耐電壓的冗余量（即為電路負載量額定電壓的2～3倍［5］），而使其不能承受過高的耐電壓而發(fā)生損壞，其故障現(xiàn)象為“電容器殼體爆炸”。

該類電子設備的損壞主要屬設計結構性缺陷（在于抵御不了供電網壓變化與幾何級的諧振峰值電壓瞬時值增高）。體現(xiàn)在該類電容耐峰值電壓冗余量不足，因此類電容接在開關頻率較高（≤250 Hz）的IGBT電路端電壓的電感電路中，其相應電路的峰值電壓又隨外加電源（網壓）電壓的升高而上升。標準計算網壓為25 k V時的機車變壓器輸出到TCU端電壓為970 V左右，根據(jù)《鐵路技術管理規(guī)程》有關規(guī)定最高網壓≤27.5 k V（現(xiàn)場網壓峰值調壓≤31 k V［6］），若在此兩種峰值電壓下，其TCU端電壓將遠大于970 V（即約為1 067～1 202 V），其峰值電壓約為（1 067～1 202 V）×（即約為1 504～1 695 V）。若按該電路開關頻率引起的感應電動勢疊加增值到2～3倍。由電子學電感電路疊加可知，現(xiàn)時用在此處電路的電容額定電壓基數(shù)就顯得過小（一般設計是按此電路額定電壓的2倍計算），這是該處的電子設備運用冗余量不足引起易損的主要因素。

圖3 TCU柜內支撐電容器“爆裂”后柜下散落的碎渣塊與燒損電線路

（2）電容器膨脹泄漏

機車運用中發(fā)生在上述電路中電容器膨脹泄漏引起的主回路接地，一般情況屬該類電容容量不足引起的（見圖4二次諧振中間電容［7］膨脹），就屬此類故障情況。即在機車運行于連續(xù)負載的大電流工作環(huán)境下，在較高IGBT開關頻率變換下，電路電流會呈現(xiàn)幾何數(shù)級增大，在電容吸收時因冗余量不足而損壞（“鼓包涌液”），造成機車主回路接地。除此之外，這類電子設備故障還與機車運行線路縱斷面及其相關因素有關，即在列車牽引定數(shù)下運行在連續(xù)長大上坡道時，機車持續(xù)在高負荷工況下運行。導致機車功率輸出長時間處于高負荷工況區(qū)，電子設備工作的電氣釋放熱量加上夏季戈壁灘的高溫（運用機車便攜式紅外線軸溫測溫槍打到地表上達50℃及以上），而此類電子模塊柜箱的外溫也達50℃及以上，內部無法開啟估計也在50℃及以上（柜內裝設有風扇通風冷卻）。不利的工作工況與地理性環(huán)境溫度與工作環(huán)境溫度過高雙重因素的影響，也是促使此類電子設備超負荷損壞因素之一（注圖4中C7中間電容殼體中間已膨脹，正常殼體應是平板狀）。

圖4 二次諧振中間電容器膨脹

2.2 通信類故障

該型機車運用中網絡通信故障為泛泛而言，僅就TCU系統(tǒng)而言就較為廣泛，如表1內所述，機車在運用中所發(fā)生的通信類故障主要分為兩類，一是該電路的電子元器件發(fā)生質地性故障使其無信號輸出，二是通信輔助電路發(fā)生導入性錯誤，即網絡通信電路接觸不良，如信號電路插件松脫、插頭接觸不良與插頭有媒介物（如水質性導電物質短路等），接觸器輔助連鎖接觸不良；或非程序性信號誤介入，即電子元件柜屏蔽不良引起的電磁性干擾，與人為操作中失當，導致的微機控制系統(tǒng)失效、失控等類故障。

2.3 人為操縱處置失衡

機車司乘人員不能根據(jù)具體機車運行在線路上的列車牽引狀態(tài)適時調整機車功率輸出（即進級與退級，或稱給流與退流，現(xiàn)時司機基本上均采用機車自動調整限制駕駛，但此系統(tǒng)在特殊區(qū)段駕駛也是有缺陷的，筆者另文再敘）。即適時根據(jù)線路縱斷面調整機車牽引力的輸出，來緩和機車負載情況，使機車負載在部分時段內減負載，達到合理調配運用，避免機車TCU長時間工作在持續(xù)高負載下遭到過激性損壞，也是機車運用中不足之一。

同時，在機車運用中發(fā)生TCU內故障時，應認真觀察微機屏顯故障提示，做到心中有數(shù)，避免盲目處置帶來的電子設備或部件的損壞。如TCU內逆變器發(fā)生故障引起的牽引封鎖，與單臺牽引電動機有關，這時僅需將該臺相應故障的牽引供電電路甩掉即可，用其他5臺牽引電動機能繼續(xù)機車有效運行，而有的司乘人員在處置中，將整臺轉向架的3臺牽引電動機甩掉，導致機車牽引力不足而被迫實施區(qū)間救援。更有甚者，盲目地反復使用機車上的多項微機控制系統(tǒng)復位方式（故障操作規(guī)定一次性復位次數(shù)僅為3次），造成機車電子部件的損壞。微機控制系統(tǒng)“復位”只是針對該系統(tǒng)控制發(fā)生紊亂與負荷過載引起保護裝置起作用后，或網絡通信出現(xiàn)瞬時性障礙，和人為操作中輸入錯誤信號等類故障，采取此處置方式“復位”時才有效。在實施微機控制的故障處置中，對于硬件設備損壞使用其“復位”方式是無效的。

2.4 線路縱斷面與機車運用環(huán)境影響

線路縱斷面使機車持續(xù)長時間處在高負荷的工況下，如上所述，電子元器件工作在地理性環(huán)境溫度與工作溫度雙重高溫下帶來的積熱，加之散熱不良，也是造成TCU內電子元器件發(fā)生運用性故障與損壞的重要原因之一。如本單位運用在蘭新干線上的西段，即哈密至烏魯木齊區(qū)段內就未發(fā)生有TCU內電容器爆裂和膨脹泄漏的故障，因該牽引區(qū)段內的絕大多數(shù)屬緩和線路地段（指既有上坡道，也有下坡道或平道的線路地段），機車無需在持續(xù)高負荷下運行，而此牽引區(qū)段的了墩、鄯善至吐魯番200 km多，在夏季還有稱之為戈壁灘火爐的運行區(qū)段。而同樣處在蘭新線上的東段哈密至柳園區(qū)段就時有發(fā)生TCU內電容器爆裂和膨脹泄漏。究其原因，在此區(qū)段內的煙墩至紅柳河段為135 km的12.5‰連續(xù)長大上坡道（2013年6月份始降坡為6‰），但機車牽引負荷率基本不變（牽引定數(shù)由原4 500 t增為5 000 t，并由原雙機牽引改為單機牽引）。而且此類故障均發(fā)生在此長大上坡道的盡頭端（即景峽至紅柳河）站間，這就說明，在機車持續(xù)極限發(fā)揮負荷時，易發(fā)生TCU內電容器爆裂和膨脹泄漏及影響到其他電子設備模塊損壞，由此也可證明此類設備冗余量不足。

3 措 施

據(jù)上文對該型機車的運用故障分析，就TCU內電子模塊裝置而言，TCU內電子設備的損壞有很多類因素。從機車現(xiàn)場運用而言，首先應在源頭對該類機車運用故障進行相應性增改，即增大TCU內的電子元器件（電容）承載冗余量，來增強該設備的抗御性；改進電路接點松緩引起通信掉碼；提升司乘人員的機車操縱技能，以適應列車牽引定數(shù)對機車牽引性能的要求。

3.1 改進設備結構性缺陷

針對TCU內電子設備的設計結構性缺陷，主要為電源供電網壓在高壓區(qū)間浮動變化（25～31 k V）與IGBT高頻開關的雙重作用下，帶來的感應電動勢疊加引起感應電壓的超高（四象限整流電路與半波/全波整流電路是有區(qū)別的，前者要遠大于后者）。因此，按電子學原理應將相應的諧振電路的支撐電容與二次諧振電路中的中間電容器耐端電壓值提高，應由現(xiàn)時TCU電路端電壓（970 V）2倍值提高到3～5倍，以適應此電路中內感應電動勢諧振峰值電壓。在此也應加大此類電路中電容容量，應為實際電路容量的3～5倍，即在此現(xiàn)有支撐電容組內和二次諧振電路的中間電容組內分別并聯(lián)相應電容來增加其電路冗余量（見圖5（a）、（b）內虛線框），和改換現(xiàn)有中間直流回路短路放電模塊電路中的電容值（見圖5（c）內左側虛線框），按電路最大容量的3倍以上增大其冗余量值。與此同時也應改善TCU柜內電子元器件的散熱條件來降低電子設備工作溫度的影響，和增大電子器件柜內的通風散熱能力，使其電氣發(fā)熱量得到相應降低，保證電子元器件工作溫度在正常范圍內。

圖5 改增后的并聯(lián)電容增容電路

現(xiàn)時針對TCU內“電容器膨脹泄漏”，引起機車運用途中發(fā)生主回路接地，導致機車區(qū)間救援的突出問題。經本單位與廠家共同研究，對裝在機車中的電容冗余量不足問題進行了增容性更換。并制定下發(fā)了《HXD1C型機車牽引變流器中間直流回路二次諧振電容改造工作安排》。自2013年6月28日起，到9月底已更換79只主變流柜的474個電容器，剩余機車變流柜的電容器有待后續(xù)更換［2］。

3.2 改善機車網絡通信

機車運用中發(fā)生在上述電路中的通信類故障分為兩類，從本單位機車運用的實際情況而言，屬上述第1類故障主要是內在性程序設計問題，屬第2類故障主要為外在性聯(lián)絡與防護問題，在此類故障中的人為操作失當，主要為發(fā)生故障后的操作處置不當。應著重改善機車網絡通信線路中接點的接觸可靠性。

針對發(fā)生的多起微機系統(tǒng)通信接口板故障與該型機車在烏魯木齊鐵路局高溫環(huán)境下運用存在的質量隱患，通過該型機車設計制造單位的研究攻關，制定了相應解決方案，即對機車通信接口板進行了改造，按照【株洲南車時代電氣股份有限公司GZ2012150號】現(xiàn)場改造通知文件，自2013年7月8日起，對機車通信接口板進行改造，目前已完成改造107臺機車［2］。

針對輔助變流器K1接觸器的輔助連鎖存在的質量問題，按照【株機段改通GZ2013072號】現(xiàn)場改造通知文件，自2013年7月24日起，對輔助變流器K1接觸器的輔助連鎖進行改造，目前已完成改造82臺機車［2］。除此之外，需提升運用人員（包括機車維護人員）的技能作業(yè)與操作水準。

3.3 提升司乘人員操作技能

機車運行中司乘人員應考慮列車編組，特別是熟悉機車運用性能與線路縱斷面，合理運用好機車牽引性能，根據(jù)線路縱斷面帶來不同的機車負荷，合理運用操縱好機車，盡可能避免機車持續(xù)長時間的在高負荷下運行，引起機車的局部超載影響電子設備（部件）的正常發(fā)揮而引起故障。當機車發(fā)生故障時，應按機車處置故障的作業(yè)程序要求進行，不得盲從、盲目處置。對機車運行中發(fā)生在TCU系統(tǒng)的故障，如模塊“爆裂”、電容器爆裂、泄漏，引起的主回路接地、過流的預防，在機車連續(xù)負荷電壓超高與電流過大和設備工作環(huán)境溫度超標時，可通過精心地對機車操縱與維護來進行彌補。如在長大連續(xù)上坡道的線路緩和地段（如站內通過）可適當降低手柄位退流（保持機車運行勻速即可），來緩和機車TCU連續(xù)的高負荷性，從而減緩TCU內的電子元器件持續(xù)負荷率來避免設備損壞。

4 結束語

HXD1C型機車在本單位僅開始運用，機車結構性缺陷，維護不到位，運用中的操作處置失當和操作技能低下所反映的機車運用性問題。特別屬機車電子控制設備的故障均有其不可視性，機車操縱臺微機屏顯的故障提示僅能泛泛所指，處置機車運用故障往往存在很大的盲從性，為改善該類型機車的運用牽引性能，更適應于現(xiàn)場運用，在改進設備結構性缺陷的同時，相應應加大機車運用人員的培訓力度，保證機車整備、維護到位，結合司乘人員精心操縱，確保機車的正確運用與操縱，來提高機車的運用效率與鐵路運輸效益。機車運用故障一般多屬綜合性因素引起的，單一性地發(fā)生在某設備引起的機車運用性故障概率較低，機車運用是造、修、用結合的產物，只有在較高的機車結構運用性能、強度基礎作保證，再加之良好的機車維護與正確精心的機車運用操縱，設備某項結構性缺陷在精心的機車運用中也是能得到相應克服和彌補的。希望本文對電力機車運用有所啟迪。本文在撰寫中得到了烏魯木齊、哈密機務段技術科呂建光、董宇鵬工程師的熱忱幫助，在此表示衷心的感謝！

［1］ 烏魯木齊機務段、哈密機務段.機調－10機車事故關系報告［R］.2013.

［2］ 烏魯木齊機務段.和諧（HXD1C）型機車質量周報［R］.2013.

［3］ 大功率交流傳動7 200 k W 6軸貨運電力機車電氣原理圖［R］.南車株電有限公司，2009.

［4］ HXD1C型電力機車司機手冊［R］.南車株電有限公司，2012.

［5］ 王居榮.電子技術［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2004.

［6］ 張曙光.HXD1型電力機車［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

Analysis of Main Inverter Failure Causes in Type HXD1C Locomotive

CHEN Chunbei，YANG Bin
（Hami Locomotive Depot，Urumqi Railway Bureau，Hami 839001 Xinjiang，China）

Fault of the main converter TCU in the HXD1C locomotives have been caused by N elements，including structural defects of locomotive design，double effects of locomotive geographic environment temperature and electronic equipment working environment temperature，effects of overload and high temperature caused by longtime working under high load situation，communication fault of train network，operation fault of operators and so on.This paper reveals such adverse factors，and proposes the corresponding improvement and prevention measures.

main converter；locomotive；capacitor fried shell；bulging capacitor surge fluid；communication fault

U266.1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.26

1008－7842（2014）03－0103－05

4—）男，高級技師（

2013－11－17）