HXD1D型机车牵引变流器模块故障分析追踪

HXD1D型机车牵引变流器模块故障分析追踪

杨泽东

武汉局集团有限公司武汉大功率机车检修段 

摘  要：文章介绍了HXD1D型电力机车TGA9C型牵引变流器的结构及设计原理，对牵引变流器典型故障案例进行统计分析，通过对故障模块解体、试验分析，同步开展运用环境综合测试，探索客运机车质量提升及改进方案，以降低因牵引变流器模块故障造成的行车设备故障率，有效减少故障所造成的经济损失，维护铁路优质、高效的企业形象。

关键词：牵引变流器；模块故障；统计分析；样本试验；电参数测试；温度测试

1.概述

HXD1D型电力机车装用国产自主研发的TGA9C型牵引变流器，该变流器适用于牵引电机功率为1.2MW的7200kW六轴客运机车，运行稳定、可靠，轮周功率大，在铁路运输中起着非常重要的作用。牵引变流器作为机车的重要组成部分，其输入端与牵引变压器的牵引绕组相连，通过线路接触器进行分合。牵引变流器主要由四象限变流器、中间直流回路和PWM 逆变器组成。牵引变流器具有明显的高压警示标识、高压指示灯，注明只有专业人员可以打开的标识。四象限变流器利用脉冲调制电流控制技术，控制整流器的输出电压稳定在DC 1800 V，通过调整脉冲调制角，使交流侧电流、电压为同相位，从而使网侧的功率因数接近于1.0。牵引变流器的中间直流回路主要由中间回路支撑电容、瞬时过电压限制电路、主接地保护电路及二次谐振电路组成。牵引变流器的电机逆变器是由IGBT 元件组成的PWM 逆变器。

2. 牵引变流器的结构及设计原理

牵引变流器内部采用模块化结构，便于实现部件的通用化，减少维修时间，提高可靠性。柜内包含7 个变流器模块（三个整流模块、三个逆变模块、一个辅助逆变模块）、支撑电容器、传动控制单元(TCU)、接触器、充放电电阻、过压斩波电阻、电压电流传感器、冷却风机、热交换器等部件，其中变流器模块等主要部件位于柜体前部，打开柜门可以方便地对其进行检修，变流器后部主要用于放置不需维护或很少维护的部件，如支撑电容器、二次谐振电容器等。变流器模块采用成熟可靠的变流器模块平台产品，具有通用化、标准化、模块化的特点。其四象限整流器模块与逆变器模块可完全互换。变流器模块又由通用化部件平台构成，集成度高，包括了8个3300 V/1200 A 的IGBT 元件、水冷散热器、温度传感器、门控单元、门控电源、脉冲分配单元、支撑电容器、低感母排等部件。传动控制单元(TCU)根据司机指令完成对牵引变流器及交流异步牵引电机的实时控制、粘着利用控制，同时具备完整的故障保护功能、模块级的故障自诊断功能和轻微故障的自复位功能，应符合TJ/JW 020-2014的要求。变流器安装有门安全连锁装置，只有当降下受电弓，断开主断路器后，才能用钥匙打开主变流器柜门。当断开主断路器后，中间直流回路自动快速放电，以保证操作人员的人身安全。在牵引变流器柜设有安全电压指示灯。

牵引变流器采用模块化设计，包括三个四象限整流器模块、三个逆变器模块和一个辅助逆变模块，整流器模块和逆变器模块采用相同的变流器模块，可以完全互换。每个变流器模块包括了8 个3300 V/1200 A 的IGBT 元件、水冷散热器、温度传感器、门控单元、门控电源、脉冲分配单元、支撑电容器、低感母排等部件组成。变流器模块安装有快速接头，可以快捷插拔，不需排放冷却回路中的冷却液。变流器模块与外围控制电路通过连接器相连，主电路接线端子、控制连接器、快速接头位于变流器模块前面，打开变流器前柜门可方便地对变流器模块进行拆装、维护。变流器模块更换不需要特殊的工具、工装。

3.典型故障案例及统计分析

3.1问题现象说明

武汉局集团公司武昌南机务段共配属HXD1D型电力机车66台车（含2019年新配属8台车），共792个模块。自2017年上线运行以来共发生18起变流器模块故障，其中：2017年11起、2018年1起、2019 年4起，2020年2起，2021年0起，具体模块故障率如下。

图1 武昌南机务段HXD1D 型机车变流器模块故障率

从上述统计的分析看，武昌南机务段的变流模块在2017年故障率明显偏高，但在2018年、2019年、2020年、2021年故障率有了明显下降，这个现象符合IGBT半导体器件的早期失效率特征。2020 年具体故障信息如下表。

表1 2020年武昌南HXD1D 型机车故障信息一览表

在18起模块故障中，除涉及301#—310#车次的模块故障有14起,301#和307#车未发生故障，8#、185#、305#和309#车各发生1起，其余车次均各发生2起。注303#为连接螺栓不可靠放电故障。

图2 武昌南机务段HXD1D 型机车变流器模块故障分布

对18起模块故障进行故障类型统计，主要为IGBT炸损、IGBT管保护、IGBT击穿三类，其中IGBT炸损占比最高，达到63%；IGBT管保护，占比25%；IGBT击穿，占比12%。

3.2前期处理措施

（1）对多次发生故障的HXD1D-0306、HXD1D-0309两台机车，原供应商提供新模块将车上模块全部替换，此项工作已经于2019年7月31日完成。

（2）对HXD1D-0306、HXD1D-0309机车的原装车模块进行返回技术分析，技术分析分为变流器模块加速寿命试验分析、加速寿命试验后单IGBT器件扫描分析。

（3）原供应商对已经更换模块的HXD1D-0309机车进行添乘测试，出具电气和温度测试报告， 此项工作已经完成。

（4）已发生故障的301-310#中共计8台三菱批次器件已完成集中整治。

3.3故障变流器模块测试分析

3.3.1 返回变流器模块样本范围

根据HXD1D型机车变流器模块在武昌南机务段失效情况的统计，原供应商拟进行半导体器件早期失效率的特征研究。为此2019年从武昌南机务段分两次共计返回30台模块（其中首次返回6台，二次返回24台），返回模块信息见下表。

表2 首次返回模块信息

表3 二次返回模块信息

通过对上述模块进行功率模块级的加速老化试验（目前已完成8台模块的试验,含首批2 台），目前模块试验结果：每个模块均可累计运行大于1000个循环，试验结果符合正常模块功率循环水平。

3.3.2加速寿命试验分析

加速老化试验台每次可完成两个模块测试，测试周期需要一个月，现场模块返回后，截止目前为止完成了8个模块的加速老化试验，试验结果为每个模块均可累计运行大于1000个循环，循环次数差异不明显，符合正常模块功率循环水平。

试验完成后，选取1台加速老化试验后的模块（四象限），对其IGBT进行电性能复测并与出厂数据对比，参数无明显异常，且内未出现明显磨耗失效，且模块也未出现异常失效，具体情况如下表4。

表4 静态参数测试结果表

对故障IGBT进行电性能参数对比，无明显异常，具体测试结果如表5。

表5 电性能参数测试结果对比表

对返厂IGBT进行静态参数测试、焊层超声波扫描，IGBT基本无异常。

4. HXD1D 型机车添乘测试分析

4.1 测试线路介绍

测试路线为武昌南至重庆北（沪蓉线）。路线长约880公里，此区间同时存在长坡道和长隧道。其中K1128-K1178区间有50公里的长坡道，坡道平均值14‰；K1424-K1509区间有80公里的长坡道，坡道平均值约15‰，坡道最大为18‰。从恩施至宜昌区间基本为隧道。表6为HXD1D 机车在此路线上的模块故障情况。

表6 HXD1D 机车武昌南至重庆北模块故障情况

4.2 电参数测试

4.2.1 测试项点

对牵引变流器关键输入、输出参数进行测量，测试项点如下表7所示。

表7 电气测试项点

4.2.2 测试数据

在易发生故障区间，牵引变流器基本处于满功率输出工况。重庆北至武昌南的K1492、K1464、K1441标段的测试数据如表8所示，机车在经过上述区段时基本上是满功率运行。

表8 测试时刻电气性能参数

4.2.3 小结

在易发生故障区间，牵引变流器基本处于满功率输出工况；且线路条件基本为长大坡道。

4.3 温度参数测试

4.3.1 测试项点

对牵引变流器柜内关键器件的表面温度和环境温度进行测量，测试项点如下表9所示。

表9 温度测试项点

4.3.2 测试数据

4.3.2.1 四象限模块温度数据

如图3所示，牵引变流器在高功率工作状态下，四象限模块进、出水温差约为4.8℃，模块进水温度相对车外环境温差的平均值为10℃。四象限模块支撑电容温度稳步上升，最高温度为50℃左右，电容热容和散热热阻较大，温度稳定时间长，列车运行工况多变，电容处于多工况动态不平衡状态。

图3 四象限模块温度数据

4.3.2.2 逆变器模块温度数据

如图4所示，牵引变流器在高功率工作状态下，逆变器模块进、出水温差约为2.5℃；逆变器模块支撑电容温度稳步上升，最高温度为45℃左右。

图4 逆变器模块温度数据

4.3.2.3 柜内环境温度数据

如图5所示，牵引变流器内各处空气温度较均匀，变流器模块不同位置之间的稳定温差＜ 4.5℃；牵引变流器在高功率工作状态下，变流器内空气温度稳步上升，最高温度出现在4QS2 和INV2之间，最大值为47.6℃；四象限模块温度普遍高于逆变器模块温度。

图5 柜内环境温度数据

4.3.3 小结

（1）牵引变流器在高功率工作状态下，四象限模块损耗高于逆变器模块但温升在设计范围内，基本满足要求（温升限值：85±3℃）。

（2）其他部件运行过程中温升正常，柜内整体温升无明显异常升高。

4.4 初步结论

（1）根据测试结果，四象限模块温升明显高于逆变器模块温升，说明器件损耗较大；既有路况含较多长大坡道，机车四象限模块经常工作在满功率状态，另外四象限直接与电网连接， 容易受电网侧波动的影响，多种因素造成四象限模块较逆变侧稍高。

（2）逆变器模块的工况稍好于四象限模块，其故障率低于四象限模块，处在可控范围内， 属于正常的偶发故障。

5 后续处理措施

（1） 通过对两次返回的变流器模块及IGBT器件进行技术分析，器件的后续寿命均在正常的寿命周期之内，从现场故障情况来看2017年早期失效占绝大多数，2018年、2019年、2020、2021 年变流器模块失效已经相对稳定，已经进入了相对稳定运行期。

（2）2020年3起机破故障（含HXD1D0304机车发生1起母排连接不可靠问题）均为偶发性失效，不具备明显的批次特征。

（3）持续跟踪HXD1D型机车牵引变流器新模块运行情况，对后续模块运用情况进行持续追踪，加强模块故障的分析与总结，督促主机厂及其供应商优化应用。

6.结束语

目前，全路配备的HXD1D型电力机车数量庞大，主要担负客运列车牵引任务。一旦发生行车设备故障，将带来严重经济损失，损坏铁路高效、优质的运输形象。通过牵引变流器故障分析及提出整改措施，能提升牵引变流器可靠性、规避检修作业风险及降低故障率，望对HXD1D型电力机车可靠运用提供进一步保障。

参考文献

[1].TJ/JW057-2015 HXD1D型电力机车总体暂行技术规范,2015.01

[2].HXD1D型TGA9C型牵引变流器检修手册,2013.07

[3].TB/T 2437-2006机车车辆用电力变流器特性和试验方法,2006

[4].HXD1D型交流传动电力机车常见故障分析及处理方法,2011