某型动车组中间直流母线过压故障分析

黄树刚，黄卫斌，刘 哲

（中车永济电机有限公司 检测实验中心，陕西 西安 710018）

0 引 言

在单相交流供电的电气化铁路上，为使电力系统三相负荷尽可能平衡，接触网通常采用分段换相供电，每隔20～30 km设置一段供电绝缘区域，即分相区。接触网在分相区两侧由不同两相进行供电，在分相区内则无供电。动车组采用自动过分相的方式，控制单元接收到过分相信号后，封锁四象限整流器脉冲。为保证旅客乘坐的舒适性，在过分相过程中，车上的照明、空调、冷却装置等辅助设备需要正常工作，动车组辅助系统需要持续工作，仅依靠变流器的中间支撑电容储能难以维持辅助系统的持续工作，因此牵引逆变器需切换到制动模式，维持中间直流母线电压，为辅助系统供电[1-3]。

某型动车组在线路运行时，第02，04，05车同时报中间直流母线过压，牵引变流器切除，最后剩07车牵引变流器无法维持辅助系统运行，07车牵引变流器也被切除，导致全列牵引丢失，影响到动车组正常运行。通过车载故障数据分析，故障发生在动车组过分相时刻，故障原因为过分相时牵引逆变器产生的功率大于辅助变流器消耗的功率，造成中间直流母线过压。本文通过变流器系统和过分相时中压保持策略，结合车载故障数据分析研究，优化过分相时的中压保持策略以解决此类故障。

1 牵引系统和控制策略

1.1 牵引系统介绍

动车组牵引系统拓扑结构如图1所示。受电弓从25 kV接触网获得电能，通过牵引变压器降压后供给四象限整流器，四象限整流器将牵引变压器二次侧单相交流电转变成系统要求的3 600 V直流电，通过四象限控制算法使牵引变流器网侧功率因数接近1。中间直流回路主要起到储能和稳定中间直流电压的作用，将中间直流母线电压保持在3 600 V左右并保证能量传递时的瞬时功率平衡。中间直流母线回路的3 600 V直流电一路经过牵引逆变器的变换，向牵引电动机提供电压、频率可调的三相交流电源，实现动车组的牵引、制动等功能；另一路经辅助变流器换成三相380 V/50 Hz正弦交流电压提供给各类辅助负载[4-5]。

图1 牵引系统拓扑图

列车在牵引工况运行时，牵引电机工作在电动机状态，牵引逆变器工作在逆变状态，能量从中间直流环节流向牵引电机。列车在再生制动工况运行时，牵引电机工作在发电机状态，牵引逆变器工作在整流状态，可将牵引电机制动产生的能量回馈至中间直流母线，再经四象限逆变回馈至电网[6]。

1.2 过分相时中间电压保持策略

动车组在采用自动过分相的方式，在过分相时，主断路器断开，失去网侧对牵引系统的供电，四象限整流器停止工作，此时为保证车载空调、照明、冷却装置等辅助设备的正常工作，使牵引变流器工作在中间直流电压保持模式。中间直流电压保持模式下牵引变流器不再受控于列车控制级发送的牵引或制动指令，仅根据辅助供电系统的功率需求，由变流器控制单元控制中间直流电压保持稳定，利用再生制动反馈的能量保证辅助变流器及必要负载设备持续正常工作，进入辅助供电模式[7-8]。

进入过分相辅助供电模式后，牵引系统从牵引状态转变为制动状态，以保持中间直流电压的平稳。电机实际转矩Te=Te0+Te1，Te0为机车初始制动转矩，可根据Te0=P/n算出，P为初始辅助系统的功率，n为电机转速；根据P=UI可算出实时的辅助功率，Te1为机车转矩调整值。过分相时转矩输出控制逻辑如图2所示[9]。

图2 过分相转矩输出逻辑控制图

过分相时进入辅助供电模式时，主要包括初始制动和中间直流电压闭环控制两个过程。

（1）初始制动过程。当检测到过分相开始信号后，在四象限还未停机之前，牵引逆变器进入初始制动状态为辅助提供能量。

（2）中间直流电压闭环控制。当检测到过分相开始信号后，在四象限停机之后，牵引逆变器进入中间直流电压闭环控制。

2 故障数据分析

2.1 车载故障数据

动车组在运行过程中，因第02、04和05车同时报中间直流母线过压，牵引丢失，惰性运行降速至110 km/h，经机械师做牵引辅助复位后故障消除。故障时刻02车车载数据记录见表1所列，故障时刻车速151 km/h。

表1中过分相预信号为1，主断路器状态为1，可以看出故障发生在动车组接收到过分相预信号，主断断开之前，开始时四象限状态为1代表四象限还在工作时，牵引逆变器处于根据辅助功率进行初始制动的过程，初始制动阶段中间电压稳定的维持在3 340 V左右。当四象限状态为0代表四象限停机后，中间直流母线电压从3 507 V升高到4 000 V以上，超出中间直流母线一级保护阈值3 950 V，报出中间直流母线故障。可以看出中间直流母线过压故障发生在初始制动过程和中间直流电压闭环控制切换的过程中。

表1 02车车载故障数据

2.2 故障数据分析

动车组齿轮箱传动比为2.517，取半磨耗轮径值885 mm，可计算转速（单位：r/min）和车速（单位：km/h）变换比为15.01。故障时刻车速为151.13 km/h，则电机转速为：

如果单台电机施加的牵引力值T为-200.45 N·m，一台牵引变流器控制4台电机，则牵引逆变器提供的总功率（单位为kW）为：

鉴于车载故障数据的采样速度和精度，取故障前5个点的数据平均值，直流母线电压Udc为3 341.15 V，辅助输入电流IAPS为24.10 A，则辅助系统消耗功率（单位：kW）为：

由式（2）和式（3）计算结果可以看出，牵引逆变器提供的功率大于辅助消耗的功率。过分相时初始转矩设为200 N·m是按照辅助满载工况（220 kVA，功率因数为0.85）设置的。式（2）的计算结果与软件设置预期结果一致，但实际车上辅助负载偏小。从式（3）的计算结果看，当时的辅助功率为80.52 kW，接近半载。

中间直流母线过压的原因是由于在过分相时牵引逆变器初始制动最小转矩设置偏高，导致牵引逆变器提供的功率大于辅助消耗的功率，从而导致中间直流母线过压。04车和05车故障数据和分析计算结果与02车类似，此处不再赘述。

3 解决措施及效果

3.1 故障处理措施

优化牵引逆变器控制软件，将200 km/h以下过分相初始转矩最小值由-200 N·m改为-10 N·m，同时将过分相时牵引逆变器的加载斜率由3 000 N·m/s改为4 000 N·m/s。

3.2 故障处理效果

根据软件优化前后动车组的车载故障数据，整理和统计出过分相时直流母线过压故障次数，软件优化前后故障情况对比结果见表2所列。由表2可知，软件优化前过分相时各车均有直流母线过压故障发生，一个月内过分相时直流母线过压故障总共发生10次，软件优化后运行一季度，再无此类故障发生，说明软件优化明显，解决措施有效。

表2 软件优化前后过分相时直流母线过压故障情况对比

4 结 语

动车组直流母线过压故障发生在过分相时刻，牵引系统过分相时的初始制动转矩是按照辅助系统满载工况[10]（200 kVA）考虑的，而实际运行时，辅助系统并非满载工作，软件初始制动转矩设置偏大，导致动车组过分相时牵引逆变器发挥的功率大于辅助系统消耗的功率，造成中间直流母线过压故障，通过调整软件初始制动转矩和加载斜率，解决了动车组过分相时直流母线过压故障，提高了动车组运行的可靠性和稳定性。