辅助变流器三相电流不平衡故障分析及优化

辅助变流器三相电流不平衡故障分析及优化

罗德伟

（株洲中车时代电气股份有限公司 湖南株洲 412001）

摘要：介绍了CRH2及CRH380A型动车组辅助变流器电路；计算分析了外部负载不平衡时电流、相位的变化过程；排查分析了现场三相电流不平衡故障产生的原因；提出了一种软件优化的解决方案，可提高系统的容错性，为动车组检修提供参考。

关键词：CRH2；CRH380A；动车组；辅助变流器；辅助电源装置；三相不平衡。

0. 引言

辅助变流器是动车组关键部件之一，为列车辅助设备如冷却通风机、油泵、热水器、空调装置、照明等设备提供电源。其中一款70kVA辅助变流器大批量运用于CRH2C及CRH380A车型，在线运行时，报出了三相电流不平衡故障。此故障发生后，会一直间隙性出现，严重时影响动车正常运行，回动车所后，库内高压试验，极难复现。

0. 主电路

辅助变流器主电路采用“单相桥式IGBT整流器+三相桥式IGBT逆变器”结构，由输入充电电路、单相输入变压器、整流器、逆变器、波滤波器、控制机箱等组成，将单相交流电源变换为稳定的三相电源，电路原理如图1所示。其中电流传感器SC2、SC3、SC4检测逆变器三相输出电流，当任意两相电流有效值差值大于20A，持续1s，辅助变流器进行三相电流不平衡故障保护，停止工作。

三相输出电流传感器

1. 电路拓扑

0. 三相负载

辅助变流器的负载是多个三相平衡负载组成，根据电路原理，可等效变换为一个三相平衡负载模型，如图2所示。当其中一个负载如W相缺相时，等效负载W相阻抗变大；W相短路时，等效负载W相阻抗变小。

2. 三相负载

为简化分析，假设辅助逆变器输出的三相电压为理想电压源，表达式如下：

； （1）

； （2）

； （3）

根据支路电流法列出负载三相电流关系的独立表达式：

（4）

（5）

（6）

求得三相电流表达式如下：

；其中 （7）

；其中 （8）

；其中 （9）

以W相负载为例，假设R； R。当 时，三相负载平衡，当 时，W相负载阻抗变大，当 时，W相负载阻抗变小。三相电流关系式简化如下：

；其中 , （10）

；其中 , （11）

； （12）

相电流幅值变化用系数 表征，三相电流相位变化趋势可用 表征。当负载平衡时，三相电流幅值相等； 相等为 ，U、V、W相电流依次滞后 。当W相完全断开时，U、V相电流相等，并小幅度增加，W相电流降为0； 减少至0， 增加到 ，U、V两相相位差增加大至 ；当W相完全短路时，U、V相电流增加，W相电流大幅增加； 增加最至 ， 减少至0，U、V两相相位差缩小至 。同理可以分析U相或V相阻抗的变化。

3. 三相电流幅值、相位变化

辅助逆变器三相输出频率为50Hz， V，当 时，W相阻抗变化分别在 ， ， 时，三相电流波形如图4所示。

4. 三相电流波形

0. 故障原因分析

根据运营数据统计，动车组运行4年以后，辅助变流器会发生三相不平衡故障，故障现象可自动消除，会反复，间隙性出现，难以复现，更换相关部件传感器、逆变器、控制机箱等，故障无法消除。

故障记录显示，电流仅幅值偏小，频率相同，相位正常，三相相位依次滞后120°，三相电压正常，如图5所示，表明故障与负载无关，推测为电流检测回路异常导致。

三相电压正常

仅一相电流幅值偏小

5. 故障现象

电流检测回路由电流传感器，逆变器，控制机箱三部分组成，三相电流检测回路相互独立，当其中一相电流检测偏小，其它两相电流幅值、相位不受影响，与现场现象相似。

6. 传输路径

排除故障不是由电流传感器、逆变器、控制机箱功能故障引起，分析检测回路信号传递过程中的薄弱环节。电流传感器变比为300A：150mA，属于电流源信号，不受线路阻抗影响，逆变器通过25Ω采样电阻转为电压，等效变为电压源信号，上传控制机箱。当线路阻抗过大时，控制机箱接收的信号变小，就会导致故障发生。逆变器和控制机箱分别通过24芯和48芯连接器连接，连接器长时间的空气污染、氧化，并且在振动、湿热变化等恶烈工况下使用，接触电阻出现间歇性增大。

为佐证分析的正确性，选取5列故障频次较高的动车组，将逆变器和控制机箱之间的连接器更换为新品，持续两年跟踪观察，故障未再出现。

0. 优化方案

更换连接器，作业难度大，时间长，成本高，并且长时间运行后，仍可能再次触发故障，不能彻底解决该问题。考虑到检测回路引起的三相电流不平衡对辅助变流器运行及负载没有任何影响，本文提出一种软件优化方案，提高系统容错性，降低故障率。

检测回路与负载引起的故障现象有本质的区别，可根据基尔霍夫定理，判断三相电流瞬时值之和是否为零。当和值为零时，并且满足电流差值条件，判断为负载引起的三相电流不平衡故障，进行保护停机；当和值不为零时，并且满足电流差值条件，判断为采样异常引起的三相电流不平衡故障，维持运行。具体软件逻辑流程图如图7所示。

7. 三相电流不平衡优化方案

注：IRini、ISini、ITini为电流瞬时值

IR、IS、IT为电流有效值

0. 结语

本文提出的三相电流不平衡保护策略，增强了系统的容错性，不影响对实际负载三相不平衡故障保护。动车辅助变流器全部进行软件后，故障已圆满解决。该方案可以广泛推广运用，提升系统可靠性。

参考文献

1. 刘金榕，王佳佳，饶沛南等. CRH2型动车组辅助电源装置135故障分析及处理［J］.机车电传动，2019(2)：152-156.

2. 胡学永，邓学寿. CRH2型200km/h动车组辅助供电系统［J］.机车电传动，2008(5)：1-7.

3. 张宁，王佳佳.CRH2型300km/h动车组国产辅助变流器的设计［J］. 大功率变流技术，2010(2)：31-33.

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