CR400AF型动车组牵引变流器接地故障分析与处理

周新力

（中国铁路广州局集团有限公司 广州动车段，广州 511483）

牵引系统作为动车组关键技术之一，对动车组的安全运营起着至关重要作用。牵引变流器作为牵引系统核心部件，发生接地故障会造成牵引丢失现象，严重影响动车组线上运行秩序。因此，分析牵引变流器接地故障发生原因，归纳总结牵引变流器接地故障的排查方法，将有利于提高动车段故障处理能力和运用检修水平。

1 CR400AF型动车组牵引变流器简介

CR400AF型动车组牵引变流器是动车组将高压交流电转变为可控动力电源的一种变流装置，在M02、MH04、MB05、M 07车各配备1台。牵引变流器主要由2个四象限整流模块4QS1和4QS2，2个牵引逆变模块INV1和INV2，1个辅助逆变模块FUINV、1台辅助变压器、中间直流回路、无火回送装置、TCU控制单元等组成。变流器采用主辅一体化设计，同时集成冷却系统于一体，具有结构紧凑、功率密度大、轻量化程度高、易维护等特点［1］。牵引变流器结构原理如图1所示。

图1 CR400AF型动车组牵引变流器结构原理图

2 牵引变流器接地故障分析

2.1 接地故障检测机理

CR400AF型动车组牵引变流器中间直流回路接有3个直流电压传感器VH1、VH2、VH3，其中VH1、VH2用于全中间电压检测，VH3用于半中间电压检测。接地电阻器R5、R6并联到牵引变流器的中间直流电压回路中，R5、R6的阻值相等，电阻器的中央抽头接地，VH3采集分压电阻R5上的电压，在额定运行期间，该电压值为整体DC回路电压的1/2，即半中间电压，如图2所示。

图2 牵引变流器内部接地检测电路

当牵引主回路发生接地时，半中间电压会发生波动，TCU检测到半中间电压超过全中间电压的85%或者低于全中间电压的15%时，持续超过200 ms后置位牵引变流器接地保护故障（代码3105）。此时牵引变流器由工作状态转为故障状态，封锁变流器所有脉冲，同时变流器内部的CIFR动作，导致相应单元的VCB断开，全列牵引自动丢失。

2.2 故障模式分析

根据CR400AF型动车组牵引变流器接地故障检测机理及其主电路分析可知，当牵引变压器二次侧、变流器直流环节、变流器辅助逆变环节、变流器牵引逆变环节、牵引电机等任一位置发生接地时，均可能导致报出牵引变流器接地保护故障。结合CR400AF型动车组在日常运用检修中遇到的变流器接地故障模式，总结得出其常见接地故障点如下：

（1）牵引变压器输出端插头（Pfiserer端子）

每个牵引变压器通过8个输出端插头（S1~S8）为所在牵引单元的2个牵引变流器提供电能。当牵引变压器输出端插头发生裂痕或出现内部烧损时，会导致牵引变流器中间直流回路输入端接地，动车组报出牵引变流器接地保护故障。

（2）车间过桥线电缆及连接器

车间过桥线电缆位于TP03、MH04、MB05、TP06车的2车之间，用于TP03、TP06车2个高压基本单元间的连接。若过桥线烧损或连接器内部烧损，可能报出牵引变流器接地保护故障。

（3）IGBT模块

牵引变流器4QS整流器（CPM1、CPM 2）、PWMI逆变器（IPM 1、IPM2）和辅助逆变器（APM）共包含5个IGBT模块，如发生IGBT模块击穿、模块母线排烧损等，可导致牵引变流器中间直流回路接地。

（4）牵引电机

牵引变流器通过整流、逆变后将驱动牵引电机工作，当发生牵引电机输入连接线接地、电机电气连接插头进水、相间阻值不平衡、定子绕组对地绝缘不良等故障时，将导致牵引变流器接地故障发生。

（5）接地检测单元

牵引变流器内部电压传感器VH1、VH2检测中间直流回路全电压，VH3通过分压电阻R5、R6进行中间直流回路半电压检测，并将检测信号发送至TCU进行处理，所以VH1、VH2、VH3电压传感器器件发生故障或TCU采集中间接地的板卡出现故障或分压电阻R5、R6发生故障时，可能报出牵引变流器接地保护故障。

3 牵引变流器接地故障诊断分析

CR400AF型动车组现车TCU软件无法判断出具体的接地故障点，当牵引变压器二次侧、变流器直流环节、变流器辅助逆变环节、变流器牵引逆变环节、牵引电机等任一位置发生接地时均会导致TCU报出牵引变流器接地保护故障。故障报出后，主断路器自动断开，全列牵引丢失，因TCU不能锁定接地故障点，其保护策略存在过保护，影响车辆运用。针对此问题，借鉴其他车型接地保护策略思路［2］，提出一种TCU故障诊断优化方案，具体如下。

3.1 优化方案

（1）牵引变流器直流环节接地（代码31CE）

牵引系统在运行状态下，设置中间直流回路接地故障诊断逻辑。若出现了半电压突变为0的现象，则TCU判断出牵引系统存在中间直流回路正母排接地；若出现了半电压突变为全电压的现象，则TCU判断出牵引系统存在中间直流回路负母排接地。变流器出现中间直流回路正母排或负母排接地，报出牵引变流器直流环节接地（代码31CE），并封锁变流器所有脉冲，断开变流器充电、短接接触器，此车牵引丢失。

（2）辅助高压侧接地（代码34FA）

牵引系统在运行状态时，设置辅助逆变器高压侧接地故障诊断逻辑。若出现了半电压突变在0和全电压之间变化且变化频率与辅变频率相同的现象，则TCU判断出牵引系统存在辅变输出接地，报出辅助逆变器高压侧接地（代码34FA），并封锁辅助逆变器脉冲，断开此车辅变输出接触器，此车牵引正常工作。

（3）牵引电机接地（代码34F9）

牵引系统在运行状态时，设置牵引逆变器输出接地故障诊断逻辑。若出现了半电压突变在0和全电压之间变化且半电压频率并非辅变频率，TCU先判断出存在接地故障，之后TCU停止某重牵引逆变器，半电压恢复正常，因此判断为此重牵引逆变器输出侧接地，报出牵引电机接地（代码34F9），并封锁该重牵引逆变器脉冲，该架牵引丢失。

（4）牵引变压器二次侧接地（代码3105）

牵引系统在运行状态时，设置牵引变压器二次侧接地故障诊断逻辑。若出现了半电压突变在0和全电压之间变化且半电压频率并非辅变频率，TCU先判断出存在接地故障，然后先后依此停止第一重、第二重牵引逆变器，此时仍然存在接地故障，因此判断为牵引变压器二次侧接地故障，报出牵引变压器二次侧接地（代码3105），并封锁牵引变流器所有脉冲，断开变流器充电、短接接触器和主断路器，全列牵引丢失。

3.2 成效分析

（1）优化前

CR400AF型动车组牵引变压器二次侧、变流器直流环节、变流器辅助逆变环节、变流器牵引逆变环节、牵引电机等任一位置发生接地时，均报出牵引变流器接地保护故障（代码3105），导致升弓单元主断路器自动断开，全列牵引自动丢失。根据国铁集团发布的《CR400AF系列动车组途中故障应急处理指导手册》（201901版）要求，故障发生后需切除故障单元受电弓、主断路器和高压隔离开关，换弓运行至前方站下车检查，对行车秩序影响较大。同时，由于高压隔离开关被切除，全车空调功率将自动减半，影响旅客舒适性。

（2）优化后

优化后只有牵引变压器二次侧接地会导致主断路器断开，其他点接地仅封锁故障变流器脉冲，仅造成单架或单车牵引丢失，不影响整车运行。

现车已结合TCMS网络软件升级实现了该优化方案，软件升级后，大大减少了牵引变流器接地故障对线上运行秩序的影响，同时可通过具体故障代码来缩小故障排查范围，提高了故障处置效率。

4 牵引变流器接地故障排查方法

由于牵引变流器接地故障点较多，在查找该类故障时，可根据HMI屏报出的具体故障代码结合TCU数据波形来确定故障发生基本范围，再参照如下方法来排查具体接地故障点。

4.1 中间直流环节或内部模块有接地

（1）检查2架牵引整流器、牵引逆变器、辅助逆变器及相关接触器、电缆插头，确认各部件有无放电烧损痕迹或有无异味来进行此类故障的初步排查。

（2）拆解牵引变压器2次绕组至牵引变流器输入侧1501~1504线，甩开牵引变流器半中间直流电压接地点，分别使用1 000 V兆欧表在牵引变流器输入侧和牵引变流器输出侧（511~516线处）测量变流器模块绝缘值是否正常，以此来判定变流器内部模块是否故障。

4.2 变流器输入侧或输出侧有接地

牵引变流器一边与牵引变压器相连，另一边与牵引电机相连，其接地故障的接地点有可能存在这2个设备当中。

（1）牵引变压器二次侧检查

在1501~1504线处，使用1 000 V兆欧表测量1501~1504线处至牵引变压器绕组侧绝缘是否正常，同时使用万用表测量同一绕组导通是否正常。

（2）牵引电机检查

拆下牵引电机插头，检查牵引电机插座有无电弧烧黑现象，检查牵引电机插头有无缩针、歪针现象以及电弧烧黑现象。

使用1 000 V兆欧表对4台牵引电机对地绝缘阻值进行测量，正常为无穷大。使用直流电阻测试仪测量牵引电机三相电阻阻值（UV相、UW相、VW相），正常阻值约为0.2Ω左右，三相电阻阻值差值不超过4%。

对1~4轴牵引电机进行4 500 V交流耐压测试，标准为漏电流<200 mA；使用14 000 V直流耐压机分别对4台牵引电机进行耐压测试，标准为漏电流<0.1 mA。

拆解牵引变流器逆变模块输出侧511~516线，使用1 000 V兆欧表分别从511~516线处以及电机插座处测量各连接线对地绝缘阻值，正常为无穷大。

4.3 检测回路故障

（1）TCU接地检测板卡或电压传感器VH1、VH2、VH3故障。对于这种情况，实际应用中直接更换该故障板卡和电压传感器。

（2）电阻器单元故障。使用万用表对电阻单元R5、R6的电阻值进行测量，观察其阻值是否都在正常范围内。

5 结束语

CR400AF型动车组配属广州动车段以来，发生多起牵引变流器接地故障，严重影响高铁线路运营秩序。通过不断总结故障排查处理经验，得出牵引变流器接地故障的一般排查方法，并从故障诊断逻辑出发，优化了牵引变流器接地故障检测逻辑，有效提高了动车段故障处理能力和运用检修水平。