厲 浩 上海鐵路局車輛處

CRH2型動(dòng)車組在運(yùn)行中報(bào)135故障的分析

厲 浩 上海鐵路局車輛處

針對(duì)CRH2型動(dòng)車組在既有線路上運(yùn)行途中報(bào)全列輔助電源裝置135故障，選擇一列CRH2型動(dòng)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(cè)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(guò)對(duì)本次試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果及動(dòng)車組技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)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(dòng)車組占全路動(dòng)車組一半以上，其中很大一部分CRH2型動(dòng)車組都在既有線路上運(yùn)行，與客車混跑。自 2013年以來(lái)，某局配屬的 CRH2A、CRH2C和CRH380AL三種車型動(dòng)車組先后在運(yùn)行途中報(bào)全列輔助電源裝置135故障，造成牽引設(shè)備無(wú)通風(fēng)冷卻能力，導(dǎo)致全列失去牽引，給正常運(yùn)營(yíng)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(dòng)邏輯如下：

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

（2）充電完成后啟動(dòng)PWM整流控制直流側(cè)電壓。

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

1.2 輔助變流器過(guò)分相后的啟動(dòng)

輔助變流器過(guò)分相后的啟動(dòng)分為兩種情況：過(guò)分相時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，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(guò)分相時(shí)間較短時(shí)，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(dòng)過(guò)程。

動(dòng)車組完整的充電啟動(dòng)過(guò)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(dòng)時(shí)的充電時(shí)間有所不同。通過(guò)測(cè)試1/8車APU過(guò)分相后啟動(dòng)過(guò)程電壓數(shù)值，1車正常情況下預(yù)充電時(shí)間約為0.7 s，最終電壓幅值約為620 V；不控整流時(shí)間約0.27 s，最終電壓幅值約900 V；PWM控制時(shí)電壓保持在840 V。8車正常情況下預(yù)充電時(shí)間約為1.69 s，最終電壓幅值約為700 V；不控整流時(shí)間約0.56 s，最終電壓幅值約900 V；PWM控制時(shí)電壓保持在840 V。

當(dāng)輔助變流器直流側(cè)電壓超過(guò)1000V時(shí)，輔助變流器報(bào)出APU 135過(guò)壓故障。此時(shí)需通過(guò)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(guò)軟件設(shè)置輔助變流器再次充電，一旦檢測(cè)到充電輔助變流器中間環(huán)節(jié)充電失敗，則自動(dòng)重新啟動(dòng)，如果啟動(dòng)成功，則司機(jī)屏不報(bào)故障。

2 故障數(shù)據(jù)分析

在試驗(yàn)期間，CRH2型動(dòng)車組過(guò)分相后，各故障信息記錄見(jiàn)表1。

表1 故障信息記錄

2.1 故障一

故障一時(shí)，測(cè)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(shí)輔助變流器未能從不控整流切換至PWM控制模式。測(cè)試和采集動(dòng)車組過(guò)分相后輔助變流器及牽引變流器均未啟動(dòng)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(guò)2.5 kV，網(wǎng)壓峰值最大超過(guò)46 kV。測(cè)試和采集動(dòng)車組過(guò)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(guò)2.5 kV，網(wǎng)壓峰值最大超過(guò)46 kV。測(cè)試和采集動(dòng)車組過(guò)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(guò)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(guò)2.5 kV，網(wǎng)壓峰值最大超過(guò)47 kV。

2.2 故障二

故障二時(shí)，測(cè)試和采集1車/8車輔助變流器的中間電壓，充電失敗時(shí)充電電壓達(dá)到約1 030 V，此時(shí)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(cè)試和采集過(guò)分相后輔助變流器及牽引變流器均未啟動(dòng)階段的動(dòng)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(cè)試和采集動(dòng)車組過(guò)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(cè)試和采集動(dòng)車組過(guò)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(guò)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(cè)試和采集動(dòng)車組自重啟時(shí)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(dòng)失敗時(shí)的幅值。

2.3 故障三

故障三時(shí)，測(cè)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(shí)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(cè)試和采集動(dòng)車組過(guò)分相后輔助變流器充電失敗時(shí)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(guò)2.5 kV，21次諧波有效值接近2.5 kV，網(wǎng)壓峰值最大超過(guò)45 kV。測(cè)試和采集第二次復(fù)位時(shí)的動(dòng)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(shí)，測(cè)試和采集正常通過(guò)分相區(qū)所時(shí)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(dòng)車組的網(wǎng)壓諧波。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)諧波含量較低，且沒(méi)有引起充電失敗的17次、19次、21次特征諧波。此時(shí)由于動(dòng)車組要過(guò)分相，因此牽引手柄回零位，動(dòng)車組沒(méi)有監(jiān)測(cè)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(shí)，測(cè)試和采集1車/8車輔助變流器的中間電壓，充電失敗時(shí)充電電壓達(dá)到約1 200 V，此時(shí)輔助變流器未能從不控整流切換至PWM控制模式，短時(shí)間內(nèi)多次按復(fù)位按鈕對(duì)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(dòng)成功。測(cè)試和采集過(guò)分相后輔助變流器及牽引變流器均未啟動(dòng)階段的動(dòng)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(guò)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(guò)45 kV。測(cè)試和采集過(guò)分相后輔助變流器不控整流充電階段的動(dòng)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(guò)3 kV，21次（1 050 Hz）諧波相對(duì)較低，網(wǎng)壓波峰接近50 kV。

2.6 故障六

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

測(cè)試和采集動(dòng)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(dòng)車組網(wǎng)側(cè)電壓諧波。發(fā)現(xiàn)動(dòng)車組進(jìn)入該供電臂下運(yùn)行后，分區(qū)所監(jiān)測(cè)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(cè)網(wǎng)壓的17次、19次諧波明顯增大，且均超過(guò)2.5 kV。

3 理論分析

3.1 諧波頻譜分布分析

從試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果可以看出，影響CRH2型動(dòng)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(dòng)車組輔助變流器故障時(shí)，同一供電臂下運(yùn)行的機(jī)車包括HXD1，HXD1C，HXD3，三種機(jī)車開(kāi)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(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)(變速箱)、行走機(jī)構(gòu)(轉(zhuǎn)向離合器、驅(qū)動(dòng)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(shí)，將這些部件包裝運(yùn)到各地，購(gòu)機(jī)戶應(yīng)在技術(shù)人員的指導(dǎo)下，按插秧機(jī)說(shuō)明書(shū)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(dòng)車組輔助變流器過(guò)分相后的啟動(dòng)分為兩種情況：

（1）過(guò)分相時(shí)間較短時(shí)，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(guò)分相時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，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(dòng)過(guò)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(shí)序見(jiàn)圖2。

圖2 APU充電邏輯時(shí)序

因?yàn)锳PU的充電過(guò)程為不控整流的充電過(guò)程，APU被動(dòng)的接受輸入電壓的充電，而此時(shí)如果輸入電壓嚴(yán)重畸變，尖峰電壓則會(huì)對(duì)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(dòng)，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(bào)故障的原因。

如果只通過(guò)縮短充電時(shí)間來(lái)對(duì)APU控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，則面對(duì)更惡劣網(wǎng)壓情況下，由于充電時(shí)間和充電幅值的不可控，充電故障仍會(huì)發(fā)生，因此需要通過(guò)直流測(cè)電壓的反饋來(lái)限值充電時(shí)間和幅值，使充電過(guò)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(shí)運(yùn)用，牽引供電網(wǎng)諧波含量較大，APU故障出現(xiàn)時(shí)，主要是900Hz左右諧波過(guò)大，HXD1，HXD1C，HXD3機(jī)車運(yùn)行時(shí)均產(chǎn)生該種頻段附近的特征諧波。

（2）CRH2型動(dòng)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(guò)更改充電控制邏輯，增加直流電壓反饋?zhàn)鳛镻WM整流器開(kāi)通的條件來(lái)避免故障的發(fā)生，但無(wú)法從根本上抑制牽引供電網(wǎng)的諧波。

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

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

[2]中國(guó)鐵路總公司.CRH2A統(tǒng)型動(dòng)車組途中應(yīng)急故障處理手冊(cè) [M].北京：中國(guó)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(dòng)車組維護(hù)使用說(shuō)明書(shū)[Z].2013.

責(zé)任編輯：王華 宋立成

來(lái)稿日期：2015-08-17

圖4 清洗車在上海站對(duì)動(dòng)車組外車皮清潔

參考文獻(xiàn)

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

責(zé)任編輯：萬(wàn)寶安 張萼輝

來(lái)稿日期：2015-08-14