特殊区段对HXD1C型电力机车运用的影响

张 勇, 齐建刚

(1 乌鲁木齐铁路局 哈密机务段, 新疆哈密 839001;2 乌鲁木齐铁路局 乌鲁木齐机务段, 新疆乌鲁木齐 830023)



特殊区段对HXD1C型电力机车运用的影响

张 勇1, 齐建刚2

(1 乌鲁木齐铁路局 哈密机务段, 新疆哈密 839001;2 乌鲁木齐铁路局 乌鲁木齐机务段, 新疆乌鲁木齐 830023)

兰新铁路哈密至柳园区段线路的特点为风沙大、温度高、海拔高，HXD1C型机车在该区间长时间运行时，易造成牵引变流器及牵引电机温升较高，导致牵引变流器及牵引电机的故障。通过对机车运行数据的分析，提出了改善建议。

特殊区段; 高温; 高海拔; 牵引变流器; 牵引电机

兰新铁路东起甘肃省兰州市西至新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市，是新疆通往国内地的唯一铁路运输干线，是构成中国西北地区铁路网络的重要组成部分。兰新线全长1 950 km，最大坡道13‰，乌鲁木齐铁路局区间最大坡道11.5‰，单台HXD1C型机车牵引定吨为4 500 t。

其中哈密到柳园区间全长300 km左右，烟墩至小泉东持续6‰上坡道近200 km，超过1 400 m海拔的约100 km左右，该区间主要站点海拔为：哈密(海拔743 m)、烟墩(海拔695 m)、红柳河(海拔1 570 m)、照东(海拔1 649 m)、大泉(海拔1 770 m)、柳园(海拔1 806 m)。

兰新线牵引区段内有百里风区、安西风库等多个风沙地段，途经火州之称的吐鲁番，夏季最高环境温度可能达到50℃。

因此哈密至柳园区段线路的特点为风沙大、温度高、海拔高。

2013年4月乌鲁木齐铁路局投入使用大量HXD1C型机车，通过一年多的使用，牵引变流器元件故障、牵引电机温升持续偏高等故障明显增加，其中发生故障较多的区段为哈密到柳园。

按照HXD1C型机车安全保护的要求，机车牵引电机温度达到220℃时降功率、达到230℃时牵引封锁；牵引变流器水温达到55℃时降功率、达到60℃时牵引封锁。在之前的运用中，电机温度最高已达216℃，以及接近降功率的门槛值。按照添乘记录的情况，机车冷却水相比环境温度高出约10℃，夏季环温最高45～50℃，冷却水温将可能达到55～60℃，机车将降低功率使用或牵引封锁，造成机破，严重影响了列车的行车安全。

1 HXD1C型机车使用环境条件

机车在下列条件下，应能按机车额定功率正常工作。

(1)海拔高度：不超过2 500 m

(2)环境温度(遮荫处)：-25℃～+40℃

机车基础结构按照-40℃运用环境设计，并预留加强防寒设备安装接口和布线空间。机车能够在-40 ℃环境下存放，加强防寒后能够在-25℃～-40℃环境下正常运用。

(3)月平均最大相对湿度(该月月平均最低温度不低于25℃)：95 %

(4)环境条件：能承受风、雨、雪、盐雾、煤尘和偶有沙尘暴 。

2 特殊区段对牵引变流器的影响及分析

2.1 特殊区段对牵引变流器的影响

2013年5月至6月期间，技术人员在该区段添乘各吨位的机车，观察到机车在通过哈密至柳园的长达坡道时，环境温度约35℃左右，牵引变流器冷却水温度达到40℃～45℃，牵引变流器柜内空气温度在50℃左右，并且测试了相关参数，见表1。

2.2 分析

文献[1]指出，当机车运行在高电压、大电流负载下，反向电流产生的损耗在半导体器件总损耗中所占比重大大增加，从而会导致p-n结的温度急剧升高，降低了其关断性能，增加了半导体器件的故障。

考虑到IGBT厂家提供的不同工况下功率循环对于IGBT寿命的影响，不论是短脉冲(对应IGBT瞬间大电流)结温温升还是长时间IGBT壳的温升(对应长时间大电流导致的温升)，对IGBT功率循环次数(即寿命)都有直接的影响，特别是大的结温温升或是大的壳温升，对寿命的影响是越大则变得越明显，呈指数式衰减，如结温温升为30 K时IGBT元件的循环次数为107次，则结温温升上升到40 K时IGBT的循环次数已经降至3×106次，具体见图1及图2。

表1 各吨位机车测试数据

注：四象限输入电流为两个IGBT并联使用的电流。

图1 IGBT结温升对寿命的影响

图2 IGBT壳温升对寿命的影响

从测试的数据可知，HXD1C型机车单机牵引4 757 t在70 km/h速度等级运行时，牵引电机最高温度为194℃，逆变器输出电流为640 A，高于设计持续电流值598 A，逆变器实际输出电流偏大，导致IGBT温升加剧。

通过仿真，参考实际运用环境，柜内环境温度设定为50℃、牵引变流器模块电流设定为620 A，其IGBT的结温在100 ℃左右，结温温升在50 K左右(具体见表2)，其IGBT的循环寿命将降至3×105次。随着夏季高温的到来，IGBT的结温温升还会进一步上升，其IGBT的失效率也会进一步增加。

考虑到随着海拔的升高，空气压力和空气密度降低，引起空气介质冷却效应的减低，对于以自然对流、强迫通风及空气散热为主要散热方式的电气设备，由于散热能力的下降，温升将升高。而HXD1C型机车运行的哈密到柳园区间中，有超过1 400 m海拔的持续6‰上坡道约100 km，不管是通过水散热还是直接空气散热，在此区段运用将加速IGBT温度的上升。

表2 IGBT壳温温度仿真结果

表3 HXD1C 0749机车电机温度数据 ℃

综上所述，HXD1C型机车在哈密到柳园区间运行过程中，随着夏季温度的上升，在机车长时间持续满功率运行工况下，致使变流器元件电流偏大，IGBT短时芯片局部热损耗加大，半导体器件的故障率也随之升高。因此，牵引变流器模块故障确定为IGBT模块在大电流下关断失效造成，判断为IGBT热疲劳损伤造成元件故障。HXD1C型机车在该特殊区段长期运行时，变流器元件电流偏大，IGBT短时芯片局部热损耗加大造成元件故障。

3 特殊区段对牵引电机的影响及分析

3.1 对牵引电机的影响

根据2013年5月至6月期间技术人员添乘记录，机车在哈密到柳园区间牵引4 757 t和4 926 t运行时，当夏季高温来临之际，机车长时间持续满功率运行，而随着运行过程中海拔的升高，机车散热效率随之下降，致使牵引电机温度升至近200 ℃，接近牵引电机保护点(牵引电机温度设定为220 ℃降功率，230 ℃封锁牵引)。

HXD1C型0749号机车记录的主要温度中牵引电机1的温度已经达到216 ℃，具体见表3。

牵引电机内部温度的升高，致使气体分子运动加剧，气隙的起始放电电压降低，局部放电活动剧烈；随着温度的升高，平均放电量基本呈线性增长。因此，牵引电机长时间工作在高温情况下对于牵引电机内部的绝缘会产生较为严重的影响，直接影响其使用寿命。

3.2 分析

随着进入夏季温度的上升，环境温度接近+40℃，且持续6‰上坡道，海拔不断上升，机车长时间持续满功率运行，导致牵引电机和牵引变流器长期耐受高温运用，牵引电机和牵引变流器的故障率也随之升高。HXD1C型机车在哈密到柳园区间继续原有运行模式必将出现牵引电机超温保护和牵引变流器模块故障，致使降功率或牵引封锁而造成大批量机车机破或坡停。因此，HXD1C型机车在该区段单机牵引时适当降低功率。

4 牵引计算分析

由于兰新线中烟墩至小泉东区段持续6‰上坡道近200 km，按照列车牵引计算规程(TB/T 1407-1998)，牵引质量按限制坡道上长期运行速度应大于机车持续速度点(65 km/h)进行计算，因此，机车牵引吨位为：

文献[2]指出，当轮轨接触从干态转入水介质工况运行时轮轨的黏着系数会急剧下降，起动黏着系数从0.387降低至 0.319～0.255之间，机车能发挥的最大牵引力在约469～375 kN之间变化。因此，在雨天撒沙完全按照最优的情况下，且不考虑曲线附加阻力，计算出牵引吨位在3 800～4 800 t。

轮轨间的可用黏着是客观存在的，是由轮轨接触的物理状态所决定的，不能人为改变，机车黏着利用软件只能尽可能的接近可利用的黏着，并且可用黏着还与其他因素有一定的关系，如曲线因素、机车速度、撒沙量等，牵引定数需留有一定的裕量。综合以上所述，我们认为，最好按照雨天等轮轨黏着条件不佳时的情况来定义机车的牵引吨位，机车的牵引力应留有裕量，机车长期运行速度应在机车持续速度范围内，兰新线HXD1C型机车单机牵引吨位低于4 500 t。

5 结束语

由于兰新线哈密至柳园区段持续长大坡道、高海拔条件下，加之夏季温度较高，机车各部件工作环境恶劣，外部环境最高气温可达50 ℃以上，机车长时间运行在大电流的工况下，易造成温升较高，导致牵引变流器及牵引电机的故障。

通过对哈密至柳园区段运行的HXD1C型机车牵引变流器及牵引电机的故障数据的分析，提出如下改善建议：

HXD1C型机车夏季在哈密至柳园区段单机牵引时：

(1)HXD1C型机车单机最大牵引吨位不超过4 500 t，定速65 km/h。以避免高温、高海拔环境条件下长时间持续满功率运用造成牵引电机和牵引变流器故障以减少机车在该区间的故障；

(2)HXD1C型机车单机牵引时适当降低功率。

[1] В.И.БЕРВИНОВ等. 电感对电力机车主变流器可靠性的影响[J].变流技术与电力牵引.2014,(5):29-30.

[2] 申 鹏，王文健，张鸿裴，等. 撒沙对轮轨黏着特性的影响[J].机械工程学报.2010, 46(16):74-78.

Influence of Special Section on HXD1C Type Locomotive Operation

ZHANGYong1,QIJiangang2

(1 Hami Locomotive Depot, Urumqi railway bureau, Hami 839001 Xinjiang, China; 2 Urumqi Locomotive Depot, Urumqi railway bureau, Urumqi 830023 Xinjiang, China)

The characteristics of Hami-Liuyuan section of Lan-xin railway is sandy, high temperature and high altitude. For HXD1C type locomotive, long time running on this special railway section will result in high temperature rising of traction converter and traction motor. This will cause traction converter and traction motor failure. This paper analyzes the locomotive running data and puts forward some improved suggestions.

special railway section; high temperature; high altitude; traction converter; traction motor

1008-7842 (2015) 03-0083-04

男，工程师(

2014-12-22)

U266.2

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.21