1、1浅谈 DF4D 机车整流装置整流元件烧损的原因及措施Hyj870731、概述 DF4D 型机车是一种交一直流电传动内燃机车，其动力是柴油机，由柴油机驱动同步交流牵引发电机发出三相交流电，经整流柜等设备转换成脉动直流电供给 6 台直流牵引电动机。整流柜是电传动装置中的一个非常重要的部件，它一旦发生故障，必将导致机车 无法运行，若 处理不当甚至造成同步牵引发电机烧损，直接影响铁路运输的安全正点。由此可见， DF4D 型机车整流柜故障问题已十分突出，很有必要对整流柜故障的原因进行分析，找出根源，提出切 实可行的改进措施，保证整流柜的质量。2、故障原因2.1 整流原理 主整流柜是交直流电传动 内燃机
2、车上的重要装置它将同步牵引发电机发出的三相交流电转换成直流电，作为牵引电动机的电源。 DF4D 机车采用 GTF 一 51001 250 型主整流柜，其整流原理见图 1。图 1 DF4D 机车整流原理图整流管采用 ZP250028 型整流管，每个 桥臂由 2 只整流管并联而成，两端并联阻容保护板。整流电路采用三相桥式 ，每周期内自然换相 6 次输出脉动较小的整流电压，见图 2。2圈 2 三相全波桥式整流波形2.2 换相过电压 硅整流器组在换相时会产生过电压，这是由于硅元件空穴积蓄效应(载流子 的残留效应)引起的换相过电压。众所周知，硅元件 换相时，由正向 导通变为承受反向电压，而元件恢复反向阻
3、断能力需要一定时间也就是说元件中尚有空穴积蓄或载流子残留，在反向电压 作用下，在一个极短的时间(23s) 内，会产生 1 个很大的反向电流。当元件恢复阻断能力时， 这个反向 电流迅速减小到正常反向漏电流的大小。由于机车主电 路为电感性电路，具有 储 能特性， 这就意味着在极短(数微秒 )的时间 里，反向电流在电感中所储藏的能量要释放出来。结果电路 中产生很大的尖峰状自感电势，与已经反向加在元件上的发电机电势一起，迫使整流3管受到相当大的反向电压，如图 3-（a)所示。 除此之外，由于电压的突变，主 电路的容性已不能忽略不计，它和 电路的电感构成高频振荡，形成的振 荡电压又进一步叠加到元件上见图
4、 3-(b)。这样，就可能使整流元件受到 23 倍正常反向电压的冲击 如果不加保护，在如此周期性出现的换相过电压冲击下，整流元件有被击穿的危险。2.3 换相过电压的保护 为抑制整流装置中的换相过电压，普遍采用的保护措施是在整流元件两端并联阻容(RC)吸收装置。其中 电容器用于吸收换相时释放出来的碰场能量与电容器串联的电阻的作用是防止电容与回路电感造成串联振荡，也可限制放电电流的大小。RC 吸收装置对换 相过电压的保护起到关 键性作用。 见图 3-(c)。图 3 换相过电压波形DF4D 机车整流电路的阻容保护由 6 个 1uF 的电容和 6 个 39 的电阻 2 串43 并组成 ，见图 4。图
5、4 DF4D 机车整流的阻容保护电路3、故障分析DF4D 机车整流装置烧损的原因既有动态的因素，又有静态的因素；既有显而易见的，也有不能轻易发现 的。但主要原因有以下几点 ：3.1 从整个电传动电路系统中分析：直流牵引电动机发生环火，造成同步牵引电动机三相突然短路是烧损整流装置的重要原因。这个过程是一个极其复杂的瞬变过程，在此过程中发电 机各绕组以及在短路系统中都将产生巨大的冲击电流，这 个电流高达额定电 流的 1O 倍至 15 倍。当如此高的冲击电流经过整流装置各个元件时，就有可能使元件烧损。3.2 从牵引发电机内部构造分析：由于各线槽和定、绕子绝缘件老化或损坏，造成牵引发电机发生不对称的两
6、相突然短路现象是烧损整流装置的原因之一 。当发生不对称的两相突然短路，这个过程中也至少有高达额定电压 3 倍左右的高电压， 这使主整流柜的各元件会击穿甚至烧损，而且在转子励磁绕组中将感应产生过电压，这个电压可能会 导致供给励磁的整流电源的硅元件被击穿、烧损。 3.3 从整流装置本身分析：当整流装置发生两相短路时，造成同步牵引发电机不对称运行，使得定、转子绕组均产生电压，当此 电流经过整流器和励磁系统的硅元件时容易被击穿。3.4 整流管参数变化分析：整流电路每个桥臂由 2 个整流元件并联使用，这就要求 2 个元件的伏安特性相匹配。在检修中发现，整流元件长期工作后，其正5向伏安特性会发生程度不一的
7、变化，使同一桥臂的 2 个元件特性存在差异。出厂时，同一桥臂相并联的 2 个元件正向峰值电压之羞约为 0.01V，而走行 60 万 km后，同一桥臂并联的 2 个元件正向峰值电压之差扩大为 0.030.13V 这必定造成同一桥臂 2 个元件均流恶化，以致发生元件的过载、击穿（原北京机务段使用DF4D 机车普查结果）。同时，在现场我段配属的不同机型的内燃机车中，DF4 各型、DF5 和 DF8B 机车的此类故障很少发生。比较上述几类机车整流电路，可知DF4D 机车整流电路所用的整流元件数大大减少，但元件的工作 电流、功率大大提高，这对元件的可靠性等方面的要求显然更高。而实际运用表明， DF4D
8、机车整流电路正是在整流元件的可靠性方面存在一定问题。3.5 阻容保护电路变化分析：DF4D 型机车在启动、加载和卸载的情况下，都采用控制同步牵引发电机励磁的方式，不会有很高的操作过电压危及整流元件。但是整流柜工作时，整流元件不断地由正向导通状态到反向阻断状态，其在换相过程中，因蓄存效应而产生一个超过正常反向电压的过电压(此电压称为换相过电压 )，危及整流元件寿命。机车制造厂在设计时，采用在每条整流桥臂上并联一组阻容(RC)保护电路，吸收整流元件换相过程中产生的换相过电压。分析DF4D 机车阻容保护板电路，不 难发现，其中某一个电容的电容量发生变化，都将直接影响到对整流元件的保护作用。3 条并联
9、支路中若有一个电容的电容量降为 0.03uF，则总电容量降 为 1,uF；若有 2 条并联支路中 2 个电容的电容量降为0.03uF，则总电 容降为 0.5uF。总电容的降低，对换相过电压的吸收和抑制作用将大大降低，由此可见，阻容保护板的设计未能考虑到个 别元件参数变化对保护电路作用的影响，也是此类故障的一个原因。3.6 整流柜散热量分析：DF4D 型机车负载稳定电流最大允 许达到 7200 A（每6台牵引电动机最大电流 1200A）， 整流电路为三相桥式整流，整流柜每个桥臂采用 2 个整流元件并联，每个整流元件通过的电流为负载电流的 16，因此每个整流元件的最大稳定电流可达 1200A。这样
10、大的脉动电流通过整流元件时，产生很大的热损耗，使整流柜温度升高，并且温度越高，整流二极管的反向击穿电压就越低，必然降低其可靠性。因此，必须对整流柜进行足够的冷却，尽量减少整流元件击穿或烧损的可能性。整流柜的冷却方式为强迫通风冷却，但是在实际运用中，DF4D 型机车整流柜采用离心式风机吸风时附带冷却的散热方法。风机由柴油机经前变速箱带动开始吸风，冷却空气首先经过整流柜的两侧冷却硅整流元件，然后进入牵引电动机冷却风道冷却牵引电动机。冷却风源为电器室空气， 风速受柴油机转速控制。这种散热方式与 DF4 型机车 的完全相同，而 DF4 型机车整流柜的每个桥臂由 6 个整流元件并联，每个整流元件通过的稳
11、定电流最大只有 350A，产生的 热量较低，并且 DF4 型机车实际的运用功率及负载电流比DF4D 型机车低得多，因此该散热方式已不能满足 DF4D 型机车的散热要求。并且整流柜温度过高也直接影响阻容保护的使用寿命。3.7 由于整流装置各元件表面附着大量油污、沙尘和各种杂质，致使整流装置表面温升超过二极管的容许值是造成整流元件烧损的另一种因素。4、应对措施4.1 为了确保 DF4D 型机车可靠运用，检修过程中加强对牵引电动机以及牵引发电机的检修，落实各项 作业标准。4.2 在整流柜检修上采取一些有效的措施 ，有效地预防 DF4D 型机车整流柜的故障。 （1）对阻容保护元件进行定期检测：保护电容
12、出现故障后并不会立即影响整流柜的使用，但它是整流元件故障7的一个主要隐患。建议将阻容保护元件的定期检测纳入双次小修或 3、6 次小修检修范围，及时更换检测不合格的电容，确保保 护元件作用良好，以提高整流柜整流元件的可靠性。 （2）测量整流元件的正向压降 整流元件的发热量决定于通过整流元件的正向电流和整流元件的正向压降，而其正向电流是由负载电流决定的。因此，整流元件的正向压降决定了整流元件的发热量，若正向压降过大，将造成整流元件因结温 过高而在短期内损坏。建 议将测量整流元件的正向压降纳入 3 或 4 次小修范围，使用晶体管图示仪检测。（3）测量反向峰值漏电流 对整流元件施加反向重复峰值电压，测
13、量反向重复峰值漏电流。该值的大小代表着该整流元件单向导电性能的好坏，反向峰值漏电流越大其单向导电性能越差，当温度升高时反向击 穿电压下降也越大，而反向击穿电压的下降将造成不能保证整流元件可靠运行。建 议将测量反向峰值漏电流纳入 3 或 4 次小修范围，使用晶体管图示仪检测。考 虑到 DF4D 型机车牵引整流柜的工作条件比较差，为了确保质量，将中修标准规 定为 003A。4.3 增加整流柜的散热量 DF4D 型机车整流柜的冷却空气是电器室的空气，正常情况下，电器室的空气应该是由车体外部经安装在车体侧壁上的手动百页窗进入电器室的，如果侧壁百页窗作用不良，鼓风机将 电器室的空气吸走后 ，电器室的补充
14、空气就会从动力室吸风过来，因动力室的空气温度较高导致整流柜环境温度较高即 较小，直接影响整流柜的散热。原机 车设计的手动开启侧百页窗，开启后由于机车振动而经常 自动关闭。为此，在手动拉杆上加装了锁闭销 ，可有效地防止 侧百页窗自动关闭，增加整流柜的散 热量，从而改善整流柜的工作条件，提高其可靠性。8所以建议在认真检查通风机的基础上，在整流装置的各二极管间用一种耐高温、散热性良好的绝缘材料做一个网套保护各二极管，这样既能使硅元件保持干净，散热性好 也会杜绝由于附着物而造成两相短路的现象，从而避免整流装置因此而烧损4.4 在全面检查整流装置接线、紧固件的基础上，重点对阻容保护的虚接、虚焊进行彻底焊修，保证整流装置不能因为阻容保护的虚接、虚焊而烧损甚至危及行车安全。 4.5 建议中修重新选配每一桥臂的整流元件整流柜运用一个中修期后 ，由于各种因素的影响，其整流元件的正向压降已经发生了不同程度的变化。对于并联使用的整流元件，总希望它 们能均匀分配流过该桥臂的电流，以避免因电流不均造成流过大电流的整流元件产生过载现象 ，从而延长整流元件的寿命。决定每一桥臂各并联元件电流分配均匀度的技术参数就是该桥臂各并联元件的正向压降。应用部分专业资料以及发表的整流柜方面改进建议,并敬请指导。
