SS9型电力机车整流装置烧损原因探讨与防止措施

谭斌

(武汉铁路局 武昌南机务段 技术科，湖北武汉430064)

参考文献

SS9型电力机车整流装置烧损原因探讨与防止措施

谭斌

(武汉铁路局 武昌南机务段 技术科，湖北武汉430064)

SS9机车整流装置烧损越来越多，通过对SS9机车整流装置结构及原理的分析，结合当前随着交流电力机车大量投入使用，使在铁路线上运行的韶山型系列的直流电力机车出现以前从来未出现的故障，为了更好地解决该故障隐患，找出了烧损的原因，并提出了改进方案，以供相关部门参考与交流。

电力机车;整流装置;高次谐波;烧损;改进

SS9型电力机车是株洲电力机车厂为第5次铁路大提速设计的速度为170 km/h的客运直流电力机车，自2004年机车在武昌南机务段投入运用，该型机车运行情况良好，能很好地满足用户的运用及检修需求，但随着和谐交流电力机车大量投入运用，机车整流装置出现大面积烧损现象，2013年3月某日SS9133第一整流柜烧损的情况:整流柜的2个晶闸管V11和2个二极管V8放电烧损，整流柜正面2个晶闸管V11和2个二极管V8面板上的脉冲变压器及阻容装置被烧损变形(见图1)。

整流柜背面2个晶闸管V11和2个二极管V8的散热器因对柜体盖板及本身之间放电烧损，将整流柜盖板及晶闸管和二极管散热片严重烧损，其后背板烧毁，绝缘骨架部分烧损(见图2)。

SS9型机车整流装置是电力机车最关键的高压电气设备，负责将接触网间的高压交流电变为牵引电动机所需要的直流电，若整流装置发生故障，机车6台牵引电动机则无电流，机车只得停下等待救援。2013年武昌南机务段有8台SS9电力机车整流装置在运行中出现烧损，造成机车无法正常牵引列车，严重地干扰了铁路正常运行。

图2 烧损晶闸管

经过对8台烧损的机车整流装置的检查，整流装置烧损的部位主要集中V5与V1之间、V6与V2之间、V10与V7之间、V11与V8之间，其中V5、V6、V10、V11为晶闸管，V1、V2、V7、V8为二极管，为什么故障总是发生在这些硅元件之间呢?下面先从SS9型机车整流装置工作原理说明。

1 SS9型机车整流装置原理

SS9型机车整流装置由2台整流柜组成。分为一端整流柜和二端整流柜。除一端整流柜多2个制动励磁桥元件V19、V20外，其电路、结构、组成基本一致，只是出线位置与线号不同。装置选用铜散热器配大功率元件，采用独立通风方式。其牵引主电路采用不等分3段半控桥，高速牵引时，采用晶闸管开关无级磁场削弱，提高机车速度。低速制动时，采用他励加馈电阻制动，以提高低速时的制动力，它由大功率高压整流二极管、晶闸管及其附件组成。

整流装置的主电路接线原理图见图3。它由2个串联桥组成单相半控桥式整流电路，向3台并联工作的牵引电动机供电。全车共有2套这样的独立整流系统。机车在起动过程中首先进行电压调节开通串联桥的第1个半控桥，输出1/2Ud的直流电压，这个半控桥由6个桥臂组成，其中V7、V8、V9、V12是不可控的整流管臂(又称二极管臂)，V10、V11是可控的晶闸管臂，每个桥臂均由2个半导体元件并联组成。在机车速度高于60 km/h运行过程中，V10、V11晶闸管满开放，整流桥全电压运行。整流桥的V9、V12两个桥臂是因高速时，进行晶闸管无级磁场削弱而增加的。进行电压调节的串联桥的第2个半控桥是由2组单相半控桥组成，其中的一组是V1、V2、V3、V4组成的半控桥，能输出1/4Ud的直流电压。

图3 整流装置主电路原理图

V1、V2是不可控的整流管臂(又称二极管臂)，V3、V4是可控的晶闸管臂，每个桥臂均由2个半导体元件并联组成。V1、V2两个桥臂在V10、V11晶闸管满开放前，处于续流工况，流过整流装置电流最大。另一组是V1、V2、V5、V6组成的半控桥也能输出1/4Ud的直流电压。V5、V6是可控的晶闸管臂，每个桥臂均由2个半导体元件并联组成。在V1、V2、V3、V4组成的整流桥晶闸管满开放后，再提高整流桥输出电压到990 V，需要开放V1、V2、V5、V6组成的半控桥，在原1/2Ud+1/4Ud的基础上再加电压。在调压提速完成后，需再提高机车速度，就要进入无级磁场削弱，开通磁场削弱晶闸管V13、V15、V17、V14、V16、V18，将机车的速度提高到要求的最高速度。制动工况，牵引时的串励电机改他励电机。串联桥的第1个半控桥的V7、V8、V9与V19、V20组成的半控桥，为制动他励电机的励磁绕组提供电源。串联桥的第2个半控桥的V1、V2与V3、V4、V5、V6组成半控桥串联进入他励电机的电枢绕组，构成续流电路或加馈电路。

2 SS9型机车整流装置烧损分析

通过对烧损整流柜的二极管、晶闸管检查，发现烧损不严重机车的整流柜晶闸管快速熔断器的指示件并没有跳出，用万用表测量也没有发现快熔烧断现象，而烧损严重的机车晶闸管快速熔断器内部烧断，指示件跳出，但无论晶闸管的熔断器是否熔断，其在二极管或晶闸管散热片与散热片之间、散热片与柜体之间出现大面积放电并拉弧，而其二极管或晶闸管内部却并未击穿或短路。

图4 散热片单侧拉弧

而从大量烧损的二极管和晶闸管散热片的现场来看，散热片有单侧拉弧和双侧拉弧两种;所谓单侧拉弧为同一排的晶闸管阳极对与它相邻的二极管阳极进行放电，即两个并联晶闸管中下面1个晶闸管与两个并联二极管上面1个二极管的阳极放电，它反映在同一晶闸管或二极管散热片只有一侧有放电，见图4;而双侧拉弧为同一晶闸管或二极管阳极与阴极之间散热片之间的拉弧，即同一晶闸管或二极管散热片两侧都有放电，见图5。

图5 散热片双侧拉弧

从烧损的二极管或晶闸管在整流柜结构位置上来看，它们全部集中在V10与V7之间、V11与V8之间、V5与V1之间、V6与V2之间。

从烧损晶闸管和二极管在机车整流柜开通的3段桥所起的作用来看:

V10为1段桥正波开通的晶闸管，V7为1段桥负波开通的续流二极管;

V11为1段桥负波开通的晶闸管，V8为1段桥正波开通的续流二极管;

V6为3段桥正波开通的晶闸管，V2为3段桥负波开通的续流二极管;

V5为3段桥负波开通的晶闸管，V1为3段桥负波开通的续流二极管。

从上述烧损的晶闸管和二极管可以得出SS9机车整流柜故障主要出现在1、3段桥，而2段桥一直未出现烧损故障，通过分析有下述3个原因:

(1)1、3段桥晶闸管二极管在整流柜上放置结构不合理

从整流柜的结构(见图6)可以发现，1、3段桥的晶闸管和二极管跨接在主变压器1/2的牵引绕组上，即主变压器一半的电压直接接在1、3段桥的晶闸管和二极管的两端，但该晶闸管和二极管在整流柜的位置只是通过一个高度为50 mm长方形绝缘隔板隔开的，也就是它们散热片之间的距离只有50 mm，散热片后部与盖板距离也只有13 mm，见图6，而整流柜又是整体密封的，正常维修时，不能检查清扫整流柜硅元件内部散热片，而整流柜工作时，内部灰尘使其绝缘下降，加之绝缘距离短，极易造成变压器绕组的交流输入端通过1或3段桥的晶闸管通过下面的二极管阳极回到变压器负端，从而发生整流输出正端位置放电，即晶闸管和二极管的散热片单侧拉弧或双侧拉弧，从而使散热片或柜体烧损。

下面从整流柜开通第1段大桥电路分析，具体说明晶闸管V10及二极管V7如何进行单侧散热片的烧损:

当变压器次边的牵引绕组a2为交流电正端时(见图7)，第1段桥晶闸管V10开通，因V10晶闸管和第1段桥二极管V7之间的距离很近，它们在整流柜通过一个50 mm电木隔开的，若整流柜内部不干净或电木绝缘下降，极易造成整个变压器绕组的1/2Ud电压直接通过下面的二极管V7阳极回到变压器负端x2(而不是正常时通过牵引电机回到变压器负端x2)，从而发生整流柜输出正端位置放电，即晶闸管V10和二极管V7的散热片单侧拉弧，从而使散热片或柜体烧损。

图6 整流柜结构图

图7 变压器次边牵引电路示意图

同理，1段桥的负波易极使晶闸管V11和二极管V8烧损;3段桥的正波易极使晶闸管V11和二极管V8烧损，3段桥的负波易极使晶闸管V11和二极管V8烧损。

为什么2段桥晶闸管V3或V4及其二极管V1或V2的确没有发生过烧损，从整流柜结构图的位置可以看出，2段桥晶闸管V3(V4)与其二极管V1(V2)同一上下层面，所以不可能发生放电烧损。

(2)散热片之间绝缘下降

二极管阴、阳极散热片之间的4根绝缘套管因使用年限长或粘有灰尘使其绝缘下降。当交流电经晶闸管整流后，其电压通过铜排直接加下面的二极管，因二极管阴、阳极散热片之间的4根绝缘套管下降，从而发生二极管阴、阳极散热片之间放电，即双侧拉弧，见图8、图9。

图8 绝缘套管炭化示意图

图9 绝缘套管炭化后放电示意图

(3)高次谐波

由于现在大量的和谐交流机车的运用，会产生大量高次谐波，当SS9牵引运行时，高次谐波通过机车受电弓进入主变压器，会在其主变压器牵引绕组产生能量巨大的高次谐波能量，因机车主变压器的交流侧吸收过电压能力不足，则它会通过导通的晶闸管直接加在1、3段整流大桥的二极管、晶闸管两端，轻则使整流元件的散热器发生放电，整流元件的寿命大大降低，重则发生1段的二极管、晶闸管及对柜体之间，在大电流情况下将相互放电，造成整流柜烧损。

(4)整流装置的通风系统不良

SS9型机车整流装置的通风系统为独立通风，冷却空气从车外吸入经侧墙过滤装置到车体夹层风道，然后到整流装置风道进入整流柜，对整流元件进行冷却，最后通过牵引通风机及风道进入牵引电机由车底排出，若侧墙的过滤装置的过滤网破损或有的滤网为钢丝时，会使杂物或钢丝吸入整流柜柜体内，在整流柜内部积尘，从而造成整流柜绝缘下降或使晶闸管和二极管短路放电。

3 SS9型机车整流装置改进措施

针对上述整流柜烧损的分析，我们采取下列措施:

(1)在整流装置的结构上进行改进

①增大1、3段桥二极管与晶闸管之间的距离，即将它们之间的距离大于50 mm以上。

②改变1、3段桥晶闸管与二极管在整流装置的排列位置，即将它们其中的二极管或晶闸管移到整流装置其他的位置上，而不是现在上下排列的。

③将整流柜背后的盖板由内侧移到外侧，这样可以从当前的13 mm增加至18 mm，它的好处在于可增加二极管、晶闸管散热片与柜体之间的距离，另外小辅修时，可方便打开此盖板，检查清扫整流柜内部二极管、晶闸管散热片，且中修时将此盖板全部换新，确保绝缘板绝缘稳定性能良好。

(2)改变主变压器的牵引绕组侧过电压吸收电路的参数，即把机车的RC阻容吸收器的71C、72C、81C、82C电容值由1.7 kV、18 μF改为1.7 kV、6 μF，来避免阻容保护的电阻烧损。

(3)加强对主变压器的牵引绕组侧过电压吸收的电阻73R、74R、83R、84R及电容71C、72C、81C、82C检查，发现阻值不良及电阻烧损时，立即更换。

(4)加强对整流柜的通风滤网的检查，发现不良滤网及时更换，对有钢丝的滤网全部换成棕网或海棉滤网，并定期清洗滤网。

(5)小辅修时，拆开整流柜V5与V1之间、V6与V2之间、V10与V7之间、V11与V8之间的长方形绝缘隔板及整流柜后部绝缘背板，清除后部灰尘，发现背板有放电痕迹，及时更换并处理。

(6)更换不良的整流元件时，必须进行均流试验，且均流系数应达到0.9以上.

4 结束语

通过实施以上各项措施，SS9型机车整流装置质量大大提高，武昌机务段因SS9型机车整流装置烧损故障明显减少，这说明采取上述措施是可行的，由此确保了SS9型机车在牵引旅客列车的运行安全。

参考文献

［1］ 余卫斌.韶山9型电力机车［M］.北京:中国铁道出版社，2005.

［2］ 王兆安，黄 俊.电力电子技术(第四版)［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［3］ 华 平.电力机车控制［M］.北京:中国铁道出版社，2014.

［4］ 陈伯时，陈敏逊.交流调速系统［M］.北京:机械工业出版社.

Cause Analysis and Prevention Measures of Rectifier Device Burning for SS9-type Electric Locomotives

TAN Bin
(Technology Department of Wuchang South Locomotive Depot，Wuhan Railway Bureau，Wuhan 430064 Hubei，China)

Rectifier device burning has occurred with increasing frequency in SS9-type locomotives.This paper analyzes the structure and principle of the rectifier device，finds out the burning cause，and puts forward the improvement measures，which can be a reference for related departments and communication.

electric locomotive;rectifier device;higher harmonic;burning;improvement

U264.3+71

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.01.22

1008－7842(2015)01－0097－04

)男，工程师(

2014－08－09)