基于高速列车牵引变流器过流现象的探究

基于高速列车牵引变流器过流现象的探究

卢向阳，姜佳磊

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司 青岛 266580 ）

摘要：牵引变流器是牵引系统的重要组成部分，在列车运行中会出现牵引变流器过流现象。本文首先介绍牵引变流器的工作原理，然后分析牵引变流器出现故障的原因，最后通过实验仿真验证结论的正确性，为牵引变流器的维护奠定了理论基础，具有一定的参考意义。

关键词：牵引变流器；牵引系统；过流现象

中图分类号：U270.1 + .6；TP273 文献标识码：A

1. 引言

随着科技的不断发展，人类对于高速列车的平稳性及舒适性提出了更高的要求，高速列车是一个国家科技实力的体现，它是新时代下诞生的一种铁路运输设备，高速列车具有灵活、高效、环保的特性。

高速列车的平稳运行离不开安全的牵引系统，科研人员以及工程师们针对牵引变流器行了大量研究。慕玫君等人针对电力机车牵引变流器会产生谐波的问题，提出了一种通过辅助变流器降低电力机车注入牵引网谐波电流的方法，并采用电流跟踪环节产生补偿电流，来抑制网侧电流谐波。周江伟等人针对动车组牵引系统接地故障，提出了一种新的牵引变流器接地故障检测策略，分析了接地故障电路原理，并综合考虑不同接地故障工况下的接地电压特征。张宏杰等人将大功率电力机车牵引四象限变流器作为研究目标，并在正弦稳态下建立了四象限变流器的数学模型，分析了两重化四象限变流器采用的瞬态直接电流控制方法以及载波移相技术。

综合以上学者的研究经验，依据实际牵引变流器的工作特性，本文介绍了牵引系统中牵引变流器工作原理，然后分析牵引变流器出现故障的原因，最后运用实验仿真的方法验证结论的正确性。

2. 牵引变流器的工作原理

在动车组高压电路中，经受电弓，主短

路器，牵引变压器将牵引变流器连接到单相25kV/50Hz供电线上，用单极断路器将变压器次级线圈与牵引变流器分离，通过预充电单元与两个并联的四象限斩波器模块，每个模块为一个半桥，给中间直流环节电压回路供电。中间直流环节电容器，谐波电路，接地故障装置和保护模块位于中间直流环节内。经脉冲变换器将中间直流环节电压能量传递至三相变频脉冲输出电压，给三相异步牵引电机供电。

牵引变流器安装在动车组动力车车下的牵引设备箱中。每一个牵引变流器由两个四象限斩波驱、带谐振电路的中间电压电路、一个制动斩波器以及一个脉冲宽度调制逆变器组成。牵引变流器的输入线路接触器由列车控制单元TCU控制。在中间直流回路充电完成后，牵引控制单元TCU根据检测到的牵引变流器状态，在无故障的情况下，启动整流模块，维持中间直流回路电压稳定在额定值，并根据列车控制监控系统的辅助变流器启动指令、启动辅变模块，并实现辅变的并联运行，接收到司控室的牵引制动指令后，启动逆变器模块，实现列车的牵引制动运行。

3. 牵引变流器出现故障的原因

某列车故障时刻列车处于刚要启动的状态，网压同步信号正常，一架与二架短接接触器闭合，此时TCU发出一架四象限启动指令，一架四象电流开始增加，但是一架四象电流却变化异常，不到四分之一个周期电流便陡增到了最大峰值2198A，大于过流的门槛值，报出一架四象限输入过流、一架四象限侧保护封锁和二架四象限侧保护封锁故障。

为了更好的分析本次列车故障，建立四象限变流器的MATLAB/Simulink仿真模型，其中U_N为变压器二次侧电压，有效值为1900V，变流器的控制策略为瞬态直接电流控制。瞬态直接电流控制是在间接电流控制的基础上引入了电流反馈，提高了直流侧电压动态性能，也提高了直流侧电压的稳定速度。瞬态直接电流控制的数学表达式如下为：

此案例中这一四象限整流器的输入过流故障，可能由于变压器二次侧发生异常，在仿真模拟这一故障时，仿真结果如图1，在t=0.5s时将电源做短路处理，变压器二次侧电压与中间直流环节电压归零，电路中的电流由于变压器二次侧绕组漏感放电而短暂增加到1500A，随后逐渐降低至零。此时的电路输出与此案例中的电路输出不符，实际上变压器空载保护、差动保护等保护并未动作，因此可以初步的排除牵引变压器出现故障。

图1变压器二次侧短路时各信号波形

接下来考虑牵引变流器内部出现接地问题，在仿真模型中将牵引变流器三桥和四桥臂做接地处理，得出的电路输出波形如图2。由图可知中间直流环节失压，变压器二次侧电流迅速增加至约3000A，符合案例中报出的输入过流故障。但实际情况中由于变流器的传感器会根据不同的接地点报出接地故障，如果模块存在异常，模块自身还会报出元件保护，如果检测的传感器出现异常，就会出现检测值漂移现象。

图2 变流器桥臂接地时各信号波形

根据故障时刻的四象限输入波形，电流在不到1/4个周期内就增加到超过门槛阈值，而正常工作时四象限电流会不断的变化，因此可以断定变流器可能接收到了异常的脉冲信号。在仿真模拟这一故障时，电路的输出电压电流见图3。当t=0时刻，牵引变流器开始工作，直流侧电压迅速从0上升，约0.2s后，直流电压上升至期望值3600V；t=0.5s时，将PWM的调制波短路，变流器交流侧电压消失，流过变压器二次侧的电流在短时间内上升至较大值，至保护电路动作阈值2200A后，保护电路动作使主电路断开，电流迅速下降至0，符合案例中的故障情况。

图3变流器接收错误脉冲信号时的各信号波形

模块接收异常的驱动信号可能是LCC发出的脉冲信号异常、LSC使能信号异常、脉冲转换板PCC异常。当LSC出现故障时，任何时候脉冲信号都无法驱动模块；当PCC插件发生异常时，发出每一脉冲的信号都是异常的，会出现无电流或者电流一直失控的现象，而不会只在启动之后的第一个1/4个周期内出现异常。