HXN5型机车通风散热对IGBT故障的影响分析

张铁志

(中国铁路哈尔滨局集团有限公司 黑龙江 哈尔滨 150050)

0 引言

HXN5型机车是干线货运用大功率交流电传动内燃机车，由中车戚墅堰机车有限公司(以下简称“戚墅堰公司”)及美国通用电气合作研制，通用电气通过技术转让的方式转让其技术，由戚墅堰公司制造。该型机车装用GEVO-16型柴油机，采用轴控式交流传动技术，交流发电机输出的电能，经主整流模块整流变为直流电，再经过变流器转换成可变频率的交流电，提供给交流牵引电动机，驱动机车运行。绝缘栅双极型晶体管(以下简称“IGBT”)是控制系统中变流器的核心部件，具有开关频率高、导通功耗小、控制方便的特点，能够满足高电压、大功率的场合需要，也是引进技术的核心部件之一。

HXN5型机车自2008年在哈尔滨局集团公司投入运用，最多时配属320台。目前基本都经过了第一次C6修，新造后累计走行200万km以上。在十余年的运用过程中，机车变流器的IGBT故障率偏高。统计哈尔滨局集团公司各段从2011年至2020年10年间IGBT的故障数据如表1所示。

通过表1的数据分析可以看出，HXN5型机车IGBT故障有一定的规律性，即从新造大量投入运用的2011年，后到批量开始C6修的2018年，故障件数明显呈逐步增加趋势；经过C6修后，以及在通风冷却系统采取了一系列措施，从2019年、2020年开始有明显回落，而经过与专业维修厂家核实，机车C6修时IGBT并未进行更新，只进行了检测并用超声波清洗机对散热片进行了彻底清洗。

表1 HXN5型机车IGBT故障统计表

1 HXN5型机车IGBT通风冷却系统原理

分析IGBT冷却空气系统原理(见图1)，外界空气经车体V型滤网过滤树叶等较大杂物，进入塑料惯性滤清器过滤灰尘等杂质后，经过主、辅发电机通风机叶轮压缩送风，然后分成两路：一路穿过风道进入逆变器散热片风道，冷却逆变器(IGBT),然后经过风道进入交流发电机，对交流发电机冷却后，进入柴油机室，给柴油机室加压，防止外界灰尘进入；另一路从通风机叶轮出来，经过辅助室空气滤清器过滤，然后分别进入辅助室和控制区1(CA1)，给电子设备冷却，冷却后的空气给辅助室和控制区加压，防止灰尘进入。

从原理图可以看出，从主、辅发电机通风机送出的压缩空气，一路经过空气滤清器过滤后，输送到辅助室和控制区，用于冷却电子部件；另一路直接输送到逆变器组用于冷却IGBT和交流发电机。

图1 IGBT冷却空气系统原理图

2 故障原因分析

(1)从结构原理分析

从HXN5型机车变流器通风散热系统结构看，用于冷却辅助室电子部件的空气经过二次过滤，空气中的灰尘被过滤掉，空气清洁度较高，能够满足其他电子部件冷却散热需要；而用于冷却IGBT和交流发电机的空气，只通过了V型滤网和塑料惯性滤清器的初级滤清(见图2)，只把空气中的较大杂物和砂尘颗粒过滤掉了，而对于粉尘等细小杂质颗粒则无能为力。导致含有一定数量粉尘颗粒的空气进入IGBT散热片风道后，受风道散热片的阻挡影响，风速下降，部分细小粉尘颗粒产生聚积，附在了散热片表面。不仅影响IGBT散热，也会影响风道的风流量，导致IGBT散热不良。这种情况受机车运用条件影响较大，如果机车经常工作在矿山、煤矿或气候干旱等沙尘大的地区，尤其明显。

图2 V型滤网和塑料惯性滤清器

(2)从日常检修情况分析

在机车日常检修以及IGBT发生故障更换过程中，通过对IGBT散热片的风道检查，发现普遍存在积灰较多的情况，例如：2018年10月15日，HXN5型206机车4B相IGBT故障后换下，检查发现散热片积灰严重(见图3)；在日常吊修交流发电机过程中，也发现发电机内部和柴油机输出端积灰较多，例如：2020年3月15日，HXN5型044机车因交流发电机绝缘降低进行了调换处理。拆下交流发电机后，发现柴油机输出端积有大量灰尘(见图4)，而冷却交流发电机的空气是经过IGBT的散热片过来的，因此，说明流经IGBT散热片的压缩空气中也含有较多沙尘，IGBT散热片积灰同样比较严重。

图3 IGBT散热片积灰图4 柴油机输出端积灰情况

(3)从交流发电机风压测量分析

把测量交流发电机风道处冷却散热系统的风压值作为辅助判断IGBT散热片脏污程度的参照标准。由于IGBT与交流发电机的冷却散热空气在同一个风路上，而且IGBT在冷却空气流向的前端，如果IGBT散热片积尘多，造成散热风道的截面积减小，风路流通不畅，势必导致到达位于风路下游的交流发电机处的冷却空气风压和风量减少。因此，通过在交流发电机的风道处测量风压变化，能够判断IGBT散热片的脏污程度。例如：HXN5型197机车2016年1月11日C5修时，测量交流发电机处风压为1 600 Pa，2018年3月23日2C4修时,测量风压为1 300 Pa，2019年10月31日C3修时,测量风压为100 Pa，2020年6月20日5C+相位IGBT发生饱和故障，此时在交流发电机处测量风压为900 Pa，拆解IGBT检查，发现散热片内部脏污严重，用硬质塑料条插入时阻挡明显、灰尘硬结,如图5所示。

图5 HXN5型197机车IGBT散热片积灰情况

为了进一步摸索IGBT故障与散热条件变化之间的关系，从2018年开始，结合修程对HXN5型机车交流发电机处的风道风压进行测量，2018年的测量统计结果如表2所示。

表2 2018年HXN5型机车修程风量测量和IGBT故障统计表

从表2的统计数据可以看出，交流发电机处测得的风压值与IGBT故障件数有明显的规律变化，即随着交流发电机处风压下降，IGBT故障呈上升趋势。在交流发电机处风压大于1 200 Pa时，风压变化对IGBT故障数量影响不明显；当风压在1 000 Pa～1 200 Pa时，故障率几乎增加了1倍；当风压小于1 000 Pa时，故障比例迅速提高，为风压处于1 200 Pa以上时的8倍左右。由此可见，冷却风道堵塞、散热不良对IGBT的故障率有直接影响。

3 解决措施

(1)对冷却IGBT空气通路增加一级滤清。

从机车冷却空气系统原理图能够看出，冷却IGBT的空气只经过了车体V型滤网和塑料惯性滤清器两级粗滤，冷却空气中仍含有较多的灰尘。它在冷却辅助室其他电器部件时经过了后续筒式滤芯的空气滤清器再次过滤，因此空气的清洁度较好，能够满足需要。而在冷却IGBT时未经过再次滤清，造成空气经过IGBT散热片时产生积尘，风道截面积变小、通风散热能力下降。为了解决这一难题，首先需要对冷却IGBT的空气进行再次过滤，减少空气中的粉尘量，从而防止灰尘在IGBT散热片聚积堵塞通风道。

用3 mm厚的过滤棉，采用袋式滤清器的形式，从内向外套装在机车辅助空气系统的3个塑料惯性滤清器上。过滤棉滤芯安装前后要对交流发电机处的风压进行测量，要求安装后风压降低不大于100 Pa,否则说明滤芯过于细密，影响冷却空气流通，需要进行减薄处理。滤芯安装后，应结合机车C2修时进行更换，防止长时间使用滤芯积灰多而影响空气流通。

(2)将从交流发电机处测量通风系统内压力纳入修程。

结合机车C5/C6修出厂整修，以及C1-C4修，测量交流发电机处通风系统内压力，监测IGBT散热片通风冷却情况。C6修时不低于1 744 Pa，C5修时不低于1 500 Pa，C4修时不低于1 200 Pa,C1-C3修时不低于1 000 Pa,否则必须查明原因并彻底处理。在排除通风机故障、滤网堵塞和空气外漏的情况下，应拆检IGBT检查清扫散热片。

(3)检查整修冷却通风系统各密封件，减少压缩空气外漏。

①机车C6修时必须更新IGBT安装胶垫，防止胶垫老化弹性下降失去密封作用，在日常测量发现交流发电机处风压降低时，应抽检胶垫状态；②检查机车辅助室(CA1-CA5)各门,确保没有翘起变形、锁闭良好，发现门变形，锁闭后密封不良的应进行彻底处理；③检查辅助室(CA1-CA5)各门，确保密封胶条完整齐全、无脱落缺失，防止密封不良空气外漏影响系统压力。

(4)跟踪IGBT故障，动态探索通风量与故障的关系。发生IGBT故障后，及时复测交流发电机处通风道空气压力，更换IGBT时重点检查后面散热片及风道的清洁情况，发现风压低或IGBT散热片脏污的，必须查明原因，并彻底处理，防止同类问题重复发生。

4 措施实施效果

从2019年开始，在HXN5型机车质量故障攻关过程中，结合修程组织落实上述措施，不断研究优化加装滤芯的过滤效果，将检查要求、风压测量方法和标准纳入作业指导书，加强措施落实过程中的跟踪指导，对C5修、C6修后机车复测风压把关，督促高级修单位提高源头质量。实施两年来，配属的HXN5型机车交流发电机风道压力低于1 000 Pa的已经全部消除，低于1 200 Pa的较2018年下降了50%，2019年以来IGBT故障件数较2017年下降50%左右，效果明显，提高了和谐型内燃机车运用可靠性。□