HXD2B型机车整流器IGBT静态故障的分析及预防措施

赵俊贤 中国铁路上海局集团有限公司合肥机务段

1 故障概况

2018年11月20及22日，合肥机务段HXD2B-0499机车连续2趟均出现途中主断路器断开后电机1自动隔离现象，乘务员在辅助DDU屏上确认隔离后维持运行。机车回段后，数据分析人员根据车载数据（微机控制系统数据）判断故障原因为1轴整流器IGBT静态故障，2次均是更换1轴CVE（可控整流器）模块，但11月23日运行途中该故障再次出现。

2 故障查找分析过程

2.1 车上检查

打开主变流柜1的左侧柜门，检查1轴主电路各相关部件及线路未见异常。微机控制系统上电，TCU1灯显正常。

2.2 对车载数据进行初步分析

转储车载数据进行分析，如图1所示，2018年11月23日20:26:03主断路器断开（ME_OUVDJ:MCB Open），20:26:05及20:26:17先后两次出现TCU1记录整流器IGBT静态故障（DA_DFRSICE:State feedback IGBT CVE），20:26:20出现电机1隔离（DM_ISOESS1:Motor1 isolation）。

图1 HXD2B-0499机车2018年11月24日入库车载数据截图

显然，电机1隔离的原因为1轴整流器IGBT静态故障。

2.3 结合整流器IGBT静态故障方程进行分析

根据HXD2B型机车相关技术文档（如图2所示）可知，在CVE模块停止工作后，TCU会在一定条件下检测CVE模块各桥臂状态（正常呈高阻态），如果检测到某个桥臂的上管或下管的功率元件（IGBT或二极管）短路，便会记录整流器IGBT静态故障。

图2 HXD2B型机车DA_DFRSICE故障说明文档截图

查看车载数据中DA_DFRSICE的相关背景变量（如图3、4所示）发现，其故障方程中的4个条件在本次故障中均得到满足：

（1）主接触器C1(IS)PMCF停止工作在2 s以上（见图1，DA_DFRSICE在主路器断开近3 s后出现）；

（2）母线电压2 900 V以上（见图3中背景变量crt1_inv_uf_filtre）；

图3 DA_DFRSICE背景变量（网压及母线电压）截图

（3）网压26 000 V以上（见图3中背景变量a_vtcatle_cve）；

（4）第1桥臂下管状态变量为“0”（见图4中背景变量e_ip_b1pmcf1）。

图4 DA_DFRSICE背景变量（CVE桥臂状态）截图

据此认为，TCU1记录整流器IGBT静态故障在逻辑上是没有问题的，TCU1确实检测到CVE模块第1桥臂下管出现短路情况。但1轴CVE模块已更换2次且下车的CVE模块装在其他机车上也工作正常，所以完全可以排除CVE模块本身故障的可能，故障处所应该在与1轴CVE模块第1桥臂下管相连的电气部件或线路上。

2.4 结合机车电路进行分析

图5 CVE模块b面桥臂驱动板接口原理截图

由图5可知，CVE模块的b面（side b）为第1桥臂，然后在图6所示的主电路原理图中确定了CVE模块第1桥臂下管的位置。考虑到HXD2B型机车各轴主电路直流环节负端（与各桥臂下管IGBT的发射极相连）正常是接地的（见图6），若1轴CVE模块第1桥臂下管IGBT集电极的相连电气部件或线路存在接地，那么相当于该IGBT的集电极与发射极通过地（车体）相连，即第1桥臂下管短路。于是拆除1轴直流环节负端接地线，使用1 000 V兆欧表测量整个1轴主电路对地绝缘，其绝缘值不到2 MΩ，再根据电路布线，拆除主变柜1内与主变压器a11接线端相连的1轴牵引绕组输出线，测量其对地绝缘电阻为2 MΩ左右。最终确定绝缘值低的处所为主变压器1轴牵引绕组接线端a11，擦拭清洁其绝缘子后，再次测量其对地绝缘电阻在100 MΩ以上。机车库内反复合、断主断试验良好，机车上线运行良好。

图6 主电路原理截图

3 故障原因分析

主变压器1轴牵引绕组接线端a11对地绝缘值较低（2 MΩ左右），此处直接与1轴CVE模块第1桥臂下管IGBT集电极相连，而该IGBT的发射极（1轴直流环节负端）正常就是接地的，这就相当于在CVE模块第1桥臂下管IGBT的集电极与发射极之间接入了一个2 MΩ左右的电阻（如图7所示），所以在主断路器断开后，TCU1先后两次检测到CVE模块的第1桥臂下管呈低阻态，从而记录整流器IGBT静态故障，系统保护性隔离第1电机。

图7 CVE模块第1桥臂下管接地短路示意图

4 预防措施

（1）保障HXD2B型机车主变压器接线端绝缘子的清洁度，防止因绝缘子表面较脏而降低接线端对地绝缘:

①机车修程时要加强主变压器各接线端绝缘子的擦拭保洁；

②定制、加装主变压器各接线端专用防护绝缘帽，将接线端整个防护起来。

（2）加强HXD2B型机车主变流柜复合冷却器漏水情况的防治，避免雨水通过复合冷却器浸湿主变压器接线端，从而导致其对地绝缘降低。

（3）提高HXD2B型机车车载数据分析能力，加强数据分析，充分发挥数据的故障预警作用，以降低故障漏报及故障处理不彻底的情况。

5 结束语

（1）整流器IGBT静态故障的各桥臂状态背景变量值表示TCU记录的CVE模块停机状态下的桥臂上、下管状态，“1”表示该管状态良好（呈高阻态），“0”表示该管故障（呈低阻态）。各桥臂上、下管状态由CVE模块驱动板检测，经硬线电路反馈给TCU，最终由TCU根据图2所示故障方程中的条件判断是否发生整流器IGBT静态故障，所以CVE模块驱动板至TCU的状态反馈线路或供电线路存在虚接、断路也会导致整流器IGBT静态故障的发生。

（2）HXD2B型机车的车载数据实时记录着机车运行中发生的各种故障、事件及当时的各种工况参数（背景变量），非常有利于故障的判断，但在很多情况下，数据中记录的信息并不能直接指向故障处所，只是提供了有用的线索，必须要结合故障原理、机车电路及相关理论进行综合分析才能准确查找出故障点，所以单纯依靠车载数据进行故障判断是有很大局限性的。本文整流器IGBT静态故障的判断充分利用了车载数据，通过对整流器IGBT静态故障原理及机车电路的分析，准确地找到故障处所，对HXD2B型机车相关故障的判断具有重要的借鉴意义。