一體化電源TU1模塊故障分析及處理

徐　升　中國鐵路上海局集團有限公司合肥電務段

某站新上道的電源屏采用一體化信號電源系統，一般設計應用在采用三相輸入電源的車站，但由于該站采用單相輸入電源，在上道初期應用過程中發生不間斷供電TU1模塊內母線電容炸裂導致模塊故障，影響信號設備正常使用。為降低電源設備故障對行車運輸的影響，結合一體化信號電源系統原理和外電網供電情況的分析，對存在的設計缺陷進行分析、優化。

1 一體化信號電源系統工作原理

雙總線冗余一體化信號電源系統包含：系統輸入配電單元、直流不間斷供電單元（HVDC）、穩壓電源模塊及隔離單元、系統輸出配電單元、監控與通信管理單元。

雙總線冗余一體化信號電源系統供電由外電網I、II路電源經電源屏兩路市電切換裝置送至高壓直流不間斷電源（HVDC）模塊TU1，輸出DC270V的電壓，分別經雙母線獨立給后端的穩壓模塊供電，構成雙母線冗余供電方式，即使其中一組母線出現故障，由另一組母線仍給穩壓模塊供電，保證輸出不中斷。

2 問題描述

某站電源屏上道使用3個月后發生不間斷供電TU1模塊內母線電容炸裂現象（TU1模塊電路原理見圖1），其中TU1母線電容C98/C99為江海生產的470uf/450V品牌電解電容。

3 測試分析

TU1模塊內母線電容損壞一般有以下兩種情況：一是電壓應力超標；二是紋波過大。下面將分別進行測試分析。

3.1 母線電容耐壓測試

按圖2電容耐壓測試原理圖所示進行接線試驗，電阻R1-A為51Ω，電容C1為5個470uf/450V電容并聯。每次給電容充電2h，隨后電容自然放電。測試過程中電容電壓逐漸從450V上升至560V。測試結果：電容均未發生損壞，即可以排除電容損壞是由于電壓應力超標造成的。

圖2 電容耐壓測試原理圖

3.2 母線電容紋波測試

在輸入單相交流電（有效值220V）條件下，對TU1模塊輸出分別掛接阻性負載、TH2、TC1、TE1四種現場負載進行系統完整的模擬復現實驗。測試過程如下：

3.2.1 TU1模塊分別掛接阻性負載、TH2、TC1模塊測試

TU1模塊為單相輸入，后端分別帶純阻性負載、兩臺TH2、兩臺TC1模塊，逐漸增大負載，直至帶載15A，測試正母線電壓最高445V左右，最低300V左右，母線紋波較大。測試后端全橋的DS電壓最高830V左右。老化約4h，模塊工作正常，溫升約13°正常。

3.2.2 TU1模塊掛接TE1測試

TU1模塊為單相輸入，后端帶2臺TE1模塊，逐漸增加TE1負載，直到TU1帶載15A，測試正母線電壓最高458V，最低252V，母線紋波與之前測試相比，進一步惡化，紋波劇增至206V。測試后端全橋的DS電壓最高909V，TU1模塊工作約50min后損壞。

對損壞TU1模塊拆開后發現正母線電容炸裂，位置和當日現場TU1模塊一致。測試此時電容的表面溫升為40℃左右（注：TU1模塊在三相輸入下滿載測試，母線電容表面溫升為10℃）。根據3.1母線電容耐壓測試，可以看出該電解電容電壓在560V高壓的情況下未損壞，結合現場測試的母線電容應力數據（最大不超過500V），可排除高壓擊穿造成電容損壞的推斷。而母線電容溫升較高，可確定母線電容炸裂原因是由于紋波較大。

3.3 母線紋波分析

3.3.1 紋波來源與消除

首先TU1模塊拓撲結構決定正/負母線上存在固有的工頻紋波，在設計時只能通過電容容量設計以及環路設計，弱化紋波幅值，而不能完全消除。

TU1模塊單相輸入下，后端帶2.0模塊或阻性負載，當TU1負載電流較大時（如15A），紋波普遍略大。與TH1模塊,就母線容量，作簡單的橫向對比，初步斷定單相輸入下，TU1模塊母線電容容量不足（TH1-3kW模塊正負母線電容各為3個470uf/450V電解電容，TU1-10kW模塊正負母線電容各為2個470uf/450V電解電容）。此外通過環路調節優化后，無明顯效果。

從TH1和TU1后端拓撲對比，TH1的母線掛接半橋逆變，由于輸入和輸出鎖相，輸出正半周能量來源于輸入正半周。而在輸入負半周過程，正母線存在續流過程。而TU1的母線掛接移相全橋，無論輸入正半周還是負半周，正負母線同時對負載進行放電，即TU1母線容量需求大于TH1模塊。當容量不足時，表現為紋波電壓峰值偏大。具體母線電容的紋波耐受值可參見以下計算。

根據江海的此款電解電容（470uf/450V）規格書，可知該電容允許的紋波有效值為1.5A，據此可得出電容耐受電壓紋波小于90V。

對于優化方案2中的電解電容（680uf/450V），可知該電容允許的紋波有效值為1.81A，據此可得出電容耐受電壓紋波小于75V。

TU1母線采用正負母線結構，主要起儲能作用，因此對于TU1母線電容的選擇主要滿足以下要求：①發熱要求：要求電容整體的ESR較小，發熱滿足電容壽命要求。②儲能要求：要求在帶載時有足夠的支撐能力。

3.3.2 TU1掛接TE1模塊后母線紋波劇增問題分析

從3.2.1-3.2.2的測試過程中，可看出紋波幅值普遍較大，特別是3.2.2TU1帶TE1模塊時，紋波峰峰值達到206V，顯然紋波過大影響了模塊的壽命以及工作穩定性。

對于TU1掛接TE1模塊，紋波突增到206V的現象，可知TE1模塊的PFC電感電流采樣CT位于整流器前，可以準確采集工頻信號，但當TE1模塊應用于一體化系統時，其輸入為脈動直流信號，互感器電流采樣值將不能準確反映實際電流的變化，從而影響TE1模塊PFC電路電流環的電流跟隨性及環路穩定性,導致TU1模塊輸出電壓/電流出現脈沖形式的波形畸變，并最終通過高頻變壓器傳遞到TU1模塊母線，使得母線紋波增大。

針對后端TE1模塊存在的問題進行軟件優化。TU1模塊帶優化后的TE1模塊2PCS進行測試（TU1帶載15A），正母線電壓波形最高438V，最低306V，遠低于優化前的紋波206V。

3.3.3 結論

根據上述測試分析，可以得出如下結論，TU1模塊在

3.2.2 測試過程中，損壞的原因來自兩個方面：

（1）TU1模塊設計為三相輸入電源模塊，用在單相輸入電源情況下，在連接同等負載下，輸入電流更大，需要降額使用或者補充母線容量。通過后續優化，在單相輸入電壓下，降額輸出25A。

（2）TU1帶TE1模塊（優化前），TU1母線電容的峰值電壓可達到206V，此時母線電容電壓波動劇烈，同時電流不穩定使電容頻繁充放電，內部溫度升高很快。當溫升超過電容泄爆口的承受極限，造成電容發熱嚴重損壞。

4 優化改進方案

基于上述結論，解決TU1母線電容損壞，可以通過增加母線電容容量，減小等效電阻來解決。即在現有的基礎上，將TU1模塊母線電容由兩個470uf/450V電容更換為四個680uf/450V電容，并增加PFC板和PWM板的正負母線中點連接線。改造前后的現場測試數據如表1所示。

表1 優化改進測試表

結論：TU1模塊母線電容優化后母線紋波

大大減弱，與之前測試數據基本一致，輸入220V和輸入175V時，同等負載下，母線紋波基本一致，且耐受電壓紋波不超標。

由于是單相輸入，模塊需降額至25A輸出。為了提升安全富裕量，在單相輸入應用環境下，將模塊的限流點由三相時的35A降低至單相時的25A。

5 優化措施

5.1 硬件優化

在原有2個母線電容的基礎上增加連接2個同規格的母線電容。同時為了進一步提高母線電容的紋波耐受能力，將原有470uf/450V母線電容更換為680uf/450V規格，以提高模塊的工作可靠性

5.2 軟件優化

[1]中華人民共和國鐵道部.運基信號〔2005〕458號.《鐵路信號智能電源屏技術條件》（暫行）.

[2]趙祚義.信號電源屏存在的主要問題及產生原因[J].鐵道通信信號，2000年，第1期.