中国神华神朔铁路分公司机务段 陕西榆林 719300
摘要：根据运行环境SS4G热管整流装置需设计散热量更大的散热器，交流传动电力机车在制动时回馈给电网的能量含有高次谐波，需要优化过压吸收参数。整流装置主整流桥全部采用5英寸元件，每个元件需配套高性能散热器以保证元件可靠工作，阻容参数设定为6μF和10Ω使得电阻温度下降明显，因电阻温度高带来的故障也消除了，新的主整流装置结构适应技术上的升级改进，合理的规划对外接口，适用SS4B现有车型，减少现场改造工作量。
关键词：5英寸元件；谐波；阻容吸收参数；高效散热器
1 引言
目前，SS4B直流传动电力机车是神朔铁路的主型牵引机车，随着铁路运输装备可靠性要求的提升以及技术的发展，使得机车主整流装置有了技术升级的必要性和可行性。
首先，现有的SS4B的机车主整流装置受当时设计时电力电子元件技术的限制，只能采用2个或多个元件进行串、并联解决机车牵引需要的高电压和大电流的要求。由于元件的静态和动态特性参数的差异，导致元件串联时存在不均压、并联时存在不均流的问题，从而使整流装置的故障率偏高。
其次，近年来交流传动电力机车已经大规模批量上线，神朔铁路也即将购入9600kW大功率交流传动机车以增加运力，导致神朔铁路也将有交流传动电力机车和直流传动电力机车混合使用的局面。而交流传动电力机车在制动时回馈给电网的能量含有高次谐波，使直流传动电力机车主整流装置输入电压恶化，从而造成元件的可靠性降低。
另外，随着电力电子元件技术的发展，采用经典的不等分三段半控桥电路形式的机车主整流装置每个桥臂使用一个大元件，在国铁的SS4G、SS6B和SS7E电力机车的主整流装置上都有使用，该技术已经日趋成熟可靠，并且彻底的根除了元件串、并联使用时的均压和均流问题，元件使用的数量上也大为减少，降低整流装置的故障率，增加了检修维护的便利性。
考虑以上因素，研制一台新型的整流装置，以提升整流装置的可靠性，降低全生命周期成本，对SS4B电力机车主整流装置进行技术升级是非常必要和有意义的。
2 发展现状与研究基础
2.1 国内外发展现状与趋势
我国的交直电力机车都是采用不等分三段半控桥电路形式，由于过去半导体技术的限制，机车主整流装置每个桥臂都使用多个元件串并联技术来满足电流电压参数的要求，如SS3B主整流柜，一个桥臂就用了6个元件，2串3并。自从5英寸大元件开发成功，首先在国铁的SS3B机车上应用了大元件整流装置，彻底地根除了元件串、并联使用时的均压和均流问题，元件使用的数量上也大为减少，增加了检修维护的便利性，同时降低了整流装置的故障率。
在国铁上，还有应用了热管技术开发的SS4G,SS6B和SS7E电力机车的主整流装置。
国鉄交直机车自20世纪70年代上线运行以来，先后开发了SS3系列、SS4系列、SS6系列、SS7系列、SS8系列、SS9系列等多种型号电力机车，其运行情况及故障率如表1所示：
表1 传统整流柜运行情况及故障率统计.png)
2005年，株洲电力机车研究所开发了用于SS3系列的大元件整流装置，替换原有的主主整流装置，至今已在近100台交直机车上使用，从运行5年的统计数据来看，其平均故障率低于0.5%/1000h。
针对SS4系列机车研发大元件主整流柜预计故障率也能达到SS3B大元件整流装置的水平：低于0.5%/1000h。
5英寸大功率半导体元件应用技术在国际铁路机车行业属首创，在已有机车整流技术的基础上，自主创新设计。
2.2 研究基础
应用于神华集团的SS4G和SS4B机车，由于运行区域灰尘较大，不宜应用国铁上的应用热管散热技术开发的SS4G热管整流装置，必需考虑恶劣环境对散热的影响，留有充足的裕量，需设计散热量更大的散热器。
其次，近年来交流传动电力机车已经大规模批量上线，神朔铁路已购入9600kW大功率交流传动机车以增加运力，导致神朔铁路也将有交流传动电力机车和直流传动电力机车混合使用的局面。而交流传动电力机车在制动时回馈给电网的能量含有高次谐波，使直流传动电力机车主整流装置输入电压恶化，所以，在元件参数上需重新设计，同时需要优化过压吸收参数。
另外，因为是替换原有的主整流装置，所以，在元件布局、结构设计上需要创新，尽量保证原有接口的对接。
3 研究实现
3.1 研究目标
满足SS4B固定重联机车的技术条件，并达到以下目标：①元件使用数量大为减少，增加检修维护的便利性，提高经济效益；通过主整流装置的技术升级，降低产品的故障率，平均故障率低于0.5%/1000h，提升运输效益；②大元件主整流柜全寿命周期成本比现有主整流柜全寿命周期成本低20%；③大元件主整流柜应用故障率比现有主整流柜应用故障率低30%；机械接口与现有SS4B机车保持一致，降低技术升级成本。
技术目标：①主整流装置功能要求：能够满足主整流装置的主电路相控整流调压、励磁加馈制动、功率因数补偿开关等全部功能；主变压器牵引绕组、整流驱动、牵引电机的设计原理、主要元件参数均与现有机车保持一致（仅驱动电流增大至2A）；②主整流装置过压保护要求：SS4B主整流装置过压保护的要求有两个，一个是优化阻容参数满足合理性要求，第二个是适应供电网谐波环境。对阻容参数进行理论和试验研究，定出的优化参数为6μF和10Ω；③机械接口要求：满足现有SS4B机车主整流装置机械接口要求，符合GB/T 21413.1-2008规定的绝缘距离及爬电距离，并使用符合此标准的绝缘材料；改造后电应力与原整流装置一致，不会对原有设备造成影响。
3.2 研究实现
（1）5英寸元件选取
采用5英寸硅元件，实现一个桥臂只用一个元件的技术升级。主整流柜每个桥臂选用一个5英寸硅元件，替代原来一个桥臂采用多个元件串、并联进行组合方式，提高可靠性及简化维护。
目采用所选用的元件经过充分的计算及试验验证。其特点是保证电流裕量不变的前提下，元件耐压等级提升了1000V，以应对网压变化。
（2）高效散热器的开发
相对原整流柜的2.5英寸元件， 5英寸硅元件对散热的要求更高，在既有的通风条件下，开发与元件相配套的高效散热器满足散热要求。
整流装置主整流桥全部采用5英寸元件，每个元件需配套高性能散热器以保证元件可靠工作，在散热器的设计过程中，如果采用常规设计，则只能得到常规的散热器，但是采用先进的设计方法，所以获得了散热效率最高的散热器：研究所有能得到的铝型材散热器加以研究，找到散热效率最高的铝型材散热器，获得其结构参数，应用到具体需求中来，设计了一款模具冷拉成型的铝型材散热器，具有热容量大，热阻低的特点，实际热阻仅0.018℃/W，取值0.02 ℃/W。
（3）阻容吸收参数设计
由于交流传动电力机车制动时回馈给电网的能量含有高次谐波，交流传动电力机车和直流传动电力机车混用时会对直流传动电力机车造成负面影响，需要优化主整流装置的过压保护参数。
对整流装置起主要换向过电压吸收作用的其实是变压器次边的阻容电路。 阻容并联在主变压器次边的绕组上，作用是吸收变压器的操作过电压（储存在变压器内的能量释放）和整流柜的换向过电压（储存在变压器次边漏抗的能量释放）。主机厂在SS4B上采用了18μF和3.1Ω的阻容参数，从本身的功能上讲也没有问题，但是，带来的另外的问题是电阻上的温度高（电容大），和晶闸管承受的di/dt高（电阻小）。
这种设计思路在其它车上也暴露出上述问题，如SS3B重联车和SS4G机车，电阻和相关的组装部件因高温而更换频率高，考察知道的怀化段每年都要更换阻容的固定支架（环氧条）。6年前国铁开始换装大元件硅整流柜，每个桥臂只用一个元件替代原设计的多个元件，这样di/dt高的问题就由一个元件承担，超出了晶闸管元件的固有承受能力。 8年前配合大元件硅整流装置的推广，对阻容参数进行了理论和试验研究，发现电容太大，电阻太小对过压的吸收没有实际意义，通过研究初步定出的优化参数为6μF和10Ω。通过1:1试验表明，电容增加到18μF，过电压的降低与6μF相比几乎可以忽略；电阻用3.1Ω，阻容支路的阻尼偏小，电容容易与变压器漏感和其它分布电感产生振荡，反而有增加过电压的几率。优化参数设定为6μF和10Ω使得电阻温度下降明显，因电阻温度高带来的故障也消除了。 电阻的功耗还与整流柜的移相角有关，当在电压过零附近换向时，电阻上的功耗很小，但是在电压峰值附近换向时，电阻上的功耗最大。所以，机车运行过程中，电阻上的功耗是变化的，如果整流柜的工况停留在电压峰值附近换向时长时间运行，则电阻的温度就会升上去，如果所选电阻功率不够，电阻就会烧损。
自从供电网出现高频谐波以来，阻容对谐波也有明显的吸收作用。下图是和谐3机车的DC600V列供装置输入端（AC860V）测到的电压对比情况，图2是列供装置的输入端接触器未合上，即阻容吸收未投入，当司机按紧急制动时，在列供输入端产生的3000V以上的高频谐波，图3是列供装置的输入端接触器合上后，即阻容吸收已投入，当司机按紧急制动时，在列供输入端产生的上述3000V以上的高频谐波被吸收殆尽。而列供采用的阻容参数也是6μF和10Ω，也采用与SS4B的整流桥有相同的原理的相控整流桥。可见，对网上谐波的吸收采用阻容参数6μF和10Ω已足够，再增加电容值也没有实际的意义，而且，增加电容值会显剧增加电阻上的功耗，不利于在原有空间的改造。
图2 按紧急按钮波形（列供未开，电压最大值(3.156KV)和最小值(-3.165KV).png)
图3 按紧急按钮波形（列供已开，阻容投入后波形）.png)
（4）主整流装置的结构和接口设计
设计新的主整流装置结构适应技术上的升级改进，合理的规划对外接口，适用SS4B现有车型，减少现场改造工作量。此外，本大元件整流装置元件数量较之前大为减少，且每个桥臂只有一个元件，这便提升了整流装置的性能，也使设备的维护更加便利；另外，因为是替换原有的主整流装置，所以，在元件布局、结构设计上需要创新，保证原有接口的对接。
研究应用最新开发的高性能元件，加上优化后的阻容吸收参数，能保证大元件主整流柜平均故障率低于0.5%/1000h、大元件主整流柜全寿命周期成本比现有主整流柜全寿命周期成本低20%、大元件主整流柜应用故障率比现有主整流柜应用故障率低30%。
3.3 功能实现
3.3.1 牵引功能
整流柜采用3段半控桥的方式，实现将主变压器输出的交流电转换成直流电，并且，由机车的微机柜根据系统指令输出晶闸管的触发脉冲，通过调节晶闸管的触发角，实现整流柜的无级调压输出驱动电机，牵引机车无级调速。
运行时，首先开通一段桥（D3，D4，T5，T6），满开放后，开二段桥（D1，D2，T1，T2），最后开三段桥（D1，D2，T3，T4），整流桥的直流输出电压逐渐提高，机车速度也从启动达到最高运行速度。
需要注意，机车高速度级位启动时，电流达DC2400A，这时整流管D1，D2处于续流管工况，发热功率最大。
3.3.2 制动功能
SS4B型机车采用的是电阻制动，电制动的好处是就没有机制时的磨耗，制动时，几个电机的励磁线圈串联，整流柜的励磁整流桥提由微机控制输出直流电压，根据特性控制的需求提供励磁电流，运转中的电机感应电动势通过制动电阻产生制动电流。低速时，整流柜的一段桥提供电枢电压，使制动电流满足制动要求。
因原车励磁整流桥每个桥臂都是由一个硅元件组成，且设计冗余较大，这里不作改变。
4 结语
4.1 经济效益分析
4.1.1 投资及能耗优化分析
本次改造针对SS4B机车的整流柜，直接替换。主要投资成本费用如下表。
材料费预算明细表.png)
仅对原车的整流柜技术升级，对原有的列功能及控制方式不做改造，即对原车的能源消耗不做改进。
4.1.2 对维修、检修的优化分析
研究采用了半导体的最新成熟技术——5英寸大功率硅元件，通过研究大功率元件应用技术、高效散热器、阻容吸收优化和整体结构设计技术，最终实现了SS4B型机车整流柜的技术升级，不仅提高了设备的可靠性、安全性，可极大降低故障率，同时因实现了一个桥臂只用一个大功率硅元件，彻底解决了原车整流柜多个硅元件构成桥臂的不均流问题。
5英寸大功率元件的应用和阻容吸收参数的优化，使新的整流柜能适应交流传动机车与直流传动机车混跑的网压条件，同时，还可获得更高的可靠性，有效降低故障率，提高行车的稳定性和安全性，大大降低了整流柜的维修机率和维修成本。
研究实现了一个桥臂只用一个大功率硅元件，不需要对每个桥臂的硅元件参数进行匹配，以保障设计规定的均流系数。这样在故障时维修时，可以任意采用同型号硅元件压装组件更换，在各种类型的检修时，也不需相关的均流配置和均流试验。与原车系统相比减少了硅元件压装组件的种类和数量，简化了配件管理，减少了库存保障能力需求，有效减少了段方配件总类和备品数量，可极大提高检修速度与质量。
4.2 社会效益分析
本项目通过实现了下述优势来体现社会效益：
（1）技术优势：相对于原来的主整流装置，新型主整流装置采用5英寸可控硅元件，彻底根除了元件的均压、均流问题，是技术上的一大进步；
（2）检修维护优势：新型整流柜的元件数量大大的减少，使得产品的结构更加简单清晰，不但减少了产品例行检查需要的时间，更加方便了产品的维护修理，最大的亮点是不需要配对元件。
（3）配件管理优势：新型主整流装置统一了SS4G和SS4B两种车型整流装置的采用了相同的硅元件和散热器，仅仅是对外接口的不同，减少了配件的数量。
（4）可靠性优势：相对于原来的主整流装置，新型主整流装置通过技术上的提升降低了产品的故障率，更为重要的是适应了交流传动电力机车的影响，减少故障，对于万吨列车的运营可以显据减少运力的损失，效益是显据的。
4.3下一步研究和发展目标
将根据元件的技术发展态势，关注实际需求的变化来规划下一步研究和发展的目标，追求技术先进性，来实现提高可靠性和经济性的目标。
参考文献：
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[2] 大功率可控硅整流器的运行及其谐波分析，作者：覃汉，出版源《广西电力》,2000,23(3):42-43
[3] SS_4型电力机车的多段桥控制，作者：梁正郁，出版源《哈尔滨铁道科技》,2002(3):3-4
[4] 铝型材散热器，作者：寒星，出版源《电力系统装备》,2002(1):53-53
[5] 交流传动电力机车牵引和制动工况下谐波特性对比分析，作者：赵纯民、张建柏，出版源《机车电传动》,2012(3):15-16
论文作者:郭钰泽
论文发表刊物:《基层建设》2016年13期
论文发表时间:2016/10/28
标签：元件论文; 装置论文; 电力机车论文; 机车论文; 故障率论文; 电阻论文; 谐波论文; 《基层建设》2016年13期论文;