某型動車組中間直流母線過壓故障分析

王學通 葛濱

【摘 ?要】某型動車組運行途中報出“中間直流母線過壓”故障，導致全列牽引被自動切除，影響該動車組的正常運行。通過下載并解析列車故障時刻數據記錄，發現故障時刻列車正處于分相區，結合動車組牽引系統原理及過分相中間直流母線電壓保持策略對故障原因進行分析，最終發現此故障是由于列車在過分相時牽引逆變器初始制動轉矩較大，因為牽引逆變器制動提供的功率大于輔助系統消耗的功率，從而導致中間直流母線過壓。通過調整牽引逆變器軟件控制參數的初始制動轉矩和加載斜率使得軟件進行有效優化，對軟件優化后數據進行分析發現優化效果明顯，說明此次優化可為同類產品設計及故障分析提供一定借鑒和參考。

【關鍵詞】動車組;過分相;牽引系統;直流母線

引言：

現階段我國電氣化鐵路采用單相交流供電的供電方式。為盡可能平衡電力系統的三相負荷，接觸網通常采用分段換相供電，即每隔一段設置一段供電絕緣區，通常該區段為20-30公里，這段供電絕緣區被稱為分相區。高壓接觸網在分相區兩側供電，而分相區內電壓值為0。動車組通常采用自動過分相，即控制單元接在接收到過分相信號后，控制單元對牽引四象限整流器的脈沖進行封鎖。在分相區為保證乘客的舒適度，此時列車輔助設備（照明、空調、冷卻裝置等）需要持續工作，此時牽引逆變器需要切換到制動模式，以維持中間直流母線電壓為輔助系統供電。

某型動車組載客運行途中，02、04、05車同時報出“中間直流母線過壓”故障，故障車廂牽引變流器被自動切斷。最后，因07車牽引變流器不足以維持全列輔助系統的正常運行，導致07車牽引變流器也被自動切除，最終造成整列牽引全部丟失。根據車載故障數據分析，故障發生在動車組過分相時刻，故障原因為牽引逆變器的輸出功率大于輔助變流器消耗的功率，從而導致中間直流母線過壓。本文通過結合牽引系統和過分相時的中壓保持策略，結合車載故障數據的分析研究，優化過分相時的中壓保持策略，以解決同類型產品的故障。

1 牽引系統及中壓保持策略概述

1.1牽引系統概述

動車組牽引系統拓撲圖如圖1.1所示。受電弓首先通過接觸網獲得25kV高壓電能，接著牽引變壓器將25kV高壓電能降壓后供給四象限整流器，四象限整流器將牽引變壓器二次側單相交流電轉變成系統要求的3600V直流電，通過四象限控制算法使牽引變流器網側功率因數接近1。中間直流回路主要起到儲能和穩定中間直流電壓的作用，將中間直流母線電壓保持在3600V左右并保證能量傳遞時的瞬時功率平衡。中間直流母線回路的3600V直流電一路經過牽引逆變器的變換，向牽引電動機提供電壓、頻率可調的三相交流電源，實現動車組的牽引、制動等功能;另一路經輔助變流器換成三相380 V/50 Hz 正弦交流電壓提供給各類輔助負載[1]。

當列車處于牽引工況下，牽引逆變器處于逆變狀態，能量從中間直流環節流向牽引電機，牽引電機此時為電動機狀態;當列車處于再生制動工況時，此時牽引電機為發電機狀態，牽引逆變器通過整流將牽引電機制動產生的能量回饋至中間直流母線，再經過四象限逆變反饋至接觸網[2]。

1.2中壓保持策略概述

當動車組進入分相區時，主斷路器自動斷開，接觸網不再為牽引系統的供電，此時四象限整流器停止工作。為保證分相區內車載空調、照明、冷卻裝置等輔助設備能夠正常工作，采用中壓保持策略使牽引變流器工作在中間直流電壓保持模式。中間直流電壓保持模式下牽引變流器不再受控于列車控制級發送的牽引或制動指令，僅根據輔助供電系統的功率需求，由變流器控制單元控制中間直流電壓保持穩定，利用再生制動反饋的能量保證輔助變流器及必要負載設備持續正常工作，進入輔助供電模式[3]。

進入輔助供電模式后，為保持中間直流電壓的平穩，此時牽引系統從牽引狀態轉變為制動狀態。中壓保持策略主要包括初始制動和中間直流電壓閉環控制兩個過程。當檢測到過分相開始信號后，在四象限還未停機之前，牽引逆變器進入初始制動狀態為輔助系統提供電壓，此時為初始制動過程;在四象限停機之后，牽引逆變器進入中間直流電壓閉環控制。

2 故障數據分析

2.1 車載故障數據

故障時刻車載數據如表1所示。其中過分相預信號為高電平，主斷路器狀態同時顯示高電平，可以分析出故障時刻列車處于接收到過分相預信號，主斷斷開之前的工況。開始時四象限狀態為1代表四象限還在工作時，牽引逆變器處于根據輔助功率進行初始制動的過程，初始制動階段中間電壓穩定的維持在3340V 左右;當四象限狀態由1變為0時表示牽引四象限停機，此時中間直流母線電壓從3507V升至4000V以上，超出中間直流母線一級保護閾值3950 V，報出中間直流母線故障。可以看出中間直流母線過壓故障發生在初始制動過程和中間直流電壓閉環控制切換的過程中。

由式（2）和式（3）計算結果可以看出，牽引逆變器提供的功率大于輔助消耗的功率。

過分相時初始轉矩設為200 N·m是按照輔助滿載工況（220 kVA，功率因數為0.85）設置的。式（2）的計算結果與軟件設置預期結果一致，但實際車上輔助負載偏小。從式（3）的計算結果看，當時的輔助功率為80.52 kW，接近半載。中間直流母線過壓的原因是由于在過分相時牽引逆變器初始制動最小轉矩設置偏高，導致牽引逆變器提供的功率大于輔助消耗的功率，從而導致中間直流母線過壓。04 車和05 車故障數據和分析計算結果與02 車類似，此處不再贅述。

3 故障處置措施及效果

3.1 故障處置措施

優化牽引逆變器控制軟件，將200 km/h 以下過分相初始轉矩最小值由-200 N·m降低為-10 N·m，同時將過分相時牽引逆變器的加載斜率由3 000 N·m/s 改為4 000 N·m/s。

3.2 故障處置效果

根據軟件優化前后動車組的車載故障數據，整理和統計出過分相時直流母線過壓故障次數。在軟件優化前全國動車組各車型共發生列車過分相工況下直流母線過壓故障10 次，軟件優化后運行一季度，再無此類故障發生，說明軟件優化明顯，解決措施有效。

4 結語

牽引系統過分相時的初始制動轉矩是按照輔助系統滿載工況[4]（200 kVA）考慮的設定的，而實際運行時，輔助系統并總是非滿載工作。由于軟件初始制動轉矩設置偏大，導致動車組過分相時牽引逆變器發揮的功率大于輔助系統消耗的功率，最終造成中間直流母線過壓故障報出。通過調整軟件初始制動轉矩和加載斜率，解決了動車組過分相時直流母線過壓故障，大大提高了動車組運行的可靠性和穩定性，為同類產品設計及故障分析提供一定借鑒和參考。

參考文獻：

[1]管俊青，王雷，牛勇. 牽引功率單元IGBT保護電路優化設計[J]. 機車電傳動，2017，000（004）：20-22.

[2]馮曉云. 電力牽引交流傳動及其控制系統[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]蔣威. 動車組變流器中間直流電壓保持控制策略研究[J]. 機車電傳動，2019，267（02）：35-40.

[4]LIU Jing. Analysis on the load management of medium voltagePower supply system of Chinese StandardEMUsCR400BF [C]// The 3rd international conference on electrical and information technologiesfor rail transportation.[S.l.：s.n.]，2017：88-94.