王学通 葛滨

【摘  要】某型动车组运行途中报出“中间直流母线过压”故障，导致全列牵引被自动切除，影响该动车组的正常运行。通过下载并解析列车故障时刻数据记录，发现故障时刻列车正处于分相区，结合动车组牵引系统原理及过分相中间直流母线电压保持策略对故障原因进行分析，最终发现此故障是由于列车在过分相时牵引逆变器初始制动转矩较大，因为牵引逆变器制动提供的功率大于辅助系统消耗的功率，从而导致中间直流母线过压。通过调整牵引逆变器软件控制参数的初始制动转矩和加载斜率使得软件进行有效优化，对软件优化后数据进行分析发现优化效果明显，说明此次优化可为同类产品设计及故障分析提供一定借鉴和参考。

【关键词】动车组;过分相;牵引系统;直流母线

引言：

现阶段我国电气化铁路采用单相交流供电的供电方式。为尽可能平衡电力系统的三相负荷，接触网通常采用分段换相供电，即每隔一段设置一段供电绝缘区，通常该区段为20-30公里，这段供电绝缘区被称为分相区。高压接触网在分相区两侧供电，而分相区内电压值为0。动车组通常采用自动过分相，即控制单元接在接收到过分相信号后，控制单元对牵引四象限整流器的脉冲进行封锁。在分相区为保证乘客的舒适度，此时列车辅助设备（照明、空调、冷却装置等）需要持续工作，此时牵引逆变器需要切换到制动模式，以维持中间直流母线电压为辅助系统供电。

某型动车组载客运行途中，02、04、05车同时报出“中间直流母线过压”故障，故障车厢牵引变流器被自动切断。最后，因07车牵引变流器不足以维持全列辅助系统的正常运行，导致07车牵引变流器也被自动切除，最终造成整列牵引全部丢失。根据车载故障数据分析，故障发生在动车组过分相时刻，故障原因为牵引逆变器的输出功率大于辅助变流器消耗的功率，从而导致中间直流母线过压。本文通过结合牵引系统和过分相时的中压保持策略，结合车载故障数据的分析研究，优化过分相时的中压保持策略，以解决同类型产品的故障。

1 牵引系统及中压保持策略概述

1.1牵引系统概述

动车组牵引系统拓扑图如图1.1所示。受电弓首先通过接触网获得25kV高压电能，接着牵引变压器将25kV高压电能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3600V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3600V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3600V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[1]。

当列车处于牵引工况下，牵引逆变器处于逆变状态，能量从中间直流环节流向牵引电机，牵引电机此时为电动机状态;当列车处于再生制动工况时，此时牵引电机为发电机状态，牵引逆变器通过整流将牵引电机制动产生的能量回馈至中间直流母线，再经过四象限逆变反馈至接触网[2]。

1.2中压保持策略概述

当动车组进入分相区时，主断路器自动断开，接触网不再为牵引系统的供电，此时四象限整流器停止工作。为保证分相区内车载空调、照明、冷却装置等辅助设备能够正常工作，采用中压保持策略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[3]。

进入辅助供电模式后，为保持中间直流电压的平稳，此时牵引系统从牵引状态转变为制动状态。中压保持策略主要包括初始制动和中间直流电压闭环控制两个过程。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系统提供电压，此时为初始制动过程;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

故障时刻车载数据如表1所示。其中过分相预信号为高电平，主断路器状态同时显示高电平，可以分析出故障时刻列车处于接收到过分相预信号，主断断开之前的工况。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3340V 左右;当四象限状态由1变为0时表示牵引四象限停机，此时中间直流母线电压从3507V升至4000V以上，超出中间直流母线一级保护阈值3950 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。

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，功率因數为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 故障处置措施及效果

3.1 故障处置措施

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降低为-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 故障处置效果

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。在软件优化前全国动车组各车型共发生列车过分相工况下直流母线过压故障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。

4 结语

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[4]（200 kVA）考虑的设定的，而实际运行时，辅助系统并总是非满载工作。由于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，最终造成中间直流母线过压故障报出。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，大大提高了动车组运行的可靠性和稳定性，为同类产品设计及故障分析提供一定借鉴和参考。

参考文献：

[1]管俊青，王雷，牛勇. 牵引功率单元IGBT保护电路优化设计[J]. 机车电传动，2017，000（004）：20-22.

[2]冯晓云. 电力牵引交流传动及其控制系统[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]蒋威. 动车组变流器中间直流电压保持控制策略研究[J]. 机车电传动，2019，267（02）：35-40.

[4]LIU Jing. Analysis on the load management of medium voltagePower supply system of Chinese StandardEMUsCR400BF [C]// The 3rd international conference on electrical and information technologiesfor rail transportation.[S.l.：s.n.]，2017：88-94.