鐵路客車空調電源裝置濾波器檢修試驗研究

滕振海

(中國鐵路濟南局集團有限公司 濟南車輛段,山東 濟南 250031)

鐵路客車空調電源裝置濾波器安裝在DC 600 V空調電源裝置的輸入、輸出端,用以抑制供電線路上瞬變電壓和信號的傳導干擾,以提高電源品質,其主要衡量指標是諧波含量。鐵運〔2012〕279號《鐵道部關于印發鐵道客車DC 600 V電源裝置技術條件的通知》[1]規定了DC 600 V電源裝置中的逆變器所屬濾波器尺寸,以保證不同電源裝置制造商間的安裝接口一致。GB/T 32587—2016《旅客列車DC 600 V供電系統》[2]也規定了DC 600 V電源裝置的功能和試驗方法。以上兩個文件沒有對濾波器提出參數測試要求,均通過諧波含量限值和電磁兼容測試達到規范的目的,常用于規范新造和廠修產品。鐵路局依據TG/CL 209—2022《鐵路客車電氣裝置檢修規則》[3]和機輛動客函〔2019〕12號《鐵路客車DC 600 V電源裝置檢修技術條件》[4]進行檢修,但檢修規則和檢修技術條件略有差異,兩者廠修時均要求測試輸出電壓諧波含量(THD)一致,段修時僅《鐵路客車DC 600 V電源裝置檢修技術條件》要求對空調逆變器和單相逆變器進行THD測試。檢修技術條件的檢修內容中增加了以下規定:EMI濾波器檢修時需檢查表面無破損、熱損,標識清晰齊全;接線柱無氧化、變色、松動;各極對地絕緣電阻值不小于20 MΩ等,功能試驗時在附錄中規定THD應小于10%。

本文結合電源裝置濾波器的檢修試驗情況,梳理不同生產廠家逆變器選用的濾波器類型,從濾波器參數測量和諧波含量測試方面分析,提出濾波器檢修建議。

1 濾波器型號統計

DC 600 V電源裝置選用的EMI濾波器按電壓制式可分為兩大類:直流濾波器和交流濾波器。逆變器輸出端選用交流濾波器,逆變器輸入端控制電路選用直流濾波器。按控制電路、輸入、輸出的分類梳理不同電源廠家裝用的濾波器,統計數據見表1。

表1 不同電源廠家逆變器濾波器型號統計

分析表1可得出:不同電源廠家多數選用A公司和B公司的濾波器產品,但也有電源廠家自主制造部分規格的濾波器;不同電源廠家生產的逆變器選用的濾波器型號不盡相同,因此元器件參數存在差異。

2 試驗標準分析

除了通過諧波含量間接衡量濾波器功能,檢修時還考慮過測試其他參數。

根據產品說明書,在額定電壓、額定電流相同的情況下,不同型號的濾波器功能差異由器件阻抗(交流電壓和交流電流之比)、插入損耗(系統加入濾波器之前和之后的后端電壓的比值)、傳輸與反射系數S決定。GB/T 7343—2017[5]標準規定了濾波器各參數測量方法,同時對電源線濾波器采用信號發生器和測量接收機進行插入損耗測量。插入損耗分為差模和共模損耗,標準中測量差模插入損耗接線原理如圖1所示。

1—信號發生器;2—EMC濾波器;3—測量接收機;4—參考電位(接地平板);V0—信號發生器的開路電壓;V2—測量接收機的輸出電壓;Z0—信號發生器的輸出阻抗;Z11—濾波器輸入端一側(相鄰線路)的端接阻抗;Z12—濾波器輸出端一側(相鄰線路)的端接阻抗;Z2—測量接收機的輸入阻抗。

插入損耗測試是個略復雜的過程,因為不同廠家、不同型號濾波器阻抗不確定,因此需先采用矢量網絡分析儀測試濾波器器件阻抗,并驗證圖1測試電路布置的有效性。為避免外部輻射騷擾造成衰減誤差,測試時必須使用屏蔽、絕緣的測試箱進行測試。濾波器的共模插入損耗接線圖與圖1相近,只是將濾波器的輸入端口全部接至信號發生器輸出阻抗Z0,輸出端口全部接至負載阻抗Z2,分別測試端口對參考電位的電壓,計算輸出電壓比值。先測量沒有濾波器時,負載電阻50 Ω上的電壓V1作為0 dB的參考輸出電壓;再測量有濾波器后,負載電阻50 Ω上的輸出電壓V2;求出V2對V1的比值。

分析DC 600 V電源裝置的EMI濾波器性能差異原因:濾波器一般由X電容、Y電容和多級濾波電感(線圈和磁芯)組成,其中X電容接在相線兩端,用來消除差模信號,一般采用金屬化聚丙烯電容;Y電容接在相線與地線之間用來消除共模信號,多采用安規電容;濾波電感用來消除電流干擾,一般采用鐵氧體和納米晶磁芯。濾波器內部電路原理見圖2。

圖2 濾波器內部電路原理圖

盡管濾波器的電容標稱值和誤差等級一樣,但其實際值卻不盡相同;盡管電感繞組匝數一樣,但磁芯的磁導率誤差和工藝也很難實現在繞制和裝配時完全對稱,因此濾波器采用多次測量數據、取平均值才有意義。因試驗時間限制,一般不進行全頻段信號掃描,以1 kHz濾波為例,合格品標準為衰減60 dB,標準允許考慮測量不確定度12 dB,這樣實際產品插入損耗約72 dB。

濾波器S參數是對輸入、輸出的4線網絡進行測試,前述檢修標準均無具體數值要求,制造廠家也未提供具體參數,目前應用單位均無法測量。

根據上述分析,GB/T 7343—2017標準提供的濾波器測量方法復雜、不適用現場條件,因此為提高檢修質量,考慮通過測量濾波器輸入、輸出端電容值來大致判斷濾波器狀態。但經過測試發現,濾波器種類多,內部電容串、并聯后容值差異大,統一發布合格標準需大量基礎數據支撐,若標準或嚴或寬則導致電容浪費或檢驗工作無效。表2列出了兩個濾波器型號的測試數據。

表2 濾波器測試數據

分析表2濾波器電容值,除了逆變器輸入極-極間略大以外,其他電容值均較小,對測試準確度要求較高。

3 檢修功能試驗

在段修時諧波含量測定試驗按要求采用實際負載測試,并增加了空載試驗,以與實際負載試驗對比,便于查驗諧波含量測試結果差異。

3.1 濾波電容正常時

空載試驗輸出電壓諧波含量如圖3所示,三相線電壓UUV、UVW、UWU的THD分別為0.75%、0.74%、0.64%。

圖3 濾波電容正常時空載試驗結果

車輛滿載試驗輸出電壓諧波含量如圖4所示,三相線電壓UUV、UVW、UWU的THD分別為0.51%、0.50%、0.50%。

圖4 濾波電容正常時滿載試驗結果

綜上,濾波電容正常時,在空載和35 kVA逆變器滿載工況下試驗,各相諧波對稱性良好,滿載時比空載諧波含量略低,但都小于1%,滿足小于10%的標準。

3.2 模擬濾波電容衰減和開路

針對三相濾波電容其中一相開路和容值衰減,按照以下幾組容值組合情況,進行試驗分析:WU相串聯18 μF電容,此時容值9 μF,對比原WU相衰減50%;斷開WU相電容,模擬開路,見圖5。

圖5 濾波電容衰減和開路模擬

同樣進行空載和滿載試驗,相關數據見表3。

表3 輸出線電壓諧波試驗數據 %

表3表明:濾波電容正常時,在空載和滿載工況下,三相線電壓諧波平衡;模擬WU相濾波電容衰減或開路時,三相線電壓諧波含量雖存在不平衡現象,但差異微小;滿載時UWU電壓諧波高于另外兩相線電壓諧波(濾波電容正常時除外);諧波含量均小于1%,符合小于10%的標準。

4 結束語

綜上分析,在不同工況下濾波器或濾波電容諧波含量雖略有變化,但測試結果均符合標準的小于10%要求,使測試過程流于形式。鑒于濾波器型號眾多,諧波含量測試建議只作為段修抽查項目或在故障分析時進行,對諧波含量出現較大變化的情況應予以足夠重視并分析原因。其他參數如輸入輸出電容或標準規定的插入損耗、阻抗、S參數等測量僅適合設計研究,不應考慮增加作為檢修試驗項目。濾波器檢修時宜原型檢修,不建議隨意更換各部件規格參數,如計劃更換品牌,應選用有成熟運用業績的產品。