CRH380B（L）型動(dòng)車組主斷路器故障分析

劉振宇 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京動(dòng)車段

隨著CRH380B（L）型動(dòng)車組運(yùn)用年限的增長(zhǎng)，各類故障不斷涌現(xiàn)。主斷路器作為動(dòng)車組高壓回路的開關(guān)，直接影響著動(dòng)車組的牽引功能以及輔助用電設(shè)備。本文針對(duì)兩起重聯(lián)動(dòng)車組過(guò)分相后，后聯(lián)車組主斷未自動(dòng)閉合的故障，對(duì)主斷路器設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)故障的原理進(jìn)行歸納，旨在降低行車設(shè)備故障的影響程度和復(fù)現(xiàn)率。

1 主斷路器作用概述

CRH380B（L）型動(dòng)車組主斷路器（Main Circuit Breaker）是一種單斷口真空斷路器。動(dòng)車組運(yùn)用過(guò)程中由受電弓從接觸網(wǎng)受流，經(jīng)由變壓器、變流器等高壓部件，輸出2 700 V交流電驅(qū)動(dòng)三項(xiàng)異步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。正常工況下，接觸網(wǎng)電壓為25 kV，帶載分?jǐn)嗲闆r下將會(huì)擊穿空氣產(chǎn)生拉弧，電弧高溫可能使部件融化或碎裂。動(dòng)車組高壓部件示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 動(dòng)車組高壓部件示意圖

目前常用的滅弧方式主要有：（1）介質(zhì)滅弧，一種是利用六氟化硫(SF6)氣體電負(fù)性強(qiáng)的特征，迅速吸附電子而形成穩(wěn)定的負(fù)離子，有利于復(fù)合去游離；一種是利用真空(壓強(qiáng)在0.013Pa以下)滅弧，因真空中的中性質(zhì)點(diǎn)很少，不易于發(fā)生碰撞游離，同時(shí)真空有利于擴(kuò)散去游離。本文探討的動(dòng)車組主斷路器就采用真空滅弧的方式。（2）吹弧滅弧，利用氣體或油吹動(dòng)電弧，使弧隙帶電質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散和冷卻復(fù)合。吹弧方式主要有縱吹與橫吹兩種?？v吹是吹動(dòng)方向與電弧平行，它促使電弧變細(xì)；橫吹是吹動(dòng)方向與電弧垂直，它把電弧拉長(zhǎng)并切斷。（3）狹縫滅弧，使電弧在固體介質(zhì)的狹縫中運(yùn)動(dòng)，一方面冷卻電弧，加強(qiáng)了去游離作用；另一方面電弧被拉長(zhǎng)，弧徑被壓小，弧電阻增大，促使電弧熄滅。

當(dāng)動(dòng)車組需要帶載通斷時(shí)，使用主斷路器將用電設(shè)備安全地接入和斷開。如圖1所示，主斷路器安裝在受電弓下方，經(jīng)由電流互感器后接入本牽引單元的變壓器，同時(shí)可通過(guò)電纜與隔離開關(guān)接入另一單元的變壓器，從而給車輛其他用電設(shè)備供電。

2 主斷路器結(jié)構(gòu)介紹

主斷路器的動(dòng)作主要是通過(guò)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁閥，控制壓縮空氣通路，由壓縮空氣驅(qū)動(dòng)接觸器打開或閉合。

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

主斷路器主要包括負(fù)責(zé)高壓回路通斷的真空電弧放電室、彈簧式壓縮空氣作動(dòng)器以及通過(guò)弱電控制的EV 電磁閥、保持線圈。如圖2所示，主觸點(diǎn)位于真空電弧放電室中，彈簧式壓縮空氣作動(dòng)器中的活塞桿通過(guò)連桿臂以轉(zhuǎn)軸方式連接主觸點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)活塞桿動(dòng)作的壓縮空氣由總風(fēng)管供風(fēng)，在列車啟動(dòng)階段，使用輔助壓縮機(jī)供風(fēng)。

圖2 主斷路器機(jī)械結(jié)構(gòu)

（1）主斷路器閉合過(guò)程

當(dāng)動(dòng)車組的高壓回路需要閉合時(shí)，保持線圈得電、EV 電磁閥得電，壓力缸中的活塞在電磁作用下克服彈簧的力向下運(yùn)動(dòng)，氣缸中的壓縮空氣經(jīng)由壓力缸到達(dá)作動(dòng)器，推動(dòng)作動(dòng)器活塞克服重力及彈簧的力向上移動(dòng)?；钊竭_(dá)沖程終點(diǎn)后，被保持線圈在電磁力的作用下吸持，主觸點(diǎn)保持閉合狀態(tài)。此時(shí)EV 電磁閥失電，壓力缸中活塞在彈簧作用下向上移動(dòng)復(fù)位，電磁閥截?cái)鄽飧纵敵龅膲嚎s空氣，作動(dòng)器通過(guò)電磁閥下方排氣孔與大氣相連，實(shí)現(xiàn)泄壓。

（2）主斷路器斷開過(guò)程

當(dāng)動(dòng)車組需要斷開高壓回路時(shí)，作動(dòng)器中保持線圈失電，此時(shí)活塞下方壓縮空氣已經(jīng)排出，在重力和彈簧作用下，活塞桿向下移動(dòng)。真空電弧放電室中主觸點(diǎn)分離，安全斷開高壓回路。

2.2 電氣控制

（1）主斷路器閉合過(guò)程

空開=21-F11閉合狀態(tài)下，已經(jīng)完成升弓操作，此時(shí)=21-K61 得電吸合。操作=21-S03（主斷開關(guān)）置于ON 位，=21-K77得電，輔助觸點(diǎn)13、14閉合，反饋到CCU中。

圖3 開關(guān)反饋電路圖

如圖3所示，反饋信號(hào)從E003_07輸入到CCU1和CCU2。本單元CCU、TCU 判斷設(shè)備狀態(tài)正常后，使=21-K17、=21-K18 得電，并給另一單元的=21-K28、=21-K27 供電；本單元=10-T10 判斷設(shè)備正常后使=21-K35 得電，并給另一單元的=21-K25供電。

圖4 主斷路器控制電路圖

如圖4所示，此時(shí)=21-K17、=21-K18、=21-K27、=21-K28得電，激活=10-Q01 的主斷保持；SKS 使能，=21-K25、=21-K35 得電，激活=10-Q01 的主斷動(dòng)作。實(shí)現(xiàn)主斷路器高壓觸電的接通并保持。

（2）主斷路器斷開流程

司機(jī)可以在任何一端斷開主斷路器，在司機(jī)室操縱臺(tái)上操作斷開，=21-K76 得電，反饋信號(hào)從E003_08 輸入到CCU1和CCU2。CCU 取消主斷路器使能，使吸持線圈失電，主斷路器斷開。同時(shí)，導(dǎo)致主斷路器斷開的因素還包括：接觸網(wǎng)監(jiān)測(cè)（線電流、線電壓）、主變壓器監(jiān)測(cè)、CCU 內(nèi)部監(jiān)測(cè)、TCU 內(nèi)部監(jiān)測(cè)等。

3 主斷路器故障分析

以兩起重聯(lián)動(dòng)車組過(guò)分相后主斷路器未自動(dòng)閉合的故障為例，結(jié)合分相區(qū)信號(hào)、CCU 和TCU 激活信號(hào)等因素，對(duì)故障成因進(jìn)行分析。

3.1 分相區(qū)概述

分相區(qū)（Dead Zone）是電氣化鐵路的無(wú)電區(qū)間，可以將不同變電所供出的不同相位的電，通過(guò)兩個(gè)分相開關(guān)進(jìn)行隔離，以防止異相電短路并造成熔斷接觸網(wǎng)。我國(guó)電氣化鐵路使用單相工頻交流供電方式，牽引變電所將電力系統(tǒng)通過(guò)高壓輸電線送來(lái)的電能加以降壓和變流后輸送給接觸網(wǎng)，以供給沿線路行駛的動(dòng)車組。由于使用的是單相工頻交流電，對(duì)牽引供電系統(tǒng)是一個(gè)單相的大功率負(fù)荷，如果僅僅從三相供電系統(tǒng)中的某一相取電，很容易造成各相負(fù)荷的嚴(yán)重失衡。故在牽引供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，每隔一定的距離都要對(duì)接觸網(wǎng)采用換相聯(lián)結(jié)的接線方式。為了保證穩(wěn)定的受電弓與接觸網(wǎng)的關(guān)系，需要保持非同相供電臂的機(jī)械連接，為了防止異相短路，需要對(duì)兩個(gè)供電臂進(jìn)行電氣隔離。

3.2 分相區(qū)信號(hào)異常故障案例

重聯(lián)動(dòng)車組以速度66 km/h 進(jìn)入分相區(qū)，出分相區(qū)后前聯(lián)主斷路器自動(dòng)閉合，后聯(lián)未自動(dòng)閉合。手動(dòng)操作司機(jī)室操縱臺(tái)上開關(guān)后，后聯(lián)主斷路器正常閉合。該重聯(lián)動(dòng)車組前后聯(lián)過(guò)分相時(shí)，各信號(hào)情況如圖5、6所示。

圖5 前聯(lián)過(guò)分相CCU、TCU信號(hào)

圖6 后聯(lián)過(guò)分相CCU、TCU信號(hào)

通過(guò)分析重聯(lián)動(dòng)車組兩車MVB數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合具體時(shí)間點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，在接收到分相區(qū)信號(hào)后，前后聯(lián)主斷路器斷開，動(dòng)車組開始惰行通過(guò)分相區(qū)。在接收到分相區(qū)結(jié)束信號(hào)時(shí)，前聯(lián)檢測(cè)到網(wǎng)壓已經(jīng)從波谷上升至25 kV 以上，且CCU、TCU均給出釋放信號(hào)，前列接收到主控車發(fā)出的閉合主斷信號(hào)后主斷路器自動(dòng)閉合。此時(shí)后聯(lián)剛進(jìn)入無(wú)電區(qū)，因網(wǎng)壓驟降TCU 釋放信號(hào)從1 變?yōu)?，未能正常釋放，主斷路器自動(dòng)閉合失敗。

在動(dòng)車組高壓回路中，=10-T03 線電流變壓器用來(lái)檢測(cè)接觸網(wǎng)電流，檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)由耦合變壓器傳輸給本單元的CCU1 和CCU2；=10-T02 線電壓變壓器用來(lái)檢測(cè)接觸網(wǎng)上電壓，檢測(cè)到的信號(hào)傳輸給本車全列TCU。

圖7 重聯(lián)動(dòng)車組正常過(guò)分相信號(hào)

當(dāng)動(dòng)車組檢測(cè)到網(wǎng)壓大于12.5 kV 并持續(xù)2 s，同時(shí)滿足運(yùn)行速度或行駛里程要求后會(huì)給出主斷路器閉合信號(hào)。如圖7 所示為正常區(qū)段分相區(qū)電壓變化情況，可以發(fā)現(xiàn)前聯(lián)與后聯(lián)在經(jīng)過(guò)無(wú)電區(qū)，即檢測(cè)到網(wǎng)壓下降時(shí)，分相區(qū)信號(hào)均出于1的位置，而本案例中分相區(qū)信號(hào)提前給出，從而讓前聯(lián)動(dòng)車組誤判為全列出分相區(qū)。

3.3 TCU信號(hào)故障案例

重聯(lián)動(dòng)車組過(guò)分相后前聯(lián)動(dòng)車組主斷路器未自動(dòng)閉合，并報(bào)出故障代碼：6304（10-Q01：VCB失效），后聯(lián)動(dòng)車組主斷路器閉合正常。重新手動(dòng)操作司機(jī)室操縱臺(tái)上主斷路器開關(guān)后，前聯(lián)主斷閉合正常。前聯(lián)動(dòng)車組過(guò)分相時(shí)，各信號(hào)情況如圖8所示。

圖8 過(guò)分相TCU信號(hào)

在接收到過(guò)分相信號(hào)后，動(dòng)車組會(huì)根據(jù)距離提前斷開主斷路器。為了保證車上輔助用電設(shè)備正常，動(dòng)車組開始進(jìn)行電制動(dòng)，車下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，將列車動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，通過(guò)牽引變流器的中間直流環(huán)節(jié)向輔助變流器供電，電壓將持續(xù)降低。出于安全性考慮，當(dāng)牽引變流器接入主變壓器二次側(cè)時(shí)，會(huì)先通過(guò)K4 串聯(lián)電抗的方式向中間直流環(huán)節(jié)充電，當(dāng)充到95%時(shí)閉合Q1 直接連接，從而避免兩端電壓差過(guò)大損壞設(shè)備。在過(guò)分相過(guò)程中，牽引變壓器中間直流環(huán)節(jié)電壓降低到95%以下時(shí)，為了避免過(guò)分相結(jié)束主斷路器閉合會(huì)損壞設(shè)備，此時(shí)將會(huì)斷開Q1，閉合主斷路器后重復(fù)充電過(guò)程。

通過(guò)MVB數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，在主斷路器閉合指令給出時(shí)，牽引變流器的Q1恰好在動(dòng)作，此時(shí)出于安全性考慮，TCU未給出釋放信號(hào)，導(dǎo)致主斷路器不能正常閉合。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)探討主斷路器機(jī)械結(jié)構(gòu)和電器控制原理，針對(duì)分相區(qū)網(wǎng)壓異常和Q1 動(dòng)作導(dǎo)致TCU 釋放信號(hào)未給出兩種故障類型，分析進(jìn)出分相區(qū)時(shí)CCU、TCU 信號(hào)條件和輔助用電設(shè)備供電等問(wèn)題，總結(jié)主斷路器出分相區(qū)不閉合的原因，為應(yīng)急處置和故障排查提供一種思路。