CRH380CL型動車組主斷路器閉合故障分析與解決方案

李　強　丁　勇　劉國梁

（中車長春軌道客車股份有限公司電氣研發(fā)部，130062，長春∥第一作者，高級工程師）

主斷路器用于動車組整車與接觸網(wǎng)之間的主電路的斷開和接通，同時具有過載和短路保護作用［1］。主斷路器故障可分為2大類，即主斷異常斷開故障和主斷閉合故障。主斷異常斷開故障可分為接觸網(wǎng)側(cè)異常、車輛負載側(cè)異常、斷路器本體故障、接收異常指令、其他故障等5類［2］。而主斷閉合故障通常是由主斷路器電磁閥或輔助觸點硬件故障、氣路不良、電氣元器件質(zhì)量等問題造成的［3］。

本文針對CRH380CL型動車組近期發(fā)生的網(wǎng)壓異常導致主斷斷開，進而引起列車出分相區(qū)后主斷無法自動閉合的問題，進行主斷路器故障分析，并通過優(yōu)化網(wǎng)絡系統(tǒng)控制軟件，加入延時和濾波的處理方式，解決主斷異常斷開及無法自動閉合的問題。

1　主斷路器工作原理與故障診斷

1.1　動車組網(wǎng)壓超出正常范圍的保護

當CRH380CL型動車組在有電區(qū)運行時，其網(wǎng)壓與牽引變流器輸出功率百分比的關系如圖1所示：①網(wǎng)壓在22.5～29.0 kV時，牽引變流器可以輸出額定功率；②網(wǎng)壓在22.5～17.0 kV時，輸出功率從最大值線性遞減至0；③網(wǎng)壓在29～31 kV時，輸出功率從最大值線性遞減至0。

在上述電壓范圍以外時，動車組網(wǎng)絡系統(tǒng)立即發(fā)出命令將主斷路器斷開，使接觸網(wǎng)停止向動車組供電，以保護各高壓元器件。與此同時，司機室顯示屏將報出故障代碼2013（網(wǎng)壓不在規(guī)定范圍內(nèi)導致主斷斷開）。

1.2　主斷閉合使能信號

主斷閉合使能開關量輸出（DO）信號成立是發(fā)出主斷閉合命令的前提條件。當司機手動將主斷手柄扳至“閉合”位時，如果此時受電弓升起、變壓器無故障、網(wǎng)壓正常無過流發(fā)生等條件都具備，則主斷閉合使能DO信號成立。該DO信號控制的繼電器的輔助觸點串聯(lián)在主斷閉合硬線電路中，最終控制主斷閉合。當與該DO信號有關的條件之一不成立時，主斷將自動斷開，此時司機或機械師在解決相關故障之后，再手動閉合主斷，該DO信號才能再次成立。即：出于安全原因考慮，在發(fā)生主斷意外斷開的故障后，即使故障情況復位，也需要司機手動操作發(fā)出主斷閉合命令，主斷才能被閉合。

1.3　進出分相區(qū)的主斷控制

CRH380CL型動車組進出分相區(qū)的主斷控制如圖2所示。當網(wǎng)絡系統(tǒng)檢測到列車進入分相區(qū)信號時，發(fā)出主斷斷開的DO信號。該DO信號控制的繼電器的輔助觸點串聯(lián)在主斷斷開硬線電路中，進而實現(xiàn)硬線電路的主斷斷開命令。此時主斷的反饋狀態(tài)是斷開。當網(wǎng)絡系統(tǒng)檢測到列車出分相區(qū)信號時，發(fā)出主斷閉合的DO信號，最終實現(xiàn)硬線電路的主斷閉合命令。當出分相區(qū)后存在自動閉合主斷命令DO時，但2 s內(nèi)主斷反饋狀態(tài)仍是斷開，則列車控制管理系統(tǒng)（TCMS）報出故障代碼2020（主斷閉合故障）。

2　主斷閉合故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2017年1月中旬至2月上旬，CRH380CL型動車組在滬漢蓉高速鐵路的合寧段及合武段、甬溫客運專線、膠濟客運專線發(fā)生過若干次主斷閉合故障。根據(jù)收集到的部分動車組故障記錄和運行信息，整理得出的故障情況如表1所示。

CRH380CL型動車組批量運行之初，主要投入于京滬高鐵線路。該線路為動車組專線，接觸網(wǎng)距軌面高度為5 300 mm，受電弓與接觸網(wǎng)接觸情況良好，高壓受流穩(wěn)定，很少發(fā)生網(wǎng)壓瞬間中斷的情況。CRH380CL型動車組后續(xù)投入膠濟客運專線、甬溫客運專線及合寧客運專線運營。這些客運專線目前的速度等級是200 km/h，為客貨混跑線路或升級改造的既有線路，其接觸網(wǎng)距軌面高度為6 450 mm。CRH380CL型動車組在這些客運專線上運行，受電弓與接觸網(wǎng)的接觸情況劣于京滬高鐵，因此，在某些固定的位置點上，有時會發(fā)生網(wǎng)壓瞬間中斷的情況。由表1的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，網(wǎng)壓恢復時間一般需要200～600 ms。

3　主斷閉合故障原因分析

3.1　網(wǎng)壓瞬間異常波動導致主斷斷開

圖2　動車組進出分相區(qū)的主斷控制流程

列車在有電區(qū)運行時，由于網(wǎng)壓瞬間（200～600 ms）低于17 kV，導致主斷斷開，同時報出故障代碼2013。具體診斷邏輯如圖3所示。

按照該故障診斷邏輯，每次因網(wǎng)壓過低導致主斷自動斷開時，都應該在司機室顯示屏上報出故障代碼2013，提示司機嘗試手動閉合主斷。雖然網(wǎng)壓每次瞬間中斷時主斷都會自動斷開，但司機室顯示屏并未每次都報出故障代碼2013。其原因在于：網(wǎng)壓異常的持續(xù)時間過短，主斷閉合使能DO信號（VCB-CLOSE-LOC1和 VCB-CLOSE-LOC2）在發(fā)出1個周期的脈沖信號時，網(wǎng)壓已經(jīng)恢復為正常范圍，造成診斷邏輯在時序上遺漏了故障代碼2013的診斷時機，使得司機未能直觀發(fā)現(xiàn)某個主斷已經(jīng)處于斷開狀態(tài)，導致動車組在牽引總功率不足的條件下繼續(xù)運行。

3.2　主斷異常斷開導致列車出分相后無法自動閉合

動車組網(wǎng)壓中斷與進出分相時序如圖4所示。在t1時刻，網(wǎng)壓異常中斷導致主斷斷開時，如果動車組繼續(xù)運行進入分相區(qū)（t3時刻），由于主斷已提前斷開，所以此時不會報出任何故障；在t4時刻檢測到出分相信號時，發(fā)出出分相閉合主斷DO信號，但由于主斷是進入分相區(qū)前發(fā)生網(wǎng)壓異常中斷而導致斷開的，故主斷閉合使能DO信號一直處于不成立狀態(tài)，主斷不能被閉合，也即不能反饋閉合狀態(tài)，最終導致報出故障代碼2020。

表1　CRH380CL型動車組主斷閉合故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)

4　主斷閉合故障解決方案

4.1　優(yōu)化網(wǎng)壓異常時的主斷命令控制邏輯

網(wǎng)壓異常時的主斷命令原控制邏輯為：一旦發(fā)生網(wǎng)壓過低，網(wǎng)絡系統(tǒng)立即復位主斷閉合使能DO信號，發(fā)出斷開主斷命令。

由于一些200 km/h速度等級既有客運專線的接觸網(wǎng)距軌面較高，使得受電弓對接觸網(wǎng)的接觸力偏弱，導致網(wǎng)壓瞬時值偶爾會出現(xiàn)低于17 kV的情況。因此，結合表1中網(wǎng)壓低于17 kV持續(xù)時間的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，將控制邏輯修改為：當網(wǎng)壓≤17 kV發(fā)生且持續(xù)0.6 s后，才將主斷斷開。0.6 s的網(wǎng)壓瞬間中斷不會對高壓部件的正常工作造成影響。

圖4　動車組網(wǎng)壓中斷與進出分相區(qū)時序圖

控制邏輯修改后，對于發(fā)生網(wǎng)壓≤17 kV且持續(xù)不超過0.6 s的情況，能夠保證主斷不自動斷開，即不會在有電區(qū)內(nèi)由于網(wǎng)壓瞬間過低導致主斷自動斷開，也使得動車組在進出分相區(qū)時，主斷斷開和閉合過程能夠正常進行，不會因此發(fā)生主斷閉合故障（故障代碼2020）。

4.2　優(yōu)化主斷異常斷開的診斷邏輯

由于網(wǎng)壓異常的持續(xù)時間過短，在主斷異常斷開的診斷邏輯時序上，有時會遺漏了故障代碼2013的診斷時機。為解決該問題，可在網(wǎng)壓從17 kV以下又恢復到正常值時，增加2 s延時，之后再判斷主斷閉合使能DO信號是否變?yōu)?。此項優(yōu)化可避免由于網(wǎng)壓瞬間波動又恢復正常時，主斷已經(jīng)斷開，但無法提示故障代碼2013的情況。優(yōu)化后的診斷邏輯見圖5。

圖5　優(yōu)化后的故障代碼2013診斷邏輯

經(jīng)過上述優(yōu)化，如果發(fā)生網(wǎng)壓瞬時異常波動而導致主斷斷開，網(wǎng)絡系統(tǒng)每次都能夠通過司機室的顯示屏進行聲光報警，司機可以及時操作主斷扳鍵，手動閉合主斷。同時，也可避免動車組進入分相區(qū)前，由于司機沒有發(fā)現(xiàn)網(wǎng)壓瞬間過低而導致主斷斷開、出分相區(qū)后主斷無法自動閉合的問題（故障代碼2020）。

5　結語

為解決CRH380CL型動車組發(fā)生主斷閉合故障問題，提出了對主斷路器控制邏輯和診斷邏輯進行優(yōu)化的解決方案。解決方案于2017年2月完成了網(wǎng)絡系統(tǒng)的軟件升級，同時完成了地面測試以及中國鐵路總公司組織的軟件變更評審，2017年5月完成了現(xiàn)車測試及運用考核。根據(jù)運用部門反饋的信息，優(yōu)化后的網(wǎng)絡系統(tǒng)軟件沒有再次發(fā)生主斷閉合故障的問題，動車組運行狀態(tài)良好。

［1］趙穎，董慧卿．機車真空斷路器彈簧桿斷裂故障分析及改進［J］.電力機車與城軌車輛，2017（3）：82.

［2］鄭敏，翁依弟．CRH1型動車組運用中LCB異常斷開的原因分析和處置方法［J］.鐵道機車車輛，2016，36（1）：90.

［3］吳軍沛．HXD1B電力機車BVAC.N99D型真空斷路器閉合故障的判斷與預防措施［J］.鐵道機車車輛，2016，36（5）：98.