CRH2型動車組在運(yùn)行中報135故障的分析

厲 浩 上海鐵路局車輛處

CRH2型動車組在運(yùn)行中報135故障的分析

厲 浩 上海鐵路局車輛處

針對CRH2型動車組在既有線路上運(yùn)行途中報全列輔助電源裝置135故障，選擇一列CRH2型動車組在既有線路上進(jìn)行牽引供電網(wǎng)諧波和車網(wǎng)匹配關(guān)系的測試。在各車主電路及輔助電路上分別安裝電流、電壓、速度傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過對本次試驗(yàn)的測試結(jié)果及動車組技術(shù)特點(diǎn)，對造成故障的原因進(jìn)行了分析，并就故障解決提出了建議。

輔助變流器；牽引變流器；網(wǎng)壓波形；網(wǎng)壓峰值；諧波

目前全路CRH2型動車組占全路動車組一半以上，其中很大一部分CRH2型動車組都在既有線路上運(yùn)行，與客車混跑。自 2013年以來，某局配屬的 CRH2A、CRH2C和CRH380AL三種車型動車組先后在運(yùn)行途中報全列輔助電源裝置135故障，造成牽引設(shè)備無通風(fēng)冷卻能力，導(dǎo)致全列失去牽引，給正常運(yùn)營造成較大影響。

1 相關(guān)原理

1.1 APU控制邏輯

APU采用AC-DC-AC的主電路拓?fù)洌▓D1），其主電路主要由充電電路、輸入變壓器、AC-DC整流電路及DC-AC逆變電路構(gòu)成。

圖1 APU主電路拓?fù)?/p>

APU的啟動邏輯如下：

（1）檢測到牽引變壓器三次側(cè)繞組有輸入電壓后閉合IVK2，通過充電電阻對中間支撐電容進(jìn)行充電，之后閉合短接接觸器IVK1，并斷開充電接觸器IVK2，完成充電過程。

（2）充電完成后啟動PWM整流控制直流側(cè)電壓。

（3）整流電路啟動正常后，啟動DC-AC逆變電路，通過LC濾波器使APU輸出3AC400 V/50 Hz電壓。

1.2 輔助變流器過分相后的啟動

輔助變流器過分相后的啟動分為兩種情況：過分相時間較長時，輔助變流器直流電壓線性降至約700 V，之后直接不控整流充電。過分相時間較短時，輔助變流器直流電壓線性降至約700 V，之后仍在分相中，則自然放電至接近0 V，之后進(jìn)行完整的充電啟動過程。

動車組完整的充電啟動過程分為3段：預(yù)充電，不控整流充電，PWM恒壓整流控制。試驗(yàn)前更新了1車APU控制軟件，使1車及8車啟動時的充電時間有所不同。通過測試1/8車APU過分相后啟動過程電壓數(shù)值，1車正常情況下預(yù)充電時間約為0.7 s，最終電壓幅值約為620 V；不控整流時間約0.27 s，最終電壓幅值約900 V；PWM控制時電壓保持在840 V。8車正常情況下預(yù)充電時間約為1.69 s，最終電壓幅值約為700 V；不控整流時間約0.56 s，最終電壓幅值約900 V；PWM控制時電壓保持在840 V。

當(dāng)輔助變流器直流側(cè)電壓超過1000V時，輔助變流器報出APU 135過壓故障。此時需通過復(fù)位鍵復(fù)位APU，如多次復(fù)位不成功，則需切除故障輔助變流器。另外輔助變流器具有自復(fù)位功能，即通過軟件設(shè)置輔助變流器再次充電，一旦檢測到充電輔助變流器中間環(huán)節(jié)充電失敗，則自動重新啟動，如果啟動成功，則司機(jī)屏不報故障。

2 故障數(shù)據(jù)分析

在試驗(yàn)期間，CRH2型動車組過分相后，各故障信息記錄見表1。

表1 故障信息記錄

2.1 故障一

故障一時，測試和采集1車/8車輔助變流器的中間電壓，充電電壓達(dá)到約1 100 V，此時輔助變流器未能從不控整流切換至PWM控制模式。測試和采集動車組過分相后輔助變流器及牽引變流器均未啟動階段的網(wǎng)壓波形及FFT分析，發(fā)現(xiàn)17次（850 Hz）、19次（950 Hz）、21次（1 050 Hz）明顯偏高，17次諧波有效值超過2.5 kV，網(wǎng)壓峰值最大超過46 kV。測試和采集動車組過分相后輔助變流器預(yù)充電階段的網(wǎng)壓波形及FFT分析，發(fā)現(xiàn)17次（850 Hz）、19次（950 Hz）、21次（1 050 Hz）明顯偏高，17次，19次諧波有效值均超過2.5 kV，網(wǎng)壓峰值最大超過46 kV。測試和采集動車組過分相后輔助變流器不控整流充電階段的網(wǎng)壓波形及FFT分析，發(fā)現(xiàn)17次（850 Hz）、19次（950 Hz）、21次（1050 Hz）過高，17次諧波有效值已接近5 kV，19次21次諧波有效值均超過2.5 kV，網(wǎng)壓峰值最大超過47 kV。

2.2 故障二

故障二時，測試和采集1車/8車輔助變流器的中間電壓，充電失敗時充電電壓達(dá)到約1 030 V，此時輔助變流器未能從不控整流切換至PWM控制模式，自重啟后輔助變流器工作正常。測試和采集過分相后輔助變流器及牽引變流器均未啟動階段的動車組網(wǎng)壓波形及FFT分析，發(fā)現(xiàn)17次（850 Hz）、19次（950 Hz）諧波有效值接近2.5 kV，21次諧波較低，網(wǎng)壓波峰在40 kV附近。測試和采集動車組過分相后輔助變流器預(yù)充電階段的網(wǎng)壓波形及FFT分析，發(fā)現(xiàn)17次（850 Hz）、19次（950 Hz）諧波有效值接近2.5 kV，21次諧波較低，網(wǎng)壓波峰在40 kV附近。測試和采集動車組過分相后輔助變流器不控整流充電階段的網(wǎng)壓波形及FFT分析，發(fā)現(xiàn)17次（850 Hz）、19次（950 Hz）、21次（1 050 Hz）諧波明顯增大，其中17次、19次諧波超過2.5 kV，21次諧波也比預(yù)充電階段增加，網(wǎng)壓波峰在40 kV附近。測試和采集動車組自重啟時的網(wǎng)壓波形及FFT分析，發(fā)現(xiàn)17次（850 Hz）、19次（950 Hz）、21次（1 050 Hz）諧波仍較大，但均低于啟動失敗時的幅值。

2.3 故障三

故障三時，測試和采集1車/8車輔助變流器的中間電壓，充電電壓達(dá)到約1 100 V，此時輔助變流器未能從不控整流切換至PWM控制模式。復(fù)位一次輔助變流器仍不能正常工作，兩分鐘后，再次按下復(fù)位按鈕，8車APU正常投入。測試和采集動車組過分相后輔助變流器充電失敗時的網(wǎng)壓波形及FFT分析，發(fā)現(xiàn)17次（850 Hz）、19次（950 Hz）、21次（1 050 Hz）較高，17次、19次諧波有效值已超過2.5 kV，21次諧波有效值接近2.5 kV，網(wǎng)壓峰值最大超過45 kV。測試和采集第二次復(fù)位時的動車組網(wǎng)壓波形及FFT分析，發(fā)現(xiàn)17次（850 Hz）、19次（950 Hz）、21次（1 050 Hz）諧波較低，網(wǎng)壓峰值低于43 kV。

2.4 故障四

故障四時，測試和采集正常通過分相區(qū)所時的1車/8車輔助變流器的中間電壓、分相區(qū)兩端下行方向的供電臂末端網(wǎng)壓和網(wǎng)壓諧波、動車組的網(wǎng)壓諧波。通過對比發(fā)現(xiàn)諧波含量較低，且沒有引起充電失敗的17次、19次、21次特征諧波。此時由于動車組要過分相，因此牽引手柄回零位，動車組沒有監(jiān)測到由牽引變流器引起的2 500 Hz左右的特征諧波。

2.5 故障五

故障五時，測試和采集1車/8車輔助變流器的中間電壓，充電失敗時充電電壓達(dá)到約1 200 V，此時輔助變流器未能從不控整流切換至PWM控制模式，短時間內(nèi)多次按復(fù)位按鈕對輔助變流器直流側(cè)充電，導(dǎo)致1車輔助變流器充電電阻燒毀，8車輔助變流器啟動成功。測試和采集過分相后輔助變流器及牽引變流器均未啟動階段的動車組網(wǎng)壓波形及FFT分析，發(fā)現(xiàn)17次（850 Hz）、19次（950 Hz）諧波有效值已超過2.5 kV，21次（1 050 Hz）諧波有效值也接近2.5 kV，網(wǎng)壓波峰超過45 kV。測試和采集過分相后輔助變流器不控整流充電階段的動車組網(wǎng)壓波形及FFT分析，發(fā)現(xiàn)17次（850 Hz）諧波有效值已接近5 kV、19次（950 Hz）諧波有效值已超過3 kV，21次（1 050 Hz）諧波相對較低，網(wǎng)壓波峰接近50 kV。

2.6 故障六

故障六時，動車組通過分相區(qū)后1車和8車發(fā)生APU135故障。此時仍在監(jiān)測上行及下行27.5 kV饋線電壓，因此十分具有參考意義。測試和采集8車輔助變流器的中間電壓、車上監(jiān)測網(wǎng)壓及分相區(qū)所監(jiān)測的上行網(wǎng)壓波形、CRH2型動車組未進(jìn)入分相區(qū)供電臂時的分區(qū)所網(wǎng)壓諧波和動車組網(wǎng)側(cè)電壓諧波。發(fā)現(xiàn)動車組未進(jìn)入該供電臂下運(yùn)行時，分區(qū)所監(jiān)測網(wǎng)壓已有17次、19次、21次諧波，車上監(jiān)測的網(wǎng)壓也并未監(jiān)測到明顯的該頻段的諧波，車上監(jiān)測的特征諧波為2 500 Hz，符合CRH2動車組牽引變流器1 250 Hz的開關(guān)頻率。因此17次、19次、21次頻段的諧波不是由于CRH2A動車組引起的。

測試和采集動車組進(jìn)入分區(qū)所供電臂后的分區(qū)所網(wǎng)壓諧波和動車組網(wǎng)側(cè)電壓諧波。發(fā)現(xiàn)動車組進(jìn)入該供電臂下運(yùn)行后，分區(qū)所監(jiān)測網(wǎng)壓的17次、19次、21次諧波并未有放大現(xiàn)象，但車上監(jiān)測網(wǎng)壓的17次、19次諧波明顯增大，且均超過2.5 kV。

3 理論分析

3.1 諧波頻譜分布分析

從試驗(yàn)的測試結(jié)果可以看出，影響CRH2型動車組充電故障的諧波次數(shù)主要為17次，19次，21次，諧波頻率分別為850 Hz，950 Hz，1 050 Hz，主要特征諧波的為900 Hz或者1 000 Hz的交流大功率機(jī)車造成的。從各故障信息記錄表中可以看出，CRH2型動車組輔助變流器故障時，同一供電臂下運(yùn)行的機(jī)車包括HXD1，HXD1C，HXD3，三種機(jī)車開關(guān)頻率分別為450 Hz、450 Hz，500 Hz，特征諧波均為900 Hz附近。

1.整機(jī)安裝插秧機(jī)的基本構(gòu)造由發(fā)動機(jī)、傳動系統(tǒng)(變速箱)、行走機(jī)構(gòu)(轉(zhuǎn)向離合器、驅(qū)動輪)液壓仿形系統(tǒng)、操縱和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、取秧量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、移箱器等組成。出廠時，將這些部件包裝運(yùn)到各地，購機(jī)戶應(yīng)在技術(shù)人員的指導(dǎo)下，按插秧機(jī)說明書的要求進(jìn)行安裝。

3.2 輔助變流器充電邏輯的分析

CRH2型動車組輔助變流器過分相后的啟動分為兩種情況：

（1）過分相時間較短時，輔助變流器直流電壓線性降至約700V，之后直接不控整流充電。

（2）過分相時間較長時，輔助變流器直流電壓線性降至約700 V，之后仍在分相區(qū)中，則自然放電至接近0 V，之后進(jìn)行完整的充電啟動過程。故障一般發(fā)生在第二段不控整流充電階段。APU充電邏輯時序見圖2。

圖2 APU充電邏輯時序

因?yàn)锳PU的充電過程為不控整流的充電過程，APU被動的接受輸入電壓的充電，而此時如果輸入電壓嚴(yán)重畸變，尖峰電壓則會對中間直流電壓進(jìn)行充電造成APU故障。

但如果APU的整流器電路已啟動，則整流器的電壓閉環(huán)控制策略可以控制APU輸入電壓尖峰的影響，使中間直流電壓保持穩(wěn)定。這也就是APU在正常運(yùn)行中不報故障的原因。

如果只通過縮短充電時間來對APU控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，則面對更惡劣網(wǎng)壓情況下，由于充電時間和充電幅值的不可控，充電故障仍會發(fā)生，因此需要通過直流測電壓的反饋來限值充電時間和幅值，使充電過程形成閉環(huán)控制。

4 初步結(jié)論及建議

（1）既有線由于存在不同大功率機(jī)車同時運(yùn)用，牽引供電網(wǎng)諧波含量較大，APU故障出現(xiàn)時，主要是900Hz左右諧波過大，HXD1，HXD1C，HXD3機(jī)車運(yùn)行時均產(chǎn)生該種頻段附近的特征諧波。

（2）CRH2型動車組輔助變流器充電特性與牽引供電網(wǎng)存在的高幅值高次諧波存在不適應(yīng)性，可通過更改充電控制邏輯，增加直流電壓反饋?zhàn)鳛镻WM整流器開通的條件來避免故障的發(fā)生，但無法從根本上抑制牽引供電網(wǎng)的諧波。

（3）CRH2型動車組輔助電路直流側(cè)過壓故障導(dǎo)向需重點(diǎn)關(guān)注，當(dāng)司機(jī)短時間內(nèi)按復(fù)位按鈕時，故障輔助變流器應(yīng)具有相應(yīng)閉鎖、禁止短時再次啟動功能，以防止充電電阻過熱燒損。

[1]中國鐵路總公司.鐵路動車組運(yùn)用維修規(guī)程[M].北京：中國鐵道出版社, 2012.

[2]中國鐵路總公司.CRH2A統(tǒng)型動車組途中應(yīng)急故障處理手冊 [M].北京：中國鐵道出版社,2013.

[3]南車青島四方機(jī)車車輛有限公司.CRH2A統(tǒng)型動車組維護(hù)使用說明書[Z].2013.

責(zé)任編輯：王華 宋立成

來稿日期：2015-08-17

圖4 清洗車在上海站對動車組外車皮清潔

參考文獻(xiàn)

[1]濮良貴,紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計（第8版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]姜培剛等.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

責(zé)任編輯：萬寶安 張萼輝

來稿日期：2015-08-14