CRH1型动车组变流器中间直流环节过电压的故障分析及预防

郑 敏，薛文敏，成 杰

（南昌铁路局 福州动车段，福州 350018）

CRH1型动车组变流器中间直流环节过电压的故障分析及预防

郑 敏，薛文敏，成 杰

（南昌铁路局 福州动车段，福州 350018）

针对CRH1型动车组配属福州动车段以来变流器模块故障频发的问题开展故障分析与对策研究。从变流器中间直流环节的控制原理入手，结合车载数据及故障发生时的环境数据进行分析，通过数据对比与实例验证判明故障真实原因，并提出变流器直流环节过电压故障的解决办法和预防措施。

动车组；变流器；故障分析；过压故障

自CRH1型动车组配属福州动车段以来，变流器模块故障频发，仅2012年就出现变流器模块故障69件，其中中间直流环节过电压达到23件。由此导致的变流器模块被隔离，影响正常的动车组运用和服务质量。因此从变流器中间直流环节的控制原理入手，分析原因，结合车载数据分析工作，提前采取措施显得异常重要。

1 变流器直流环节电压工作原理

1.1 变流器直流环节的基本组成

根据CRH1型动车牵引系统设计规范,网侧变流器将来自高压系统并经由网侧变流器的交流网侧电压转换为直流环节电压。电机变流器将来自网侧变流器的直流环节电压转换为三相电。三相电为可变电压和可变频率，适用于异步牵引电机的驱动和制动。

直流环节电路由网侧变流器的电容器、电阻器、二次谐波滤波器和电机变流器的电容器、斩波器以及辅助变流器的电容器共同组成。其中，二次谐波滤波器用来滤除网侧变流器的二次电流，减小中间直流环节电压波纹，从而减小牵引电机的转矩脉动。

网侧变流器和电机变流器中的直流环节滤波器是一个能量缓冲器。直流环节滤波器可稳定直流环节的电压，并包含足够的电容量以保证直流环节电压纹波维持在允许的限值内，使变流器得到精确控制。

1.2 中间直流环节的控制反馈

直流环节电压控制反馈原理是系统通过变流器模块的电压传感器对直流环节电容器的电压进行测量，并将数值反馈至各自的控制单元进行计算，经过其计算值再反馈至牵引控制单元（PCU），PCU将其4个值进行对比，若出现不一致，则根据测量值与基准值的比对来对中间直流环节电压进行自动调节。

1.3 过电压保护原理

变流器的过压保护（OVP）可防止变流器模块受电压瞬变损害，通过打开和关闭过压斩波器，过压保护可将直流环节保持在高低电压限制之间。当激活斩波器时，电能消失在过压电阻中，同时，直流环节电压开始下降。当电压水平达到最低限制时，斩波器失效。只要系统检测到直流环节高压，斩波器就处于工作状态。

如果直流环节电压持续上升，超过过压水平，将显示直流环节过压，并命令进行保护性关机。如果在正常运行过程中直流环节电压低于欠压水平，显示直流环节欠压，并下达保护性阻断指令。不管是直流环节过压还是欠压，最终都将对变流器进行保护。过电压保护原理如图1所示。

图1 过电压保护原理

直流环节电压水平的设定：直流环节过压等级（保护性关机）1 950 V；直流环节电压OVP开启等级1 900 V；直流环节电压OVP关闭等级1 840 V；直流环节欠压等级（保护性阻断）200 V。

2 变流器直流环节过压故障分析

综合软件图及电路图判断，影响变流器中间直流环节过电压原因主要有2个：直流环境测量有误及网压等外部因素造成的过压。而影响直流环境测量故障的3个条件分别为电压测量传感器故障、变流器驱动控制单元故障（DCU）和电缆传输故障。

为了准确锁定故障原因，提出后续故障判断处理的依据。技术员组成车载数据分析小组在日常工作中采取3步走的方法：（1）分析故障，从已发生故障的数据分析、比对查找原因；（2）摸索“病灶”，排查故障发生之前该系统（或部件）的历史事件记录，从海量的数据中查找异常，推断可能的“病灶”；（3）验证预判，在实际运用中确诊所预判的“病灶”准确性和对应措施的可行性。

2.1 车载数据分析

利用2012年5月13日CRH1083A动车组发生“中间直流环节过电压故障”前的车载数据及故障发生时的环境数据进行分析，发现在出现中间直流环节过电压故障的前3天，直流环节电压值曾出现波动，且在极短时间内超过标准值范围。

查看故障发生时的网压无异常，由此断定出现直流环节过电压是因直流环境测量故障引起，通过排查电压测量传感器、变流器驱动控制单元故障（DCU）和电缆传输，最终确认电压传感器存在问题，更换该元件后故障消除。

2.2 条件假设

由以上经验假设直流环节电压是否波动可以作为后续可能出现直流环节过压故障的一个依据，为此车载数据分析加强了对日常车载数据的筛选、分析，并进行验证。

2.3 故障验证

在2012年5月21日，技术人员发现配属的CRH-1084A动车组中间直流环境出现了类似的波动，且间断性的中间直流电压超出正常值，持续时间为1 s～3 s不等，但均未引起其它故障。根据此前的经验推断，随着故障的扩大，后续动车组会发生中间直流环节过电压的故障，且故障点可能为电压传感器。经过近一周的跟踪，2012年5月28日，动车组在运行途中果然出现了中间直流环节过电压的故障且造成牵引控制单元模块（LCM）被隔离，通过更换电压传感器，故障消除。

由以上分析和验证，认定出现中间直流环节过电压的主要原因是：外部网压电压波动、中间测量环节故障，并可以通过跟踪直流环节电压的波动情况对故障进行预判。

3 变流器直流环节过压故障预防

结合车载数据的分析、摸索和验证，提出了以下预防动车组运行途中中间直流环节过压问题的方法：

（1）完善典型故障案例，将“直流环节电压测量值”作为车载数据分析中的一个监控值，加强车载数据分析工作，重点盯控中间直流环节电压变化情况，出现波动则立即查看当时的网侧电压以排查是否因网侧电压波动造成，若因网侧电压波动引起则在运行途中加强监控，出现变流器保护性关机时，按照《CRH1型动车组应急处置手册》要求进行复位。

（2）完善动车组一二级检修作业流程，要求检修作业者在作业前及时查阅智能显示单元（IDU）故障记录，在无IDU故障记录但车载数据监测到中间直流环节电压波动的情况下，激活列车，利用中央控制单元的TC CCU软件检查并测试所有变流器模块中间直流环境的电压测试值是否符合标准值。

（3）在故障间断性出现的情况下，应做好传感器和变流器驱动控制单元（DCU）中间的接线检查，在确认接线无异常的情况下，通过更换电压测量传感器、变流器驱动控制单元（DCU）故障等不稳定的配件，提前处置隐患。

（4）因故障发生的原理相近，可将“中间直流环节过电压”问题的判断方法延伸用于“中间直流环境欠压”问题的判断，此类问题均可以采用同样措施。

4 结束语

为了解决CRH1型动车组配属福州动车段以来变流器模块故障频发的问题,开展故障分析与对策研究。依据CRH1型动车组变流器中间直流环节的基本组成、控制反馈和过电压保护原理，提出中间直流环节过电压故障诊断思路。根据动车组车载数据在故障发生时的环境数据进行分析，通过数据对比和实例验证判明了故障真实原因。最后，根据故障技术特征提出关于CRH1型动车组变流器直流环节过电压故障的预防措施，该预防措施可有效控制过电压故障的发生。

[1]庞巴迪.MITRAC CC MAVIS 3.3用户手册[Z]. 2010.

[2]庞巴迪.CRH1型动车组电气原理图[Z]. 2010.

[3]庞巴迪.CRH1型动车组TCMS软件图[Z]. 2010.

责任编辑 杨利明

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本刊编辑部

Analysis and prevention of overvoltage failure on middle direct current section of CRH1 EMU converter

ZHENG Min, XUE Wenmin, CHENG Jie

( Fuzhou EMU Maintenance Base, Nanchang Railway Administration, Fuzhou 350018, China )

With respect to the frequent converter module failures after CRH1 high-speed trains allocated in Fuzhou EMU (Electrical Multiple Unit) maintenance depot, corresponding failure analysis and strategy study were performed. Based on the control principle of middle direct current (DC) section, combined with the running and failure data of EMU as the problem occurred, real failure cause was distinguished through data comparison and instance validation, failure treatment and preventive measure were also proposed.

EMU; converter; failure analysis; overvoltage

U231∶TP39

A

1005-8451（2014）01-0030-03

2013-04-17

郑 敏，高级工程师；薛文敏，助理工程师。