HXD2B电力机车电气系统的故障判断与处理

HXD2B电力机车电气系统的故障判断与处理

王玉梅

徐州机务段江苏徐州221140

摘要：本文总结了如何通过分析机车数据来判断HXD2B型机车牵引电机隔离故障的原因，并给出了隔离故障的处理方法。

关键词：HXD2B型机车；牵引电机；隔离；处理。

1.问题的提出

HXD2B型交流传动货运电力机车是中国铁路干线货运主型机车之一。该型机车由中国北车集团大同机车有限责任公司与法国阿尔斯通公司联合研发，其设计以阿尔斯通PRIMA6000机车为原型车，采用CO-CO轴式、中间走廊、整体独立通风系统，分布式微机控制系统IGBT功率模块变流器，异步牵引电动机，牵引电机采用滚动轴抱式悬挂装置，牵引装置采用独立轴控方式，单轴功率为1600KM，总功率为9600KM，最大运行时速达到120km/h。该机车主要针对铁路重载运输而设计，可实现单机牵引5000-6000t货物列车。具有恒功范围宽、轴功率大、功率因数高、谐波干扰小、维护率和全寿命运营成本低、运营安全可靠、适用范围广等优点。

徐州机务段目前有40台HXD2B型机车，主要承担着徐州至连云港之间的货运交路。在日常的运用中，牵引电机隔离故障，对机车的正常运行有一定的影响。因此，对牵引电机隔离故障的原因进行分、总结，有着重大的意义。及时、准确的对产生的故障进行判断和处理，更是保证机车的正常运行的必要措施。

2.机车电气系统原理

2.1主电路及结构

HXD2B型电力机车的牵引电传动系统主要是由网侧电路、主变压器、牵引变流器和牵引电机组成。整个系统采用单轴独立控制方式，通过交—直—交变流技术对牵引电机进行牵引和再生制动控制，采用FIP网络与机车其他设备进行通信。

全车共有6套相同的变流器电路装置，每套牵引变流器装置包括一个四象限整流电路、一个中间电路（预充电电路、二次滤波电路、电压抑制电路、接地电路、安全放电电路）和一个三相逆变输出电路，在电路中接有多个电压和电流传感器，对各种信息进行采集，传输给TCU、MPU、RIOM，经过它们之间计算处理，做出各种正确的决定，为相关的控制和保护电路提供实时信号，主变流器原理如下图2-1所示：

2-1主变流器原理图

主变压器牵引绕组输出了2100V的交流电压，通过整流器输出3775V的直流电，在整流器之后加有支撑电容，支撑电容除了在预充电电路中的作用外，还主要起到吸收中间电路纹波的作用，使得四象限整流器与逆变器之间实现平衡。

在四象限整流器整流后，输出的直流电还带有部分谐波，这对后面的三相逆变器不利，所以再次通过二次滤波器将其滤除。二次滤波器由LC串联谐振电路组成，并联于中间直流电路。

三相逆变电路，用于将中间电路的DC3775V电压通过调制控制，变换为电压和频率可变的三相交流电输出，为牵引电机提供三相交流电源，实现三相异步牵引电机的速度特性控制。

2.2辅助电路

辅助电源取自2轴、3轴、4轴、5轴共四条牵引变流器装置的中间直流电路，进入对应的辅助变流器SCV1、SCV2、SCV3、SCV4，经过辅助变流器转变成380V的交流电源，这些辅助变流器分别有对应的控制单元(ACU1、ACU2、ACU3、ACU4)控制。

辅助变流器主要由输入电路、中间电路和输出电路组成，如下图2-2所示。其中输入电路主要由输入熔断器、电压传感器等组成；中间电路主要由三相逆变器及输出电流互感器组成；输出电路主要由三相隔离变压器、滤波器及电流互感器、输出接触器和故障切换接触器等组成。

2-2辅助变流器原理图

辅助变流器SCV2、SCV4转换出的电源为变压变频型（VVVF）；SCV1、SCV3转换出的电源为定压定频型（CVCF）。

3.典型的牵引电机隔离故障判断及处理

在日常的运用中，牵引电机隔离是发生的最为频繁的故障，对机车的正常运行有一定的影响。因此，我们对机车产生故障的原因进行分析，对产生的故障点进行判断和处理，并加以总结，保证机车的质量。

下面对几种典型的牵引电机的隔离故障进行详细的分析。

3.1牵引电机接线盒进水

2015年11月9日，2B-43机车运行中出现牵引电机隔离，机车回段后，下载机车运行数据进行分析，显示故障代码如下：DA_RETSOND:InverterIGBT(static)，即逆变器IGBT静态；DM_ISOESS：Motor5isolation，电机5隔离。

IGBT是整流和逆变模块中的基本元件，IGBT其实就是一个开关，非通即断，靠栅源极的电压来控制通断状态，加正压时IGBT导通，加负压或者不加电压时IGBT关断。此处逆变器IGBT静态指的是逆变器中的IGBT元件短路，可通过查看故障代码的参数来判断故障，故障语句中各参数含义如下表3-1所示：

表3-1IGBT参数说明

此处故障语句中的参数值为：e_ip_h1ond=1、e_ip_b1ond=0、e_ip_h2ond=1、e_ip_b2ond=0、e_ip_h3ond=1、e_ip_b3ond=0,即逆变器三个桥臂在工作中都有一个不运行，考虑到OND模块与OND-H同时故障的可能性不大。

上车对故障进行排查，在排查的过程中打开牵引电机的接线盒时，发现第5牵引电机的接线盒中进水，擦干积水并晾干后，恢复接线盒盖，做试验电机未隔离，下载数据分析后数据良好，于是我们断定此故障是电机受潮所致。在阴雨天气里经常出现此类的电机隔离故障，经过大量的数据分析、故障处理总结，验证了此判定的正确性。

电机受潮一般是由于机车机械间内漏雨，水顺着牵引电机大线流入电机接线盒内造成的，对于此类故障的出来方法是：打开牵引电机接线盒，擦干积水并晾干，恢复接线盒盖，修复机械间内漏雨处。

3.2模块故障

主变流器中的模块有TCU、整流模块（CVE）和逆变模块（OND/OND-H），这些模块都经常出现故障.

（1）OND-H模块故障

2016年1月3日，机车2B-36牵引电机1隔离后，下载机车数据分析，显示故障代码如下：DA_DFUHR:DCLinkovervoltage即直流链路过压,DM_ISOESS1：Motor1isolation，电机1隔离。该故障表明主变1的母线过电压（UF>2200V），导致电机1隔离。

由图2-2主变流器原理图，我们可以知道，在主电路的直流电路中有一个中间电压传感器CA(U)OND,用于主电路的电压监测。此处直流链路过压就是依据此电压传感器的所测电压值。根据该故障语句的参数可以看出：轴1的总线电压为：a_uond1>3200，与其他轴相比较轴1的总线电压确实偏高。

通过学习牵引变流器可知，在牵引变流器的直流电路中，有一个电压抑制电路用以保护功率模块，该电路由IGBT元件和过压抑制电阻R-H等组成，该电路根据中间电路电压的波动和过压情况控制IGBT元件的通断，将过电压能量通过过压抑制电阻消耗掉，从而将中间直流电压抑制在规定范围内。

因此，对于此故障的处理方法是：首先上车对主变柜1中的各模块进行外观、接线的检查；若外观良好，交换TCU，若故障转移，则可以确定是TCU故障引起的电机隔离；若故障不转移，则首先怀疑OND-H模块，交换OND-H模块，看故障是否转移。以此依次排除各模块，直至找出故障点。

在排查的过程中，当将主变柜1的OND-H模块与主变柜3的OND-H交换后，电机3隔离，下载数据进行分析，故障转移，由此断定此故障时OND-H模块故障，更换后试验良好，试验数据未显示故障代码。

（2）CVE模块故障

2016年3月2日，2B-140机车出现牵引电机6隔离，分析数据故障代码如下：ME_ODJPMCF:OuverturerapidePMCF即PMCF保护装置是主断断开；DA_RETDICE:SFIGBTCVEnongatedriving即整流器IGBT无驱动。

整流器是由4个IGBT元件组成，此处，数据上显示整流器IGBT元件的状态为：上桥臂1整流器IGBT状态：d_dyn_h1pmcf=1（运行）、

下桥臂1整流器IGBT状态：d_dyn_b1pmcf=0（未运行）、

上桥臂2整流器IGBT状态：d_dyn_h2pmcf=0（未运行）、

下桥臂2整流器IGBT状态：d_dyn_b2pmcf=0（未运行）、

由此可知，整流器M模块处于故障状态，由以上的现象，可以判断出主变的整流模块故障的概率较大，其次是过压抑制电路的故障（OND-H模块故障）。

对于此类故障，我们在检修的过程中，首先检查主变的整流、逆变模块的外观是否有过热烧损、炸裂等现象；若外观良好，将出现故障的主变的整流模块与良好的主变的整流模块互换，做机能试验，下载数据进行分析。若转移则可以确定故障模块，并更换故障的模块，若不转移则排除了怀疑的模块。

（3）TCU故障

2015年12月4日，2B-38机车出现牵引电机5隔离，下载数据分析显示故障代码如下：DA_IOCAN:DefautabsencecarteI/OCAN即CANI/O口的不存在故障；DA_RSDMC:DirectionfailureTCU即TCU方向故障；此故障很明显可以判断出是牵引控制单元TCU故障。

对于此类故障的处理方法是：上车检查主变控制单元TCU，在VIS卡上的LED的帮助下检查插入式单元电源的状态；检查由插入式单元提供的15V和24V是否存在网络上的短路；检查故障持续灯SFLLED是否点亮；将TCU5与其他控制单元交换，做技能试验后下载机车数据进行分析，故障转移更换牵引控制单元TCU。

3.3接触器类故障

（1）牵引风机接触器

接触器类故障是电机隔离故障中经常见到的原因之一，此类故障，数据上的故障代码常见的有：DA_CVTM2:C-VT-MT2contactorfault，即牵引电机2通风机接触器故障；DA_VMT:Tractionmotorventilationfault,牵引电机通风故障。

牵引电机通风机是给牵引电机通风散热的，当通风机的接触器出现故障无法吸合时，牵引电机通风不良，系统将隔离牵引电机。牵引电机风机接触器故障有两种情况，一是接触器卡滞，本身存在故障，此时只需要更换接触器；另一种是风机的热保护器跳开，使得接触器不得电无法闭合，从而对风机的过流和三相不平衡起到保护作用。

对于此故障的处理方法是：上车检查牵引电机的热继电器是否跳开，并恢复，并检查接触器接线、外观是否有烧损现象，若有，测量牵引电机通风机三相是否平衡；检查接触器控制电路有无松脱、虚接、破损现象，若有及时更换接触器或修复电路。故障处理完成后进行机能试验后，下载机车数据进行分析，确保机车良好。

（2）预加载接触器故障

2015年11月12日，机车2B-45出现电机1隔离，下载数据进行分析，故障代码显示为：DA_CPCPMO:C(PC)PMCFlockedopen，即预加载接触器未闭合。

正常工作时，应先闭合预充电接触器C(PC)PMCF，通过预充电电阻R(PC)PMCF为支撑电容CAP-CVE充电；然后再闭合工作接触器C(IS)PMCF为四象限整流器CVE提供电源，避免了合闸瞬间造成的大电流冲击。当预加载接触器故障，没有动作时，系统会将电机隔离。

对于此类故障的处理是：上车检查预加载接触器有无过热、烧损、破损现象。检查周围接线有无松动，并更换故障的预加载接触器，进行机能实验后，下载数据进行分析，确保故障得以处理。

3.4传感器类故障

传感器故障也是经常见到的电机隔离故障原因之一，牵引电机出现隔离故障后，下载数据分析，显示如下故障代码：scvinputovervoltage（ACU2）即scv输入过压；DC_ISAUX2：ACU2isolated即ACU2隔离；DM_ISOESS3：Motor3isolation，电机3隔离。根据故障代码可以断定，由于SCV输入过压导致辅变3隔离，致使电机3隔离。

对于此类故障，首先测量辅变2的电压传感器CA(U-ENT)CVSC2，若电压传感器故障，证明SCV输入过压是电压传感器误报，只需更换电压传感器；若良好，再对逆变模块、控制单元ACU、线路进行排查。

3.5系统通风不足

系统通风不足，也是电机隔离故障的常见原因，电机出现隔离后，下载数据进行分析，显示故障如下：coolingairflowtoolow即冷却空气流量低，；DM_AIRFLOW3即辅变3风流量低；DC_ISAUX3：ACU3isolated即ACU3隔离；DM_ISOESS4：Motor4isolation，电机4隔离。由故障代码可以断定，因为辅变的风流量低，辅变被隔离，导致电机被隔离。

全车共有两个辅助变流柜，每个辅助变流柜有两组变流器，两组变流器分别由两个通风机进行通风散热。若通风不足，将造成辅助变流器散热不良，温度升高，造成辅变的隔离。造成通风不良的原因有多个，可能是风机本身故障、通风口被堵或者传感器测量出错。

因此，对于此类故障主要处理方法有：测量风速传感器；检查辅变的滤网通风口，看是否有杂物导致通风不良；检查辅变的通风机是否转动良好。

4.结束语

牵引电机隔离故障是目前电力机车电气系统最常见的故障，本文列举了牵引电机隔离的几种典型故障的分析过程与处理方法。在处理故障的同时，我们有针对性的加强了对电力机车电线路及元件的排查与整治，消除了安全隐患，目前机车电气故障得到了一定的控制。

但是由于我们对机车的认知有一定的限制，所积累的经验不足，且机车运用随着环境、气候、机车使用的变化等等，机车还会有新的故障问题出现，需要我们继续努力的探索，才能进一步得到保证机车的质量，保证机车安全、高效的运行。

参考文献

1.李小红.动力分散交流传动电动车组用TGA1型IGBT牵引变流器[期刊论文]-机车电传动2001（4）

2.于海霞，陈立峰.HXD2B型大功率交流电力机车辅助电路设计[J].机车电传动，2012，（4）：14-17,22.

3.陈燕平.忻力.李中浩.牵引变流器中支撑电容研究[期刊论文]-铁道机车车辆2011.31（2）

4.任广慧.杨桂彬.HXD2B型牵引电传动系统[期刊论文]-内燃机车2010（11）