铁路客车空调电源装置滤波器检修试验研究

滕振海

(中国铁路济南局集团有限公司 济南车辆段,山东 济南 250031)

铁路客车空调电源装置滤波器安装在DC 600 V空调电源装置的输入、输出端,用以抑制供电线路上瞬变电压和信号的传导干扰,以提高电源品质,其主要衡量指标是谐波含量。铁运〔2012〕279号《铁道部关于印发铁道客车DC 600 V电源装置技术条件的通知》[1]规定了DC 600 V电源装置中的逆变器所属滤波器尺寸,以保证不同电源装置制造商间的安装接口一致。GB/T 32587—2016《旅客列车DC 600 V供电系统》[2]也规定了DC 600 V电源装置的功能和试验方法。以上两个文件没有对滤波器提出参数测试要求,均通过谐波含量限值和电磁兼容测试达到规范的目的,常用于规范新造和厂修产品。铁路局依据TG/CL 209—2022《铁路客车电气装置检修规则》[3]和机辆动客函〔2019〕12号《铁路客车DC 600 V电源装置检修技术条件》[4]进行检修,但检修规则和检修技术条件略有差异,两者厂修时均要求测试输出电压谐波含量(THD)一致,段修时仅《铁路客车DC 600 V电源装置检修技术条件》要求对空调逆变器和单相逆变器进行THD测试。检修技术条件的检修内容中增加了以下规定:EMI滤波器检修时需检查表面无破损、热损,标识清晰齐全;接线柱无氧化、变色、松动;各极对地绝缘电阻值不小于20 MΩ等,功能试验时在附录中规定THD应小于10%。

本文结合电源装置滤波器的检修试验情况,梳理不同生产厂家逆变器选用的滤波器类型,从滤波器参数测量和谐波含量测试方面分析,提出滤波器检修建议。

1 滤波器型号统计

DC 600 V电源装置选用的EMI滤波器按电压制式可分为两大类:直流滤波器和交流滤波器。逆变器输出端选用交流滤波器,逆变器输入端控制电路选用直流滤波器。按控制电路、输入、输出的分类梳理不同电源厂家装用的滤波器,统计数据见表1。

表1 不同电源厂家逆变器滤波器型号统计

分析表1可得出:不同电源厂家多数选用A公司和B公司的滤波器产品,但也有电源厂家自主制造部分规格的滤波器;不同电源厂家生产的逆变器选用的滤波器型号不尽相同,因此元器件参数存在差异。

2 试验标准分析

除了通过谐波含量间接衡量滤波器功能,检修时还考虑过测试其他参数。

根据产品说明书,在额定电压、额定电流相同的情况下,不同型号的滤波器功能差异由器件阻抗(交流电压和交流电流之比)、插入损耗(系统加入滤波器之前和之后的后端电压的比值)、传输与反射系数S决定。GB/T 7343—2017[5]标准规定了滤波器各参数测量方法,同时对电源线滤波器采用信号发生器和测量接收机进行插入损耗测量。插入损耗分为差模和共模损耗,标准中测量差模插入损耗接线原理如图1所示。

1—信号发生器;2—EMC滤波器;3—测量接收机;4—参考电位(接地平板);V0—信号发生器的开路电压;V2—测量接收机的输出电压;Z0—信号发生器的输出阻抗;Z11—滤波器输入端一侧(相邻线路)的端接阻抗;Z12—滤波器输出端一侧(相邻线路)的端接阻抗;Z2—测量接收机的输入阻抗。

插入损耗测试是个略复杂的过程,因为不同厂家、不同型号滤波器阻抗不确定,因此需先采用矢量网络分析仪测试滤波器器件阻抗,并验证图1测试电路布置的有效性。为避免外部辐射骚扰造成衰减误差,测试时必须使用屏蔽、绝缘的测试箱进行测试。滤波器的共模插入损耗接线图与图1相近,只是将滤波器的输入端口全部接至信号发生器输出阻抗Z0,输出端口全部接至负载阻抗Z2,分别测试端口对参考电位的电压,计算输出电压比值。先测量没有滤波器时,负载电阻50 Ω上的电压V1作为0 dB的参考输出电压;再测量有滤波器后,负载电阻50 Ω上的输出电压V2;求出V2对V1的比值。

分析DC 600 V电源装置的EMI滤波器性能差异原因:滤波器一般由X电容、Y电容和多级滤波电感(线圈和磁芯)组成,其中X电容接在相线两端,用来消除差模信号,一般采用金属化聚丙烯电容;Y电容接在相线与地线之间用来消除共模信号,多采用安规电容;滤波电感用来消除电流干扰,一般采用铁氧体和纳米晶磁芯。滤波器内部电路原理见图2。

图2 滤波器内部电路原理图

尽管滤波器的电容标称值和误差等级一样,但其实际值却不尽相同;尽管电感绕组匝数一样,但磁芯的磁导率误差和工艺也很难实现在绕制和装配时完全对称,因此滤波器采用多次测量数据、取平均值才有意义。因试验时间限制,一般不进行全频段信号扫描,以1 kHz滤波为例,合格品标准为衰减60 dB,标准允许考虑测量不确定度12 dB,这样实际产品插入损耗约72 dB。

滤波器S参数是对输入、输出的4线网络进行测试,前述检修标准均无具体数值要求,制造厂家也未提供具体参数,目前应用单位均无法测量。

根据上述分析,GB/T 7343—2017标准提供的滤波器测量方法复杂、不适用现场条件,因此为提高检修质量,考虑通过测量滤波器输入、输出端电容值来大致判断滤波器状态。但经过测试发现,滤波器种类多,内部电容串、并联后容值差异大,统一发布合格标准需大量基础数据支撑,若标准或严或宽则导致电容浪费或检验工作无效。表2列出了两个滤波器型号的测试数据。

表2 滤波器测试数据

分析表2滤波器电容值,除了逆变器输入极-极间略大以外,其他电容值均较小,对测试准确度要求较高。

3 检修功能试验

在段修时谐波含量测定试验按要求采用实际负载测试,并增加了空载试验,以与实际负载试验对比,便于查验谐波含量测试结果差异。

3.1 滤波电容正常时

空载试验输出电压谐波含量如图3所示,三相线电压UUV、UVW、UWU的THD分别为0.75%、0.74%、0.64%。

图3 滤波电容正常时空载试验结果

车辆满载试验输出电压谐波含量如图4所示,三相线电压UUV、UVW、UWU的THD分别为0.51%、0.50%、0.50%。

图4 滤波电容正常时满载试验结果

综上,滤波电容正常时,在空载和35 kVA逆变器满载工况下试验,各相谐波对称性良好,满载时比空载谐波含量略低,但都小于1%,满足小于10%的标准。

3.2 模拟滤波电容衰减和开路

针对三相滤波电容其中一相开路和容值衰减,按照以下几组容值组合情况,进行试验分析:WU相串联18 μF电容,此时容值9 μF,对比原WU相衰减50%;断开WU相电容,模拟开路,见图5。

图5 滤波电容衰减和开路模拟

同样进行空载和满载试验,相关数据见表3。

表3 输出线电压谐波试验数据 %

表3表明:滤波电容正常时,在空载和满载工况下,三相线电压谐波平衡;模拟WU相滤波电容衰减或开路时,三相线电压谐波含量虽存在不平衡现象,但差异微小;满载时UWU电压谐波高于另外两相线电压谐波(滤波电容正常时除外);谐波含量均小于1%,符合小于10%的标准。

4 结束语

综上分析,在不同工况下滤波器或滤波电容谐波含量虽略有变化,但测试结果均符合标准的小于10%要求,使测试过程流于形式。鉴于滤波器型号众多,谐波含量测试建议只作为段修抽查项目或在故障分析时进行,对谐波含量出现较大变化的情况应予以足够重视并分析原因。其他参数如输入输出电容或标准规定的插入损耗、阻抗、S参数等测量仅适合设计研究,不应考虑增加作为检修试验项目。滤波器检修时宜原型检修,不建议随意更换各部件规格参数,如计划更换品牌,应选用有成熟运用业绩的产品。