WED-400Ⅲ型电力蓄电池工程车高压箱二极管击穿故障分析

WED-400Ⅲ型电力蓄电池工程车高压箱二极管击穿故障分析

范俊韬,王洪峥,郑根祥

广州地铁集团有限公司，广东省广州市 511430

摘  要： WED-400Ⅲ型电力蓄电池工程车高压箱二极管出现了严重故障，导致车辆无法行驶。为了二极管工作可靠，对高压箱进行改造，以提高二极管的可靠性。

关键词：WED-400Ⅲ型电力蓄电池工程车；高压箱；二极管；优化

Analysis on breakdown fault of diode in high-voltage box of WED-400 Ⅲ electric battery engineering vehicle

FAN Jun-tao  WANG Hong-zheng  ZHENG Gen-xiang

( Guangzhou Metro Corporation, Guangzhou511430, China)

Abstract：The diode of the high-voltage box of WED-400 Ⅲ electric battery engineering vehicle has a serious fault, which makes the vehicle unable to drive. In order to make the diode work reliably, the high-voltage box is modified to improve the reliability of the diode.

Keywords:WED-400 Ⅲ Electric Battery Engineering Vehicle;high-voltage box；diode;optimization

0前言

WED-400Ⅲ型电力蓄电池工程车采用双司机室，中央走廊结构型式，为双源制动力四轴牵引车，主要由车体、转向架、牵引传动系统、车钩缓冲装置、制动装置、电气控制系统等组成。车辆作业过程中，既可以采用接触网取电，也可以采用蓄电池作为动力【1】。

高压箱：内设隔离开关、高速断路器、熔断器、二极管等器件，用于保护弓网供电。

1高压箱组成

1.1高压隔离开关

高压隔离开关为2位置开关，分别为“受电弓”位和“隔离”位。

图1 高压隔离开关外形图

高压隔离开关额定工作电压为DC1500V，工作电压波动DC1000V-2000V。主极持续电流为DC600A,短路电流DC30KA持续20ms。

表1高压隔离开关闭合表

1.2主熔断器

主熔断器额定电流为31 ARMS。熔断器要求的预击穿16kA2s。过电压等极OV3。触点与箱体间的耐压5.8kV/50Hz/1 min。

1.3高速断路器

高速断路器额定电压为1500V。最大工作电压为2000V。额定绝缘电压为3300V。额定电流为1000A。标称分断能力为30kA/15ms。最小机械寿命为5×100000。

2高压箱二极管机车故障

2.1故障描述

WED-400Ⅲ型电力蓄电池工程车高速路试过程中（弓网模式下），当速度达到75km/h左右，高压柜内主电路上的二极管被击穿，系统同时报出牵引模块过流、辅逆故障。回库后，对所有电路进行全面排查，未发现其他器件损坏。

图2 损坏二极管

图3原理图中二极管位置

2.2原因分析

2.2.1牵引状态分析

车辆设计单机最高运行速度为80Km/h。高速路试时，为单机牵引一台蓄电池工程车运行，故障时，牵引车已在满功率输出状态。

2.2.2数据分析

故障当天下载了TCU的故障前记录数据，如图4所示。

图4数据分析

从图4可知，电机侧的交流电流峰值已达600A，折算成有效值约为420A，超过了电机满功率正常运行时的电流（160A左右）。

2.2.3二极管击穿原因分析

WED-400Ⅲ型电力蓄电池工程车中使用的二极管型号为ABB 5SLD 1000N330300，在轨道交通行业内有广泛使用业绩，质量稳定有保障。【2】二极管损坏主要有以下两个方面的原因。

1）持续电流过大

蓄电池工程车以80Km/h运行时，牵引逆变器输出正弦波频率约为120HZ，此时载波比为4.17，数值相对偏小（载波比业内经验值一般大于5）。载波比偏小会导致逆变器输出波形差，谐波含量高，输出电流过大；进而导致弓网侧的直流电流过大（约600A）。

2）散热不佳

高压柜内二极管散热原设计是按走行风冷进行散热的，但实际二极管散热板处的走行风较小，高压柜内二极管散热不佳，大电流导致二极管过热，进而导致性能下降。

3）差异性分析

高速路试时，其他车辆方向下坡较多，故障车方向上坡较多，导致故障车牵引负载比其他车大，增加了故障车二极管先损坏的概率。

所有车辆控制程序相同，高速路试时，故障车辆相比其他车辆车速增加了过流报警及ACU故障报警，这两个报警与二极管损坏同时发生，为二极管的击穿使得电路震荡导致。

3优化方案

3.1控制参数优化

目前车上主逆IGBT开关频率为500Hz，将IGBT的开关频率提高至1000Hz。仿真结果如下图5、图6所示：

图5 500Hz开关频率下的

电流、力矩、速度波形

图6 1000Hz开关频率下的

电流、力矩、速度波形

1）开关频率提高至1000Hz对电流值的影响

仿真结果表明，开关频率提高1倍后，在车速75km/h，满功率输出工况下。电流可降低1.6倍。根据实测峰值电流600A，按比例则峰值电流可下降至230A（有效值则为163A），该电流在电机额定工作电流（约160A）的允许波动范围内（允许波动范围±5%）。

2）开关频率提高至1000Hz对电流波形的影响

仿真表明，开关频率提升后，电流波形已经非常接近正弦波，满足牵引要求。要想使波形更好，需再增大开关频率，更大的开关频率会带来更多的开关损耗。

3）开关频率提高至1000Hz对器件寿命的影响

本项目WED-400Ⅲ型电力蓄电池工程车采用的是IGBT实际推荐使用的最大开关频率可到3kHz。使用开关频率为1K，1K的频率不会对IGBT的正常使用寿命产生影响。

对于驱动板而言，本身驱动板的设计最高开关频率可到10kHz以上，使用频率在1kHz时，也不会影响使用寿命。

4）开关频率提高至1000Hz对开关损耗的影响

开关频率提高至1K后，主逆变模块产热功率只增加了0.86kw（由1.37kw增加至2.23kw），仿真报告如图7：

图7 产热功率仿真对比

3.2控制参数优化

在目前电路上并联一个同规格的二极管，增加安全裕度。【3】

图8原二极管接线方法

图9并联二极管接线方法

3.3 散热优化

1）高压箱二极管散热优化

拟增加散热风扇，对二极管散热板进行强迫风冷。

图10二极管强迫风冷示意图

根据二极管散热模块的仿真，增加散热风机之后，车辆在持续满功率运行时，散热器的最高速温度为99.33℃，小于原设计目标温度110摄氏度，能够确保二极管不超过150摄氏度的最大工作温度。

图11 二极管强迫风冷后的散热仿真

2）主逆散热优化

现主逆风机存在的问题：

现风机标称环境温度为50℃，当环境温度较高时，风机会产生保护性停机，进而导致整车牵引切断。

辅助逆变器故障时，需启动应急辅逆为散热风机、空压机、24V充电机供电。应急辅逆无隔离变压器，输出电压存在瞬时高压分量（DC800V），会使得现变频风机偶发性工作停止。

拟换主逆风机散热能力仿真：

拟换风机性能曲线如图12所示：

图12 拟换风机特性曲线

静压1150Pa时，风量约62m3/min, 相当于3720m3/h。

在1K开关频率下，使用新风机，牵引模块温升情况如图13：

图13 更换风机后的散热仿真

图14 现风机性能曲线

从图12与图14性能曲线可看出，在结构风阻为1150Pa时，现风机风量约3700m3/h，拟换风机风量约3720m3/h，两者性能一致。

参考文献：

[1] 中国铁建高新装备股份有限公司.WED-400III型电力蓄电池机车，2022年.

[2] ABB（中国）有限公司.ABB 5SLD 1000N330300用户手册，2022年.

[3]王金健.适用于柔性直流输电系统的混合高压直流断路器拓扑研究[D].上海：上海交通大学，2020.

作者简介:

范俊韬，男，1992年生，广东兴宁人，大学本科，工程师。研究领域：城市轨道交通机车车辆。

王洪峥，男，1986年生，湖南娄底人，大学本科，工程师。研究领域：城市轨道交通机车车辆。

郑根祥，男，1990年生，广东中山人，大学本科，工程师。研究领域：城市轨道交通机车车辆。