HXD2B型機車整流器IGBT靜態故障的分析及預防措施

趙俊賢 中國鐵路上海局集團有限公司合肥機務段

1 故障概況

2018年11月20及22日，合肥機務段HXD2B-0499機車連續2趟均出現途中主斷路器斷開后電機1自動隔離現象，乘務員在輔助DDU屏上確認隔離后維持運行。機車回段后，數據分析人員根據車載數據（微機控制系統數據）判斷故障原因為1軸整流器IGBT靜態故障，2次均是更換1軸CVE（可控整流器）模塊，但11月23日運行途中該故障再次出現。

2 故障查找分析過程

2.1 車上檢查

打開主變流柜1的左側柜門，檢查1軸主電路各相關部件及線路未見異常。微機控制系統上電，TCU1燈顯正常。

2.2 對車載數據進行初步分析

轉儲車載數據進行分析，如圖1所示，2018年11月23日20:26:03主斷路器斷開（ME_OUVDJ:MCB Open），20:26:05及20:26:17先后兩次出現TCU1記錄整流器IGBT靜態故障（DA_DFRSICE:State feedback IGBT CVE），20:26:20出現電機1隔離（DM_ISOESS1:Motor1 isolation）。

圖1 HXD2B-0499機車2018年11月24日入庫車載數據截圖

顯然，電機1隔離的原因為1軸整流器IGBT靜態故障。

2.3 結合整流器IGBT靜態故障方程進行分析

根據HXD2B型機車相關技術文檔（如圖2所示）可知，在CVE模塊停止工作后，TCU會在一定條件下檢測CVE模塊各橋臂狀態（正常呈高阻態），如果檢測到某個橋臂的上管或下管的功率元件（IGBT或二極管）短路，便會記錄整流器IGBT靜態故障。

圖2 HXD2B型機車DA_DFRSICE故障說明文檔截圖

查看車載數據中DA_DFRSICE的相關背景變量（如圖3、4所示）發現，其故障方程中的4個條件在本次故障中均得到滿足：

（1）主接觸器C1(IS)PMCF停止工作在2 s以上（見圖1，DA_DFRSICE在主路器斷開近3 s后出現）；

（2）母線電壓2 900 V以上（見圖3中背景變量crt1_inv_uf_filtre）；

圖3 DA_DFRSICE背景變量（網壓及母線電壓）截圖

（3）網壓26 000 V以上（見圖3中背景變量a_vtcatle_cve）；

（4）第1橋臂下管狀態變量為“0”（見圖4中背景變量e_ip_b1pmcf1）。

圖4 DA_DFRSICE背景變量（CVE橋臂狀態）截圖

據此認為，TCU1記錄整流器IGBT靜態故障在邏輯上是沒有問題的，TCU1確實檢測到CVE模塊第1橋臂下管出現短路情況。但1軸CVE模塊已更換2次且下車的CVE模塊裝在其他機車上也工作正常，所以完全可以排除CVE模塊本身故障的可能，故障處所應該在與1軸CVE模塊第1橋臂下管相連的電氣部件或線路上。

2.4 結合機車電路進行分析

圖5 CVE模塊b面橋臂驅動板接口原理截圖

由圖5可知，CVE模塊的b面（side b）為第1橋臂，然后在圖6所示的主電路原理圖中確定了CVE模塊第1橋臂下管的位置?？紤]到HXD2B型機車各軸主電路直流環節負端（與各橋臂下管IGBT的發射極相連）正常是接地的（見圖6），若1軸CVE模塊第1橋臂下管IGBT集電極的相連電氣部件或線路存在接地，那么相當于該IGBT的集電極與發射極通過地（車體）相連，即第1橋臂下管短路。于是拆除1軸直流環節負端接地線，使用1 000 V兆歐表測量整個1軸主電路對地絕緣，其絕緣值不到2 MΩ，再根據電路布線，拆除主變柜1內與主變壓器a11接線端相連的1軸牽引繞組輸出線，測量其對地絕緣電阻為2 MΩ左右。最終確定絕緣值低的處所為主變壓器1軸牽引繞組接線端a11，擦拭清潔其絕緣子后，再次測量其對地絕緣電阻在100 MΩ以上。機車庫內反復合、斷主斷試驗良好，機車上線運行良好。

圖6 主電路原理截圖

3 故障原因分析

主變壓器1軸牽引繞組接線端a11對地絕緣值較低（2 MΩ左右），此處直接與1軸CVE模塊第1橋臂下管IGBT集電極相連，而該IGBT的發射極（1軸直流環節負端）正常就是接地的，這就相當于在CVE模塊第1橋臂下管IGBT的集電極與發射極之間接入了一個2 MΩ左右的電阻（如圖7所示），所以在主斷路器斷開后，TCU1先后兩次檢測到CVE模塊的第1橋臂下管呈低阻態，從而記錄整流器IGBT靜態故障，系統保護性隔離第1電機。

圖7 CVE模塊第1橋臂下管接地短路示意圖

4 預防措施

（1）保障HXD2B型機車主變壓器接線端絕緣子的清潔度，防止因絕緣子表面較臟而降低接線端對地絕緣:

①機車修程時要加強主變壓器各接線端絕緣子的擦拭保潔；

②定制、加裝主變壓器各接線端專用防護絕緣帽，將接線端整個防護起來。

（2）加強HXD2B型機車主變流柜復合冷卻器漏水情況的防治，避免雨水通過復合冷卻器浸濕主變壓器接線端，從而導致其對地絕緣降低。

（3）提高HXD2B型機車車載數據分析能力，加強數據分析，充分發揮數據的故障預警作用，以降低故障漏報及故障處理不徹底的情況。

5 結束語

（1）整流器IGBT靜態故障的各橋臂狀態背景變量值表示TCU記錄的CVE模塊停機狀態下的橋臂上、下管狀態，“1”表示該管狀態良好（呈高阻態），“0”表示該管故障（呈低阻態）。各橋臂上、下管狀態由CVE模塊驅動板檢測，經硬線電路反饋給TCU，最終由TCU根據圖2所示故障方程中的條件判斷是否發生整流器IGBT靜態故障，所以CVE模塊驅動板至TCU的狀態反饋線路或供電線路存在虛接、斷路也會導致整流器IGBT靜態故障的發生。

（2）HXD2B型機車的車載數據實時記錄著機車運行中發生的各種故障、事件及當時的各種工況參數（背景變量），非常有利于故障的判斷，但在很多情況下，數據中記錄的信息并不能直接指向故障處所，只是提供了有用的線索，必須要結合故障原理、機車電路及相關理論進行綜合分析才能準確查找出故障點，所以單純依靠車載數據進行故障判斷是有很大局限性的。本文整流器IGBT靜態故障的判斷充分利用了車載數據，通過對整流器IGBT靜態故障原理及機車電路的分析，準確地找到故障處所，對HXD2B型機車相關故障的判斷具有重要的借鑒意義。