重庆轨道交通2号线列车过压斩波IGBT(绝缘栅双极型晶体管)故障分析及解决措施

2024-02-23谷翠军吴晓东李国银

城市轨道交通研究 2024年1期

谷翠军吴晓东李国银杨吉

(重庆中车四方所科技有限公司, 401133, 重庆)

重庆轨道交通2号线(以下简称“2号线”)是我国西部第一条城市轨道交通线路,也是我国第一条跨座式单轨线路, 于2004年11月开通运营。2号线列车在正线运营时,牵引逆变器VVVF(变压变频)箱多次发生过压斩波IGBT(绝缘栅双极型晶体管)故障,并伴随GR(接地)故障,导致列车下线,严重影响线路的正常运营。对此,本文基于过压斩波原理,结合故障现象、网络数据及有关试验验证,分析并确定故障原因,进而提出解决措施。

1 过压斩波原理

车辆制动时,牵引逆变器VVVF箱处于再生制动工况,牵引电机处于发电状态,将列车动能转化为电能,并回馈至牵引逆变器VVVF箱直流侧,通过受电弓反馈给直流电网[1]。当电网无法完全吸收反馈能量时,电网电压将迅速升高,进而导致VVVF箱中的支撑电容电压上升。为了保证电网及列车行车安全,2号线牵引系统采用了电阻消耗型再生能量回收技术。当支撑电容两端电压过高时,过压斩波器工作,通过过压吸收电阻消耗多余的电能并以热量的形式散发,从而降低母线电压[2]。

图1为2号线车辆单元组过压吸收回路拓扑图。由图1可知:过压吸收回路由过压斩波器Q和过压吸收电阻Re组成;PT为电压传感器,用于实时检测支撑电容SC两端的电压;CT为电流传感器,用于检测斩波回路电流,并根据检测的电流值对过压吸收回路进行相应的故障保护。受车辆结构限制,2号线车辆每个单元组的三路过压斩波回路共用同一个Re。

注:Udc—DC 1 500 V电源;TD—二极管。

2 故障现象及分析

2.1 故障现象

在临江门站—较场口站区间运行中,多列列车的司机室TCMS(列车控制管理系统)监视屏显报OVT-IGBT(过压斩波IGBT)故障和GR故障,导致列车下线。

故障列车回库后,对其高压回路的熔断器箱、隔离开关箱、高压接线箱、断路器箱、VVVF箱等设备进行开箱检查发现,断路器箱内过压吸收电阻的电阻带脱落至箱体底部。用万用表二极管档对VVVF箱中的斩波器Q两端电缆测量发现,正反均导通,说明斩波器Q被击穿损坏。故障列车其余箱体设备均无异常。

VVVF箱体返回工厂后,经拆解、试验和测量发现,斩波器Q及其驱动板、适配板和过压吸收电阻均出现损坏。

2.2 故障机理

图2为OVT-IGBT故障判定逻辑。由图2可知,当控制器检测到OVT-IGBT故障位置位、控制器及RIOM(远程输入输出单元)电源正常,并持续0.5 s后,便向TCMS上报OVT-IGBT故障并切除本单元牵引。若车体电位较接触网负线电位高100 V,则触发GR故障。

图2 OVT-IGBT故障判定逻辑图

2.3 故障分析

IGBT故障树如图3所示。由图3可知,OVT-IGBT故障原因可能为IGBT本体失效、适配板故障、驱动板故障、供电故障或控制器故障。结合VVVF箱体中驱动板、适配板、斩波器IGBT都出现损坏现象,可初步推断导致OVT-IGBT故障的原因为:在斩波器Q工作时,过压吸收回路中存在瞬时电压尖峰,击穿了驱动板、适配板和斩波器IGBT,于是报出OVT-IGBT故障。此外,由于IGBT被击穿,过压斩波回路处于导通状态,故过压吸收电阻长时间工作,最终温度过高而损坏。而损坏的电阻碎片接触车体,导致车体带电,进而触发GR故障。

图3 IGBT故障树

3 试验验证及改进措施

3.1 试验验证

为进一步确定OVT-IGBT故障原因,本研究根据车辆实际走线长度,搭建了2个实物测试单元(PU1、PU2)进行双脉冲试验。双脉冲试验接线如图4所示。PU1到过压吸收电阻的距离约为1.8 m,PU2到过压吸收电阻的距离约为16.6 m,过压吸收电阻阻值Re=5.4 Ω。通道1测量PU1单元斩波器Q的集电极C和发射极E之间电压VCE1,通道2测量PU2单元斩波器Q的集电极C和发射极E之间电压VCE2,通道3测量PU1的斩波电流I1,通道4测量PU2斩波电流I4。