邱文杰，魯青君，許哲雄

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111; 2.同濟(jì)大學(xué) 電氣工程系，上海 201804)

動(dòng)車組故障檢測研究

邱文杰1，魯青君1，許哲雄2

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111; 2.同濟(jì)大學(xué) 電氣工程系，上海 201804)

為了保障動(dòng)車組的安全運(yùn)行，需要在動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線故障檢測，以便及時(shí)、準(zhǔn)確地測量出動(dòng)車組邏輯控制電路的各種故障，特別是隨機(jī)、瞬時(shí)出現(xiàn)的故障;論文特別針對動(dòng)車組可能發(fā)生的隨機(jī)性、瞬時(shí)性故障，研究了該類故障檢測的特點(diǎn)以及捕捉快速脈沖信號的方法，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于單片計(jì)算機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路前端的高速信號采樣保持電路，研制了專用的動(dòng)車組隨車故障檢測裝置;在現(xiàn)場測試過程中，將動(dòng)車組隨車故障檢測裝置與多通道示波記錄儀配合使用，對動(dòng)車組的邏輯控制電路關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的控制信號進(jìn)行了現(xiàn)場隨車實(shí)時(shí)測試，并對現(xiàn)場隨車測試結(jié)果進(jìn)行了分析研究;論文的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)為建立高速動(dòng)車組邏輯控制電路的抗電磁干擾技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、改善高速動(dòng)車組的電磁環(huán)境做了初步的探索并提供了有益的參考。

動(dòng)車組; 檢修維護(hù); 實(shí)時(shí)檢測

0 引言

在動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)，動(dòng)車組的邏輯控制電路發(fā)生的故障可以分為兩種類型：一種是較長時(shí)間穩(wěn)定的故障，如：電氣接線斷路、電氣接線絕緣破損造成的接地、繼電器線圈開路等；另一種是隨機(jī)、瞬時(shí)出現(xiàn)的故障，如：繼電器觸點(diǎn)接觸不良、長期震動(dòng)使連接導(dǎo)線松脫等原因造成的接觸不良或活接地、各類由于浪涌電壓或感應(yīng)電勢的瞬時(shí)干擾信號造成的誤動(dòng)作等。對于第一類故障，目前已經(jīng)有了比較成熟的檢測方法與檢測設(shè)備。但是對于第二種隨機(jī)、瞬時(shí)出現(xiàn)的故障，由于故障具有隨機(jī)性、突發(fā)性和瞬時(shí)性，并且在故障事后很難在檢修庫中再重現(xiàn)該類故障，因此，查找該類故障點(diǎn)的難度很大。

采用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)在線故障檢測技術(shù)，可以在動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)記錄動(dòng)車組邏輯控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障信號以及故障發(fā)生的時(shí)間。當(dāng)檢測到故障信號后，檢測裝置立即給出聲光報(bào)警信號并通過串行通訊將所采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到筆記本電腦，從而可以為查找故障位置、及時(shí)排除故障提供檢修參考依據(jù)，提高了處理故障的及時(shí)性和準(zhǔn)確性[1]。

1 檢測原理

計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)在線故障檢測的原理是：針對動(dòng)車組邏輯控制電路的電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型。然后，根據(jù)數(shù)學(xué)模型的控制原理，在邏輯控制電路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集控制信號，并對所采集的控制信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理后，運(yùn)用單片機(jī)的布爾運(yùn)算器完成動(dòng)車組牽引、制動(dòng)控制邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)在線檢測、故障判斷功能并輸出故障報(bào)警信號。

同時(shí)，可以通過串行通訊將所采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到筆記本電腦，以便保存數(shù)據(jù)、進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)故障查找、故障診斷等功能。

在實(shí)時(shí)采集的控制信號中，存在感應(yīng)電勢造成的瞬時(shí)干擾信號。圖1所示為CRH380A動(dòng)車組低壓電器柜中8號線和107號線上所測到的干擾信號實(shí)際波形。從圖1中“A”、“B”兩點(diǎn)可以觀察到幅值為-230伏左右的尖脈沖。此類以尖脈沖形式的瞬時(shí)干擾信號幅值可達(dá)數(shù)百伏，脈沖時(shí)間為數(shù)十微秒到數(shù)毫秒之間。同時(shí)，在其它相鄰的信號線上也檢測到同樣的尖脈沖干擾信號(參見圖2)。若這些干擾信號加載到關(guān)鍵的控制信號線上，例如緊急制動(dòng)控制信號152B線，就可能觸發(fā)全車緊急制動(dòng)，造成停車事故。

圖1 8號線和107號線上所測到的干擾信號

圖2 多通道示波記錄儀記錄的波形圖

由于瞬時(shí)干擾信號幅值高、持續(xù)時(shí)間短，故必須在單片計(jì)算機(jī)A/D轉(zhuǎn)換電路的前端設(shè)置高速信號采樣保持電路(S/H電路)，以便能捕捉到瞬時(shí)干擾信號并保持信號有足夠的時(shí)間使單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換電路能完成轉(zhuǎn)換并保證足夠的轉(zhuǎn)換精度[2]。所以我們在計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)在線故障檢測裝置中設(shè)計(jì)了高速峰值信號采樣保持電路用于捕捉尖脈沖[3]。

高速峰值信號采樣保持電路如圖3所示。

圖3 高速峰值信號采樣電路

在高速峰值信號采樣保持電路中，C為采樣電容。采樣電容是采樣保持電路中的關(guān)鍵元件，為了縮短采樣保持電路的捕捉時(shí)間、提高采樣保持電路的精度，我們選用了滯后系數(shù)、溫度系數(shù)均較小的CBB電容(聚丙烯電容)。在綜合考慮作為信號跟隨器的集成運(yùn)放A1的輸出阻抗和A2的輸入阻抗后，我們將C的容量選定為1000PF。

電路中D2阻止了采樣電容C上的峰值信號電壓在輸入信號回落時(shí)被A1泄放。在本電路中增加了鉗位二極管D1。D1的接入使得當(dāng)輸入信號回落時(shí)A1的輸出電壓被鉗位在Vin-VD1這一較低的數(shù)值上，從而降低了D2的反向電壓及反向漏電流，減少了采樣保持電路的降壓速率和孔徑時(shí)間，提高了采樣保持電路的精度。

T1、D3組成了采樣電容C的放電復(fù)位回路，在開始采樣前，T1的控制信號Vc觸發(fā)導(dǎo)通T1，使采樣電容C放電復(fù)位。

動(dòng)車組隨車故障檢測裝置的結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示。

圖4 動(dòng)車組隨車故障檢測裝置的結(jié)構(gòu)原理圖

圖4中，動(dòng)車組隨車故障檢測裝置以高性能嵌入式單片機(jī)(AT89S52)為控制核心，包括輸入信號峰值采樣電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)顯示電路、聲光報(bào)警電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、RS232串行通訊接口電路等各功能模塊，組成了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與信號處理系統(tǒng)[4]。

隨車故障檢測裝置的數(shù)據(jù)顯示電路用于顯示實(shí)時(shí)采集的邏輯控制電路信號，便于技術(shù)人員在現(xiàn)場通過讀取相關(guān)信號狀態(tài)監(jiān)測動(dòng)車組的運(yùn)行狀態(tài)。故障檢測裝置事先設(shè)定了動(dòng)車組牽引、制動(dòng)控制邏輯，當(dāng)檢測到動(dòng)車組控制電路發(fā)生邏輯故障時(shí)，通過聲光報(bào)警電路發(fā)出聲光報(bào)警信號提示現(xiàn)場技術(shù)人員。

同時(shí)，單片機(jī)在實(shí)時(shí)采集動(dòng)車組邏輯控制電路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)控制信號后，加入日期和實(shí)時(shí)時(shí)間，然后按32個(gè)字節(jié)打包為一幀信息存入RAM存儲(chǔ)器并通過RS232通訊接口輸出。該數(shù)據(jù)可以上載到筆記本電腦中以便保存數(shù)據(jù)并可應(yīng)用數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和故障查找。

在設(shè)計(jì)故障檢測裝置的電源電路時(shí)，考慮到在動(dòng)車組車上的實(shí)際使用環(huán)境，為了使故障檢測裝置能適應(yīng)各種工作場合，包括在車上以及在動(dòng)調(diào)庫內(nèi)調(diào)試的需要，我們設(shè)計(jì)了能適應(yīng)多種電源輸入的多功能電源。從而使得記錄儀可以適用于包括直流24伏、直流100伏、交流220伏等不同工作現(xiàn)場所提供的電源。

2 現(xiàn)場測試實(shí)例

在隨車實(shí)時(shí)在線故障檢測的測試過程中，我們將新研發(fā)的動(dòng)車組隨車故障檢測裝置與多通道示波記錄儀配合使用，同時(shí)測量動(dòng)車組牽引制動(dòng)控制回路的相關(guān)信號。由于示波記錄儀能較高精度地測量連續(xù)變化的模擬信號，而隨車故障檢測裝置能長時(shí)間監(jiān)測、記錄信號電平的變化，特別是能捕捉到快速變化的干擾脈沖信號。所以，配合使用兩種不同性能的測量儀器，可以全面地測試所有關(guān)鍵信號的重要信息，為故障分析提供全面的、詳細(xì)的參考數(shù)據(jù)。

現(xiàn)場測試的步驟與方法如下。

2.1 設(shè)置測試設(shè)備采樣率

我們首先對測試設(shè)備的采樣率進(jìn)行設(shè)置：隨車故障檢測裝置的采樣率為：500微秒/CH，以數(shù)據(jù)表格的形式記錄各信號測試點(diǎn)電壓波動(dòng)的電平動(dòng)態(tài)變化過程。多通道示波記錄儀的采樣率為：100 kHz/CH，以波形圖的形式記錄各信號測試點(diǎn)電壓波動(dòng)的模擬電壓動(dòng)態(tài)變化過程。在測試中將隨車故障檢測裝置的采樣率設(shè)置較高，有利于發(fā)揮其捕捉快速變化的干擾脈沖信號的優(yōu)點(diǎn)。而對于多通道示波記錄儀，由于其內(nèi)存容量的限制，不易采用過高的采樣率，否則其記錄的信號時(shí)長將大大縮短。在實(shí)驗(yàn)中，我們將多通道示波記錄儀的采樣率設(shè)置為100 kHz/CH，兼顧了測量精度和測量時(shí)長的需求。

2.2 信號采集方法

隨車故障檢測裝置與多通道示波記錄儀配合采集信號方法示意圖如圖5所示。

圖5 兩種故障檢測設(shè)備采集信號方法示意圖

隨車故障檢測裝置與多通道示波記錄儀配合，在同一個(gè)信號點(diǎn)用兩種測試設(shè)備各自獨(dú)立采集、記錄信號。然后，針對發(fā)生瞬時(shí)故障信號的記錄，進(jìn)行逐點(diǎn)對照分析。

2.3 信號測試結(jié)果

在現(xiàn)場測試中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)動(dòng)車組閉合或斷開主斷路器時(shí)，在多通道示波記錄儀記錄的波形圖中和隨車故障檢測裝置記錄的數(shù)據(jù)表格中，均可觀察到7、8號線(閉合和斷開主斷路器的控制線)和其它信號線上有干擾信號。閉合主斷路器時(shí)，從圖五“1”處可見7、8、106、107線上均有幅值不等的干擾信號。根據(jù)“2”處的[200.0 ms/div]時(shí)標(biāo)可以測算出干擾信號為持續(xù)時(shí)間約為20 ms的尖脈沖序列。具體波形見圖5所示。

從示波記錄儀記錄的波形圖測量數(shù)據(jù)中，可見7號線上的峰-峰值電壓為：40.67 V，8號線上的峰-峰值電壓為：5.667 V。

閉合主斷路器時(shí)，動(dòng)車組隨車故障檢測裝置記錄的數(shù)據(jù)表格局部放大圖見圖6。從圖6中可見在閉合主斷路器控制線得電時(shí)，即從 313 ms 開始到 334 ms 結(jié)束，存在一個(gè)持續(xù)約 20 ms 的干擾信號，具體數(shù)據(jù)見圖6中標(biāo)示圈中所示。

圖6 隨車故障檢測裝置記錄的數(shù)據(jù)表格

3 現(xiàn)場測試結(jié)果的初步分析與結(jié)論

3.1 閉合主斷路器和斷開主斷路器時(shí)的干擾信號

當(dāng)動(dòng)車組閉合主斷路器時(shí)，在波形圖中可觀察到干擾信號的幅值為 5～ 50 V之間。此干擾信號的幅值小于控制電壓的50%，在數(shù)據(jù)表格中記錄的干擾電平信號的持續(xù)時(shí)間與在波形圖中所記錄的干擾信號的持續(xù)時(shí)間均為20毫秒。

當(dāng)動(dòng)車組斷開主斷路器時(shí)，在波形圖中可觀察到干擾信號的幅值為 150～200 V。此干擾信號的幅值竟達(dá)到了控制電壓的150%～200%，而干擾信號的持續(xù)時(shí)間大于200毫秒。

對比閉合主斷路器時(shí)和斷開主斷路器時(shí)所觀察到的干擾信號，顯然在斷開主斷路器時(shí)的干擾信號大得多。這是由于在閉合主斷路器時(shí)，干擾源主要由于25 kV高壓對車內(nèi)主斷路器后端設(shè)備的分布電容充電所產(chǎn)生。而斷開主斷路器時(shí)，干擾源主要由于切除25 kV高壓時(shí)車內(nèi)所有分布電感的感應(yīng)電壓(L*di/dt，L為總分布電感，di/dt為切除25 kV高壓時(shí)的電流變化率)所產(chǎn)生。后者(分布電感的感應(yīng)電壓)往往遠(yuǎn)大于前者(分布電容的充電電流)。所以反映在7、8號控制線上的感應(yīng)電壓也是后者大于前者。

3.2 高壓線纜的長度對閉合主斷路器和斷開主斷路器時(shí)的影響

增加高壓線纜的長度，會(huì)增加高壓回路的電感。當(dāng)閉合主斷路器時(shí)，高壓回路的電感增加，有利于減少25 kV高壓對車內(nèi)主斷路器后端的分布電容的充電電流，從而減少了閉合主斷路器時(shí)的干擾。

但是，高壓回路的電感增加后，將使斷開主斷路器時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓增加，從而增加了斷開主斷路器時(shí)的干擾。

考慮到斷開主斷路器時(shí)的干擾(控制電壓的150%～200%)大于閉合主斷路器時(shí)的干擾(小于控制電壓的50%)，因此擬不建議增加高壓線纜的長度。

3.3 動(dòng)車組升弓和降弓時(shí)的干擾信號

動(dòng)車組升弓過程中可觀察到干擾信號的幅值為 5～50 V之間。此干擾信號的幅值小于控制電壓的50%，在數(shù)據(jù)表格中記錄的干擾電平信號的持續(xù)時(shí)間與在波形圖中所記錄的干擾信號的持續(xù)時(shí)間均約為1秒。當(dāng)動(dòng)車組降弓時(shí)，干擾信號的幅值更是達(dá)到了 398 V，持續(xù)時(shí)間則大于1秒。分析認(rèn)為這是由于在動(dòng)車組降弓時(shí)受電弓與接觸網(wǎng)的持續(xù)拉弧時(shí)間較長所致?？紤]在降弓時(shí)，動(dòng)車組主電路已經(jīng)斷電，所以即使干擾信號大，也不至于造成重大后果。但是，安裝在動(dòng)車組上的以100伏控制電源工作的輔助設(shè)備，應(yīng)該能承受動(dòng)車組降弓時(shí)干擾信號的強(qiáng)度。在制定高速動(dòng)車組輔助設(shè)備抗電磁干擾技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)該考慮到這一因素。

3.4 高壓線纜的長度對升弓和降弓時(shí)的影響

現(xiàn)場測試表明，高壓線纜的長度影響了高壓回路的分布電感，對動(dòng)車組的電磁環(huán)境影響較大。對比升、降弓時(shí)的測試數(shù)據(jù)和閉合、斷開主斷路器時(shí)的測試數(shù)據(jù)，建議不要盲目地增加高壓線纜的長度，而應(yīng)該針對不同長度的高壓線纜進(jìn)行更多的試驗(yàn)以獲得最佳的高壓線纜配置參數(shù)。

4 結(jié)束語

我們采用兩種新型測試設(shè)備配合使用的方法，對CRH2高速動(dòng)車組的瞬時(shí)干擾信號進(jìn)行了現(xiàn)場隨車實(shí)時(shí)測試，取得了第一手的現(xiàn)場數(shù)據(jù)并通過分析研究得出了初步的結(jié)論。本研究的方法和結(jié)論，為建立高速動(dòng)車組邏輯控制電路的抗電磁干擾技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、改善高速動(dòng)車組的電磁環(huán)境做了初步的探索并提供了有益的參考。

[1] 劉 泰,許哲雄.機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的開發(fā)[J].機(jī)車電傳動(dòng),2008(5):64-66.

[2] 李 華.MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

[3] 于 驍.基于沖激脈沖的動(dòng)車組車端連接器電氣裝置故障檢測技術(shù)研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2015.

[4] 何立民.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

Research on the Fault detecting of EMU

Qiu Wenjie1, Lu Qingjun1, Xu Zhexiong2

(1.CRRC Qingdao Sifang Co.,Ltd., Qingdao 266111,China; 2.Tongji University, Shanghai 201804, China)

In order to ensure the safety of EMU, need to detect the fault of EMU real-time when it is running, for find out the fault of EMU’s logic control circuit in time, especially for the stochastic and instantaneous faults of EMU. We research on the method of the stochastic and instantaneous faults detection and capture for fast pulse signal and design a on-board equipment of fault detection. The equipment adopt a high speed sample-and-hold circuit based on a single chip computer system With the use of the on-board equipment of fault detection and the multi - channel oscilloscope recorder, We test the control signals real-time at key nodes of the EMU’s logic control circuit on the scene, then give out the analysis conclusion of the test results. This paper gives out the reference of Electro Magnetic Compatibility(EMC) of high speed EMU’s logic control circuit and the primary grope to improve the EMU’s electromagnetic environment.

EMU; maintenance; real-time test

2016-11-09；

2016-12-01。

邱文杰，男，(1984-)，工程師，主要從事高速動(dòng)車組電氣系統(tǒng)調(diào)試及動(dòng)車組故障檢測技術(shù)方向的研究。

許哲雄(1956-)，男，副教授，主要從事故障檢測技術(shù)與電力電子技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)01-0044-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.013

TP3

A