復(fù)興號(hào)CR200J型動(dòng)車組空調(diào)過(guò)流故障原因分析及整改建議

趙志春

(中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 濟(jì)南車輛段，山東 濟(jì)南 250000)

復(fù)興號(hào)CR200J型動(dòng)力集中動(dòng)車組供電方式采用DC 600 V制式，經(jīng)過(guò)拖車、控制車的車下逆變器為車上交流負(fù)載供電。對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)電氣回路，可編程邏輯控制器(PLC)實(shí)時(shí)采集回路電流，當(dāng)工作電流超過(guò)保護(hù)值且持續(xù)一定時(shí)間后，PLC切斷空調(diào)供電接觸器，實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)負(fù)載的保護(hù)。復(fù)興號(hào)CR200J型動(dòng)車組自上線以來(lái)，其電氣系統(tǒng)運(yùn)用效果良好，但在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，單車偶發(fā)空調(diào)過(guò)流故障，導(dǎo)致空調(diào)停機(jī)，降低乘客舒適度，影響動(dòng)車組正常運(yùn)行。

本文從空調(diào)負(fù)載電流特性、車下逆變器輸出特性、動(dòng)車DC 600 V列供電源輸出特性以及PLC空調(diào)保護(hù)機(jī)制等方面，對(duì)故障原因進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，并提出整改建議。

1 空調(diào)電流檢測(cè)原理

圖1為CR200J型動(dòng)車組列車供電拓?fù)鋱D，動(dòng)車為拖車和控制車提供DC 600 V電源，車下逆變器將DC 600 V電源轉(zhuǎn)換成AC 380 V電源給空調(diào)等負(fù)載供電。拖車和控制車綜合控制柜內(nèi)設(shè)PLC以及電流傳感器等，用于空調(diào)負(fù)載的供電、配電控制以及運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控[1]。

拖車和控制車的空調(diào)電流檢測(cè)原理如圖2所示。根據(jù)基爾霍夫電流定律，當(dāng)空調(diào)不工作時(shí)，IU=IV=IW=0，此時(shí)流過(guò)各傳感器的電流為0，傳感器輸出為0；當(dāng)空調(diào)工作時(shí)，IU≠0，IV≠0，IW≠0，流過(guò)各傳感器的電流不為0，此時(shí)PLC實(shí)時(shí)采集傳感器輸出的空調(diào)工作電流[2]?？照{(diào)制冷運(yùn)行時(shí)，IU、IV、IW值變大，當(dāng)三者的最大值超過(guò)過(guò)流保護(hù)值(額定電流的2倍)并持續(xù)2 s時(shí)，PLC切斷空調(diào)供電接觸器并發(fā)出空調(diào)過(guò)流故障信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)的保護(hù)[3]。

I.電流。

C.電容；3AC.三相交流電；U、V、W.三相交流電的U相、V相、W相；KM.三相交流接觸器；M.交流電機(jī)。

2 典型故障及原因分析

CR200J型動(dòng)車組拖車和控制車車下逆變器分別由A廠家、B廠家2個(gè)制造商提供，其中3車車下逆變器由B廠家提供，其余7輛車車下逆變器由A廠家提供。

2.1 故障現(xiàn)象

動(dòng)車組夏季正線運(yùn)行時(shí)，如果過(guò)分相斷電，車號(hào)為奇數(shù)的拖車或控制車(1、3、5、7車)偶報(bào)空調(diào)過(guò)流故障，此時(shí)單車觸摸屏記錄的故障歷史如圖3所示?？照{(diào)過(guò)流故障時(shí)電氣綜合控制柜PLC切斷AC 380 V空調(diào)電源，此時(shí)單車觸摸屏記錄故障發(fā)生時(shí)的數(shù)據(jù)顯示界面如圖4所示。

圖3 單車空調(diào)過(guò)流故障歷史界面

圖4 單車空調(diào)過(guò)流故障發(fā)生時(shí)的數(shù)據(jù)顯示界面

結(jié)合分析圖3圖4所示的鐵路局故障信息記錄，空調(diào)制冷過(guò)流故障主要表現(xiàn)為：

(1) 空調(diào)過(guò)流故障絕大部分發(fā)生在1、3、5、7車；

(2) 空調(diào)過(guò)流故障發(fā)生在進(jìn)入分相列供封鎖IGBT模塊的輸出之后；

(3) 過(guò)分相時(shí)列供DC 600 V無(wú)輸出，車號(hào)為偶數(shù)的拖車或控制車(2、4、6、8車)的Ⅰ路、Ⅱ路列供電壓下降趨勢(shì)不同，1、3、5、7車的Ⅱ路電壓下降趨勢(shì)快于2、4、6、8車的Ⅰ路電壓。

2.2 原因分析

2.2.1 空調(diào)電流測(cè)試

以1車和3車為例模擬過(guò)分相，利用示波器測(cè)試1車、3車空調(diào)電流波，測(cè)試結(jié)果分別見圖5(a)、圖5(b)中的通道3。測(cè)試結(jié)果可以看出，在過(guò)分相車下，電源欠壓保護(hù)斷電時(shí)存在瞬間沖擊電流，1車最大沖擊電流為67.2 A，3車最大沖擊電流為68.8 A，維持時(shí)間均小于2 s，不足以觸發(fā)空調(diào)過(guò)流故障，因此基本可以排除空調(diào)機(jī)組本身故障導(dǎo)致空調(diào)過(guò)流故障。

2.2.2 車下逆變器輸入輸出測(cè)試

對(duì)1車和3車模擬過(guò)分相進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，在DC 600 V列供電源斷電后，1車逆變器在檢測(cè)到輸入電壓小于DC 500 V時(shí)延時(shí)150 ms觸發(fā)欠壓保護(hù)，PLC切斷輸出接觸器，波形圖如圖5(a)所示；3車逆變器在檢測(cè)到輸入電壓小于DC 500 V時(shí)延時(shí)1 s觸發(fā)欠壓保護(hù)[4]，PLC切斷輸出接觸器，波形圖如圖5(b)所示?？梢?，切斷輸出接觸器時(shí)2車在均有沖擊電流產(chǎn)生，雖然該延時(shí)斷電邏輯有差異，但均滿足GB/T 32587—2016《旅客列車DC 600 V供電系統(tǒng)》第5.4.2.1條要求。

通道1.列供電源輸出電壓；通道2.逆變器輸出電壓；通道3.空調(diào)負(fù)載電流；通道4.U相電流傳感器的輸出電壓。圖5 1車和3車車下逆變器輸入輸出特性曲線界面

2.2.3 動(dòng)車DC 600 V電源輸出特性測(cè)試

模擬過(guò)分相，分別測(cè)試動(dòng)車空載和帶負(fù)載工況下DC 600 V電源的輸出電壓，分析其下降趨勢(shì)[5-6]。斷開動(dòng)車與1車DC 600 V的電連接進(jìn)行模擬過(guò)分相試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，過(guò)分相后的兩路DC 600 V電壓下降趨勢(shì)一致，符合要求。過(guò)分相空載列供電壓波形圖如圖6所示。

在所有車空調(diào)半冷工況下模擬過(guò)分相，列供Ⅰ路輸出電壓在DC 600 V～DC 500 V之間下降趨勢(shì)較快，低于DC 500 V后下降趨勢(shì)較平緩；列供Ⅱ路輸出電壓下降趨勢(shì)很快，從DC 600 V下降到0所經(jīng)歷的時(shí)間約為1 s?？梢?，Ⅰ路、Ⅱ路輸出電壓下降趨勢(shì)不一致[7]。過(guò)分相帶負(fù)載列供電壓波形圖如圖7所示。

圖6 過(guò)分相空載列供電壓下降趨勢(shì)界面

圖7 過(guò)分相帶負(fù)載列供電壓下降趨勢(shì)

動(dòng)車DC 600 V供電裝置輸出電壓不一致情況發(fā)生在列供封鎖IGBT模塊的輸出之后，此時(shí)列車DC 600 V供電裝置無(wú)法使輸出電壓保持穩(wěn)定。因動(dòng)車無(wú)電能釋放裝置，DC 600 V支撐電容的電能需要借助拖車負(fù)載進(jìn)行釋放。分析認(rèn)為，DC 600 V壓降不一致，與不同廠家逆變器的輸出接觸器關(guān)斷時(shí)間不一致有一定關(guān)系，導(dǎo)致2個(gè)DC 600 V模塊的支撐電容C放電速率不同。

2.2.4 PLC空調(diào)保護(hù)邏輯測(cè)試

當(dāng)PLC檢測(cè)到任意一相電流大于保護(hù)值(額定電流的2倍)且持續(xù)2 s時(shí)，PLC切斷空調(diào)供電接觸器，并報(bào)空調(diào)過(guò)流故障。在當(dāng)前供電回路電壓大于DC 400 V時(shí)，PLC實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空調(diào)電流；在兩路列供模塊電壓都小于DC 400 V時(shí)，判斷為過(guò)分相，對(duì)空調(diào)電流數(shù)據(jù)強(qiáng)制清零。在列供Ⅱ路的IGBT模塊封鎖后，列供壓降過(guò)程中PLC采集到空調(diào)電流波動(dòng)值且大于保護(hù)值。但由于兩路DC 600 V電源電壓下降趨勢(shì)不一致，Ⅱ路壓降較快，在Ⅱ路電壓低于DC 400 V時(shí)，由Ⅱ路供電的拖車及控制車車下逆變器停止工作，PLC中保留列供電壓高于400 V時(shí)的電流波動(dòng)值。由于Ⅰ路DC 600 V電源壓降較慢，降至DC 400 V的壓降時(shí)間大于2 s，因此在兩路電壓都低于DC 400 V之前，即空調(diào)電流強(qiáng)制清零之前，Ⅱ路DC 600 V電源供電的拖車及控制車(1、3、5、7車)容易發(fā)生空調(diào)過(guò)流故障條件，從而觸發(fā)故障[8-9]。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

綜上所述，在列供電源輸出、車下逆變器狀態(tài)、PLC判斷邏輯、空調(diào)運(yùn)行均正常且均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)圖等技術(shù)要求的情況下，CR200J型動(dòng)車組部分車輛報(bào)空調(diào)制冷過(guò)流故障的原因是供配電系統(tǒng)及空調(diào)控制保護(hù)系統(tǒng)的匹配性問(wèn)題。為了驗(yàn)證該結(jié)論的正確性，將該動(dòng)車組3車車下逆變器(A廠家)與其他動(dòng)車組的車下逆變器(B廠家)對(duì)調(diào)，并上線試運(yùn)營(yíng)，結(jié)果PLC未誤報(bào)空調(diào)過(guò)流故障[10]。

4 整改建議

由于CR200J型動(dòng)力集中動(dòng)車組空調(diào)過(guò)流故障報(bào)警實(shí)質(zhì)為供配電系統(tǒng)及空調(diào)控制保護(hù)系統(tǒng)的性能參數(shù)匹配問(wèn)題。雖可采取如更換3車車下逆變器的臨時(shí)措施，使該動(dòng)車組不再誤報(bào)空調(diào)過(guò)流故障，但未從根本上解決問(wèn)題，因此建議：

(1) 動(dòng)車設(shè)置獨(dú)立的電能釋放裝置，保證IBGT模塊輸出封鎖后能夠通過(guò)自身放電裝置實(shí)現(xiàn)兩路輸出電壓壓降趨勢(shì)相同；

(2) 不同廠家的車下逆變電源應(yīng)統(tǒng)一欠壓保護(hù)延時(shí)時(shí)間；

(3) 優(yōu)化PLC控制程序，在當(dāng)前供電回路電壓低于DC 400 V時(shí)對(duì)空調(diào)電流清零，避免DC 600 V電源壓降趨勢(shì)不同對(duì)其判斷邏輯產(chǎn)生影響；

(4) 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中未規(guī)定、但卻影響列車供電的問(wèn)題進(jìn)行技術(shù)統(tǒng)型，對(duì)動(dòng)車和拖車、控制車的供配電設(shè)備接口性能和整體匹配性進(jìn)行深入研究，從根源上解決動(dòng)力集中動(dòng)車組DC 600 V電源的參數(shù)匹配性問(wèn)題，保證動(dòng)車組的用電設(shè)備安全、可靠運(yùn)行。