黃小劍
(廣州動車段潮州動車運用所,廣東 潮州515645)
2017 年12 月,一列CRH1A 型動車組異地過夜停放時因外溫較低且蓄電池電壓不足,出現(xiàn)不斷重復(fù)自動激活動車組啟動防凍排空,引起蓄電池虧電,并最終導(dǎo)致動車組無法激活停運的情況,對運行秩序造成極大影響。經(jīng)分析確認為動車組防凍排空控制邏輯存在缺陷引起,但在短期內(nèi)不能完全修復(fù)該缺陷,同時由于CRH1A 型動車組運用近10年之久,蓄電池普遍存在老化、續(xù)航能力不足的問題,在冬天極易發(fā)生同類事件,基于此,極有必要對該問題進行深入分析探討,通過各種技術(shù)手段制定解決對策,以達到前期預(yù)防、快速應(yīng)急處置、徹底解決問題等目的,消除對運用秩序的影響,提高運營效率。
根據(jù)CRH1A 型動車組軟件設(shè)計原理,為防止因氣溫及蓄電池電壓持續(xù)降低出現(xiàn)不能啟動防凍排空導(dǎo)致對給排水系統(tǒng)造成嚴重損壞的情況,動車組處于斷電未激活狀態(tài)時,以下條件同時滿足則會自動激活列車啟動防凍排空(見圖1):
其中冬季定義為1 月-4 月及9 月-12 月,夏季定義為5 月-8 月。
達到上述條件時,列車診斷系統(tǒng)中央控制單元(TDS CCU,由應(yīng)急總線供電,處于常得電狀態(tài)) 自動控制閉合蓄電池接觸器1 激活動車組(見圖2),蓄電池系統(tǒng)為列車控制管理系統(tǒng)(TCMS)供電,其中央控制單元(TC CCU)啟動并執(zhí)行防凍排空指令(見圖3)。
圖1 TDS CCU 啟動防凍排空條件
圖2 TDS CCU 指令蓄電池接觸器1 閉合(自動激活列車)
圖3 TC CCU 執(zhí)行防凍排空指令
動車組蓄電池系統(tǒng)保護電壓為95V,即當車組檢測到蓄電池電壓低于95V 后,TCMS 會指令斷開蓄電池接觸器1,車組自動斷電,以避免蓄電池電壓進一步降低;即使電壓下降到95V以下,仍可保持電池斷路器閉合5 分鐘,即此時仍可激活車組;但若電壓低于82V,繼電器和斷路器在此電壓級不工作,將導(dǎo)致斷路器立即打開,車組將無法激活(見圖4)。
CRH1A 型動車組蓄電池為鎘鎳電池,分布在5 個車廂上,每個車廂的電池箱分為兩個部分,每部分有1 組蓄電池,每組包括串聯(lián)的41 個電池單元,共有82 個電池單元,額定電壓為DC 110V,正常容量為200Ah。
在蓄電池充滿電后,車組保持激活狀態(tài)且僅由蓄電池供電情況下,車組蓄電池正??删S持2 小時使用時間;在此條件下,分別選取新造CRH1A-A 型動車組、完成五級修的車組、未進行五級修的車組反復(fù)進行蓄電池續(xù)航時間測試,發(fā)現(xiàn)新造CRH1A-A 型動車組及已完成五級修的車組蓄電池續(xù)航時間能達到續(xù)航要求,未進行五級修的車組均達不到正常續(xù)航要求,具體如表1 所示。
備注:測試前確保各車組蓄電池外觀狀態(tài)正常、電解液位充足、初始電壓約110V。另外,在關(guān)閉全車空調(diào)緊急通風(fēng)逆變器電源后,測試蓄電池續(xù)航時間比未關(guān)閉前可增加約35%,對預(yù)防蓄電池虧電有一定效果。
由此可見,動車組蓄電池續(xù)航能力隨著走行公里的增加而顯著降低,未經(jīng)五級檢修的動車組蓄電池遠不能滿足保持2 小時的續(xù)航能力,蓄電池存在較嚴重的老化現(xiàn)象,不能正常保壓,導(dǎo)致動車組蓄電池電壓偏低。
通過試驗表明,啟動一次自動防凍排空已足以排掉給排水系統(tǒng)中管路及水箱中的絕大部分水,雖然無法全部排空,但即使受凍也不會對管路及水箱等造成嚴重損壞,同時也不會造成蓄電池電壓過度下降以致虧電,那么,是什么原因造成防凍排空重復(fù)自動啟動呢?
通過調(diào)查分析,發(fā)現(xiàn)CRH1A 型動車組TCMS 軟件在2016年的14.2.3.0 版本升級后,新增加了車組斷電后TDS CCU 自動重啟復(fù)位的功能,并將之前已執(zhí)行的命令清除。即當動車組達到防凍排空的條件被激活后,持續(xù)10 分鐘或蓄電池電壓低于95V 時斷電,此時TDS CCU 自動重啟復(fù)位,使得其已執(zhí)行的防凍排空命令被清零,動車組TCMS 系統(tǒng)誤判斷未啟動過防凍排空,因此當防凍排空條件再次滿足時,又再次啟動,以此循環(huán),持續(xù)消耗蓄電池電壓,同時蓄電池本身續(xù)航能力較差,導(dǎo)致蓄電池電壓不足,虧電嚴重,電壓低于82V 時動車組無法激活。因此,CRH1A 型動車組防凍排空控制邏輯缺陷問題根本原因為CRH1A 型動車組軟件缺陷引起,未考慮到TDS CCU 自動重啟復(fù)位與防凍排空控制邏輯之間的關(guān)系,忽略了對防凍排空功能進行優(yōu)化,導(dǎo)致當列車滿足防凍排空條件時,會重復(fù)防凍排空直至虧電;同時蓄電池本身老化續(xù)航能力差也是造成車組虧電的重要原因。
圖4 蓄電池保護電壓
表1 蓄電池續(xù)航能力測試
圖5 斷開連接線53400A 操作
由于CRH1A 型動車組軟件升級周期長達半年以上,短期內(nèi)不能徹底消除故障隱患,因此必須盡快研究過渡措施加以防范,減少故障發(fā)生機率,或在故障發(fā)生后快速進行應(yīng)急處置,降低運用影響。通過上述分析,制定過渡預(yù)防方案如下:
為防止動車組過夜存放時發(fā)生防凍排空導(dǎo)致蓄電池虧電問題,研究了前期介入預(yù)防方案,防止出現(xiàn)該問題。
5.1.1 避免TCMS 發(fā)出閉合蓄電池接觸器1 指令
蓄電池接觸器1 閉合工況:
(1)操作蓄電池開關(guān)到“開”位
(2)TCMS 系統(tǒng)給出閉合蓄電池接觸器1 指令
(3)司機鑰匙打到“1”位
其中第2 和第3 種工況均由1、5、8 車TCMS 模塊給出閉合蓄電池接觸器1 指令,可將該模塊連接線53400A 斷開(見圖5,以1、8 車為例),避免TCMS 給出閉合蓄電池接觸器1 指令激活動車組,從而防止防凍排空反復(fù)啟動。
若執(zhí)行此方案,動車組正常激活流程必須改動,不能直接通過主控鑰匙激活車組,須先操作C.K1 柜內(nèi)的蓄電池開關(guān)到“開”位,再將主控鑰匙打到“1”位激活車組。
5.1.2 斷開一組蓄電池箱供電
提前斷開車下1 組蓄電池隔離開關(guān)(編號.3.1),線上運用只使用4 組蓄電池。當車輛發(fā)生虧電后,將此隔離開關(guān)閉合,對車輛應(yīng)急供電,操作升弓受流。斷開蓄電池隔離開關(guān)的車輛每4天更換一次,以避免長期蓄電池自放電造成虧電。
若執(zhí)行此方案,動車組過夜存放時,只有4 組蓄電池投入使用,總?cè)萘肯陆?5%,存在耗電更快的情況。
5.1.3 更改防凍排空啟動條件
通過電腦連接動車組,使用DCUTerm 軟件強制修改TCMS內(nèi)部參數(shù),將斷電后防凍排空的啟動條件進行更改,如將蓄電池電壓由100.5V 改為80V,將環(huán)境溫度由15℃改為0℃,以提高防凍排空的啟動條件。每次車輛斷電后進行一次強制信號。
具體更改指令如下:
Btn0Line0=;修改防凍排空啟動電壓為80V(1V=100)
Btn0Line1=op GLSCLP10/8000/.
Btn5Line0=;恢復(fù)防凍排空啟動電壓至100V
Btn5Line2=op GLSCLP10/10000/.
Btn0Line0=;修改防凍排空啟動溫度為0℃(1℃=10)
Btn0Line1=op KSDRWP15/0/.
Btn0Line0=;恢復(fù)防凍排空啟動溫度至15℃
Btn0Line1=op KSDRWP15/150/.
若執(zhí)行此方案,每次過夜車組斷電后均須進行重新修改。
5.1.4 斷開網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制電源
通過斷開動車組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)供電,截斷防凍排空指令傳輸,避免車輛自動激活防凍排空。具體操作為:每次斷電后分別將1、8車的計算機單元網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)供電斷路器C.K1.26 斷開,同時斷開1、2、3、6、7、8 車直流柜內(nèi)應(yīng)急照明供電斷路器(編號.10 和.11,每個車兩個)。激活動車組前恢復(fù)相應(yīng)操作。
若執(zhí)行此方案,斷開網(wǎng)絡(luò)控制電源斷路器C.K1.26 后車組會自動起應(yīng)急照明且不會自動熄滅,因此需要同時斷所在單元的應(yīng)急照明供電斷路器,涉及操作的斷路器較多,且每次斷電后、激活前都要操作一次。
5.1.5 關(guān)閉全列車空調(diào)緊急通風(fēng)逆變器電源
由于動車組失活后并斷蓄電池前,動車組會自動啟動空調(diào)緊急通風(fēng),緊急通風(fēng)逆變器將蓄電池DC 110V 電壓逆變成AC 220V 電壓給緊急通風(fēng)機供電,此過程將會消耗大量蓄電池電壓能量,通過前述測試表明,關(guān)閉緊急通風(fēng)逆變器電源對預(yù)防蓄電池虧電有一定效果,因此可在動車組結(jié)束運營后提前關(guān)閉全列車空調(diào)緊急通風(fēng)逆變器電源(QF15)。
若執(zhí)行此方案,在動車組開始運營前需閉合全列車空調(diào)緊急通風(fēng)逆變器電源以確??照{(diào)系統(tǒng)應(yīng)急通風(fēng)工作;即使不閉合亦不影響空調(diào)正常制冷、加熱。
5.2.1 更改電壓保護值
當發(fā)生動車組因防凍排空而虧電時,應(yīng)急使用電腦連接動車組,通過DCUTerm 軟件強制修改蓄電池系統(tǒng)保護電壓,可將原設(shè)定值95V 改為83V,保證車組激活后蓄電池接觸器1 不會保護斷開,此時操作升弓按鈕,利用剩余蓄電池電壓升起受電弓受流,車組正常激活。
具體指令修改如下:
Btn0Line0=;修改蓄電池系統(tǒng)保護電壓
Btn0Line1=op GL1BCP13/8300/.
Btn0Line2=op GL1BCP14/8400/.
Btn0Line0=;恢復(fù)蓄電池系統(tǒng)保護電壓
Btn0Line1=op GL1BCP13/9500/.
Btn0Line2=op GL1BCP14/9600/.
若執(zhí)行此方案,需安排專人值守,隨時做好應(yīng)急準備。
5.2.2 配備CRH1A 型動車組應(yīng)急升弓裝置
為預(yù)防CRH1A 型動車組虧電時受電弓無法正常升起的情況,研究適用于CRH1A 型動車組的便攜式應(yīng)急升弓裝置,隨車配備或在過夜站點配備,在動車組發(fā)生虧電故障時可立即使用應(yīng)急升弓裝置給輔風(fēng)缸供電,輔風(fēng)缸工作并向受電弓供風(fēng)升起受電弓受流,可以確保應(yīng)急有備。
通過升級CRH1A 型動車TCMS 軟件,優(yōu)化軟件控制策略,在自動防凍排空指令執(zhí)行后禁止TDS CCU 重啟,徹底消除動車組重復(fù)自動啟動的情況;只有當蓄電池電壓上升到110V 后,方允許TDS CCU 自動重啟。
針對蓄電池壽命問題及老化較普遍的情況,可結(jié)合高級修修程,一是提高三、四級檢修蓄電池檢查檢測標準,對單體容量進行循環(huán)充放電測試,要求電池容量須高于新品容量的90%,達不到要求進行更新;二是結(jié)合五級檢修修程,將CRH1A 型動車組蓄電池全部更新,以消除蓄電池老化問題。
通過對CRH1A 型動車組防凍排空相關(guān)控制原理及控制缺陷問題的深入研究,提出了提前介入預(yù)防方案、應(yīng)急處置方案及長期解決方案,采取物理隔斷、軟件修改參數(shù)、軟件升級、蓄電池更新等各種手段進行防控,可以大大減少問題發(fā)生機率,縮短故障處置時間,提高應(yīng)急處置效率,降低運輸影響,為高鐵更安全、穩(wěn)定運行保駕護航。