HXD3型电力机车主变流器故障隔离与冗余运行策略分析

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摘要：HXD3型交流传动货运电力机车采用六组独立牵引变流器分别向六台牵引电动机供电的轴控式主电路架构，每组牵引变流器的主电路与控制电路相互独立，构成了完善的冗余运行体系。当某一组或几组牵引变流器发生故障时，可通过TCMS微机显示屏将故障单元切除，剩余单元仍可继续工作，实现整车的降级运行。本文基于HXD3型电力机车主电路原理，系统分析了主变流器的轴控式架构设计、各类故障的保护机制、故障隔离的操作方法以及不同故障模式下的降级运行能力。研究表明，六组独立牵引变流器的冗余设计显著提高了机车的运用可靠性，乘务员熟练掌握故障隔离操作是保障机车在故障状态下安全运行的关键。在此基础上，提出了故障隔离操作的标准化流程与运用建议。

关键词：HXD3型电力机车；主变流器；轴控；故障隔离；冗余运行


### 1 引言

HXD3型交流传动货运电力机车是目前我国铁路货运的主力机型之一，截至2009年4月已累计制造500台并配属5个铁路局，成为支撑京沪、京广两大铁路干线货运牵引的新一代主力机型。该机车功率达到7200千瓦，采用世界先进的交流传动技术，粘着系数高、牵引力大。在牵引传动系统方面，HXD3型机车采用了先进的轴控技术并引入冗余设计理念，所有高度集成板均双备份，出现故障后可自动切换，确保机车正常运行。

主变流器是HXD3型电力机车牵引传动系统的核心部件。机车共设有两组主变流器装置UM1、UM2，每组装置内含三组牵引变流器，分别向三台牵引电动机供电。整台机车共六组牵引变流器，分别向六台牵引电动机独立供电。这种“轴控”方式的显著优势在于：当某一组牵引变流器或某一台牵引电动机发生故障时，可以单独切除故障单元，其余五组仍可正常工作，机车仍具备约83%的牵引动力，足以维持运行至前方站或回段。

然而，主变流器作为大功率电力电子设备，在实际运用中不可避免地会发生各类故障。牵引变流器的故障保护机制涉及过流、过压、欠压、接地、过热等多种工况，保护动作后可能封锁门极、断开工作接触器并跳主断。此时，乘务员能否迅速、准确地识别故障类型并通过微机显示屏完成故障隔离操作，直接关系到列车运行的畅通与安全。本文从主变流器的系统架构出发，系统分析各类故障的保护机理、隔离操作方法和降级运行策略，以期为机车运用与故障处置提供技术参考。


### 2 主变流器系统架构与轴控冗余设计

#### 2.1 主电路的基本架构

HXD3型电力机车主电路主要由网侧电路、主变压器、主变流器及牵引电动机等组成。接触网25kV单相交流电经受电弓、主断路器和主变压器降压后，由主变压器的六个1450V牵引绕组分别为两套主变流器供电。主变压器设有六个1450V牵引绕组，分别用于两套主变流器的供电。

机车采用两组主变流器UM1、UM2，分别由主变压器的牵引绕组供电。每组主变流器内部可以看成由三个独立的“整流—中间电路—逆变”环节（称为牵引变流器）构成。也就是说，UM1包含CI1、CI2、CI3三组牵引变流器，分别向牵引电动机M1、M2、M3供电；UM2包含CI4、CI5、CI6三组牵引变流器，分别向牵引电动机M4、M5、M6供电。

每组牵引变流器分别设有两个接触器、一个输入电流互感器、一个充电电阻、一个四象限整流器、中间电路、一个PWM逆变器、两个输出电流互感器等组成。机车六组牵引变流器的主电路和控制电路相对独立，分别为六台牵引电动机提供交流变频电源。这种独立设计的优势在于：每组牵引变流器均有独立的输入、输出和保护电路，一组故障不影响其他组的正常工作。

#### 2.2 轴控技术的优势

所谓“轴控”，是指每组牵引变流器独立控制一台牵引电动机的供电与运行。与传统的“转向架控制”（一组变流器控制一个转向架上的多台电机）相比，轴控具有以下显著优势：

负载分配更加灵活。由于整车采用轴控方式，当整台机车的六个轴的轮径差、轴重转移及空转等可能引起负载分配不均匀时，均可以通过牵引变流器的控制进行适当的补偿，以实现最大限度地发挥机车牵引力。

故障隔离更加精细。当某一牵引电动机或其对应主变流器单元发生故障时，只需切除该单元即可，不影响其他五组牵引变流器的正常工作。而在转向架控制方式下，一组变流器故障将导致整个转向架的三台电机全部失电。

冗余度更高。六组独立牵引变流器的设计使得机车在单组故障时仍保有约83%的牵引动力，两组故障时仍保有约67%的牵引动力，足以应对绝大多数运用场景。

#### 2.3 牵引变流器的主要技术参数

牵引变流器的核心参数如下：额定输入电压为1450VAC，输入频率为50Hz，额定输入电流为965A，额定输入容量为1280kVA，中间电压为2800VDC。四象限整流器是一个脉宽调制变流器，通过脉冲宽度控制中间直流电压的幅值和流入变流器的交流电流相位，使交流电流的波形尽量接近正弦，使交流侧的基波电压和基波电流的相位差接近于0，既限制了谐波电流分量，又提高了机车功率因数。

牵引逆变器的参数为：额定输入电压2800V，额定输出电压2150V，额定输出电流390A，最大输出电流520A，输出频率0至120Hz。

牵引电动机的主要技术参数为：额定输出功率1250kW，额定电压2150V，额定电流390A，极数4，额定转速1365rpm，最高转速3195rpm，效率0.95。


### 3 主变流器故障类型与保护机制

#### 3.1 主变压器牵引绕组过流保护

在每组牵引变流器的输入回路中，设有一个输入电流互感器ACCT，起控制和监视变流器充电电流及牵引绕组短路电流的作用，其动作保护值为1960A。当牵引绕组发生短路或变流器输入回路出现严重过流时，ACCT检测到电流超过1960A即触发保护。

保护发生时，四象限脉冲整流器和逆变器的门极均被封锁，输入回路中的工作接触器断开，同时向微机控制系统发出跳主断信号。通过复位开关可进行恢复。若这种故障在三分钟内连续发生两次，故障将被锁定，必须切断CI控制电源，才能恢复正常。

这一锁定机制的设计意图是防止故障原因未排除时反复重合闸造成设备损坏。当故障被锁定时，该组牵引变流器已无法通过简单复位投入工作，必须通过微机显示屏将其隔离，以剩余五组维持运行。

#### 3.2 主接地保护

主接地保护电路由跨接在中间回路的两个串联电容和一个接地信号传感器组成。每台主变流器含有三套独立的接地保护电路，可以分别对三组牵引变流器进行接地监测和保护。

主牵引回路正常时，由于只有一点接地，接地保护电路中流过的电流为零，接地信号检测传感器无信号输出。当主电路某一点接地时则形成回路，接地检测回路有故障电流流过，传感器输出电流信号，使保护装置动作，其动作保护值为10A。

保护发生时，四象限脉冲整流器和逆变器的门极均被封锁，输入回路中的工作接触器断开，同时向微机控制系统发出跳主断信号。此时司机可将故障支路的变流器切除，机车还剩五分之六的牵引动力，继续维持机车运行，回段后再作处理。若确认只有一点接地，也可将控制电器柜上对应的接地开关打至“中立位”，继续维持机车运行。

#### 3.3 牵引电动机过流保护

在每组牵引变流器的输出回路中，设有输出电流互感器CTU、CTW，对牵引电机过载及牵引电机三相不平衡起控制和监视保护作用。牵引电机过载保护的动作值为1400A。

当保护发生时，四象限脉冲整流器和逆变器的门极均被封锁，输入回路中的工作接触器断开，同时主变流器控制单元向微机柜TCMS发出CI过流信息，实施跳主断。这一保护机制用于防止牵引电动机因长期过载或堵转而烧毁。

#### 3.4 原边电压保护

当原边网压高于32kV且持续10ms，或者是高于35kV且持续1ms时，CI实施保护，四象限脉冲整流器和逆变器的门极均被封锁，输入回路中的工作接触器断开，同时向微机控制系统发出原边过电压信息。

当原边网压低于16kV且持续10ms时，CI实施保护，四象限脉冲整流器和逆变器的门极均被封锁，输入回路中的工作接触器断开，同时向微机控制系统发出原边欠压信息。

#### 3.5 中间回路瞬时过电压保护

在机车出现空转、滑行或者受电弓离线造成的网压中断等情况时，牵引变流器的中间回路上可能出现瞬时过电压。为了防止这种过电压对变流器造成损坏，在中间直流回路设有瞬时过电压限制电路，由IGBT和限流电阻组成。

当中间回路电压大于等于3200V时，瞬时过电压保护环节动作，四象限脉冲整流器和逆变器的门极均被封锁，输入回路中的工作接触器断开。此外，当中间回路电压小于等于2000V时，中间回路低电压保护环节动作，四象限脉冲整流器和逆变器的门极均被封锁，输入回路中的工作接触器断开（库内动车除外）。


### 4 故障隔离的操作方法与冗余运行策略

#### 4.1 故障隔离的操作方法

当机车的主要设备发生故障时，微机显示屏的故障信息显示区会显示相应故障。司机可根据故障信息的显示及处置方式，进行相应的故障隔离或排除操作。

对于牵引电动机或主变流器故障的隔离操作，具体步骤如下：

第一步，在微机显示屏上进入故障隔离画面。HXD3型机车的牵引变流器隔离开关置于微机显示屏内，为触摸开关。

第二步，在画面上选择故障部位（如CI1、CI2等对应的牵引变流器单元）。

第三步，按下画面的隔离按钮（或称“开放”按钮），此时所选部位的显示变为“隔离”或“开放”。

第四步，确认隔离操作完成后，机车即隔离故障部位，可以继续运行。

在正常情况下，这些隔离开关均保持闭合状态。当由于某种原因，如牵引电动机发生故障、主变流器支路发生接地等，需要对某个牵引变流器支路或牵引电动机进行隔离时，即可通过上述操作完成。这些开关还可以用于牵引电动机转向试验和机车旋轮等。

#### 4.2 不同故障模式下的降级运行能力

根据故障类型的不同，HXD3型机车的降级运行能力有所差异：

单组牵引变流器故障。当某一组牵引变流器（如CI1）因过流、接地等原因触发保护并被隔离后，其余五组牵引变流器（CI2至CI6）仍可正常工作。机车牵引力下降约16.7%，但足以维持列车以较低速度运行至前方站。

单台牵引电动机故障。由于每组牵引变流器独立向一台牵引电动机供电，当某一台牵引电动机发生故障时，只需通过微机显示屏隔离对应的牵引变流器即可。其余五台牵引电动机正常工作。

主变流器装置故障。当某一组主变流器装置UM1（含CI1、CI2、CI3）因复合冷却器通风机故障、油泵故障等原因整体失效时，另一组主变流器装置UM2（含CI4、CI5、CI6）可继续工作。机车仍保有50%的牵引动力，足以维持运行。

需要特别注意的是，当牵引通风机发生故障隔离时，只有对应的主变流器和牵引电动机停止工作。当复合冷却器用通风机发生故障时，其对应的三组主变流器单元和三台牵引电动机全部停止工作。当主变压器用油泵发生故障隔离时，对应的三组主变流器设备和三台牵引电动机全部停止工作。这是因为这些辅助设备的故障会直接影响对应主变流器的散热条件，若继续运行将导致设备过热损坏。

#### 4.3 主变流器投入的条件

主变流器允许投入前必须具备的信号包括：牵引风机风速继电器KP41、KP42、KP43（分别对应三组牵引变流器的通风状态）、冷却塔通风机风速继电器KP47和主变压器油流继电器KP49信号。当这些风速或流速继电器均正常闭合时，说明主变流器工作的外围条件具备，可以投入运行。

这一设计体现了“先通风后通电”的安全原则——只有在确认冷却系统正常工作后，主变流器才允许投入运行，防止因散热不良导致设备损坏。在故障隔离操作中，如果某一辅助设备（如牵引通风机）发生故障导致对应的风速继电器不能闭合，对应的主变流器将自动被禁止投入，无需人工干预。


### 5 TCMS的冗余控制与故障诊断

#### 5.1 TCMS的双机热备机制

HXD3型电力机车的微机控制系统TCMS包括一个主控制装置和两个显示单元，其中主CPU采用冗余设计，设有两套控制环节，一套为主控制环节（Master），一套为热备控制环节（Slave）。当主控制环节发生故障时，备用控制环节立即自动投入工作。

微机控制柜中有两组完全相同的控制单元设备。一组称为主控设备（MASTER），另一组称为辅助控制设备（SLAVE）。在TCMS正常运行的条件下，主控单元工作，辅助控制设备为通电热备状态。主控单元发生故障时，辅助控制设备即刻自动投入使用。

这一双机热备机制确保了即使TCMS主系统发生故障，机车控制功能也不会完全丧失，进一步提高了系统的整体可靠性。

#### 5.2 故障诊断与信息显示

TCMS在机车出现故障时，以显示屏显示和报警灯指示的两种方式通知操作人员。在故障发生时，TCMS自动完成相应的保护动作，记录发生故障时的相关信息，为后期诊断提供有用且必要的信息。

通过设在司机室的微机显示屏，可以显示机车正常运行的状态信息，如网压、原边电流、机车工况、级位、机车牵引力、机车速度等；正常的设备工作状态，如主变流器、辅助变流器等；正常的设备开关状态，如主断路器、辅助接触器、各种故障转换开关；以及机车即时发生的故障信息、发生故障的设备、故障处理方法等。

当牵引变流器发生故障时，故障信息在司机室信息显示单元中显示出来，司机可以根据提示，通过按动故障复位按钮SB61（SB62）一次，将信号送到TCMS，TCMS再通过信息传递，通知牵引变流器实现故障的恢复。若故障不能通过复位恢复，则需按上述方法进行故障隔离操作。

#### 5.3 牵引变流器的试验与检测

为满足检修和试验的需要，HXD3型机车设置了主变流器试验开关SA75。当机车主断路器不具备闭合条件时，可以使用该开关通过TCMS对机车主变流器的控制单元进行检测，并在微机显示屏上进行显示。

在低压试验中，将SA75设定为试验模式后，可以在库内不带高压的情况下验证主变流器的控制逻辑是否正常。在高压试验中，通过微机显示屏的触摸开关使六组牵引变流器恢复正常运行状态后，可进行牵引动态试验，以低于20km/h的速度低速动车，观察各信息显示屏和故障显示单元显示正常。


### 6 结论与建议

HXD3型电力机车采用六组独立牵引变流器分别向六台牵引电动机供电的轴控式主电路架构，每组牵引变流器的主电路和控制电路相对独立，构成了完善的冗余运行体系。当某一组或几组牵引变流器发生故障时，可通过TCMS微机显示屏将故障单元切除，剩余单元仍可继续工作。

主变流器的故障保护机制涵盖了牵引绕组过流、主接地、牵引电动机过流、原边过压欠压、中间回路过压欠压等多种工况，保护动作后可通过复位或隔离操作恢复运行。牵引变流器隔离开关置于微机显示屏内，为触摸开关，正常时均闭合，需要隔离时通过触摸操作完成。

基于以上分析，提出以下建议：

建议一：将主变流器故障隔离操作纳入乘务员应急处置培训的必修项目。乘务员应熟练掌握通过微机显示屏进入故障隔离画面、选择故障部位、按下隔离按钮的完整操作流程，确保在故障发生时能够在1分钟内完成隔离操作。

建议二：在微机显示屏的故障信息显示中，增加针对不同故障类型的处置指引。当某组牵引变流器发生故障时，显示屏应明确提示“建议隔离CIx”等操作建议，减少乘务员的判断时间。

建议三：加强主变流器保护参数的定期校验。对输入电流互感器ACCT（动作保护值1960A）、接地保护（动作保护值10A）、牵引电机过流保护（动作保护值1400A）等关键保护定值进行定期校验，确保保护动作的准确性。

建议四：完善主变流器故障后的运行限速规定。根据故障隔离后剩余的牵引变流器组数，制定相应的运行限速和牵引吨位限制标准，为乘务员提供明确的操纵依据。


参考文献

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