動車組故障檢測研究

邱文杰，魯青君，許哲雄

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

動車組故障檢測研究

邱文杰1，魯青君1，許哲雄2

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

為了保障動車組的安全運行，需要在動車組運行時進行實時在線故障檢測，以便及時、準確地測量出動車組邏輯控制電路的各種故障，特別是隨機、瞬時出現的故障;論文特別針對動車組可能發生的隨機性、瞬時性故障，研究了該類故障檢測的特點以及捕捉快速脈沖信號的方法，設計了應用于單片計算機模數轉換電路前端的高速信號采樣保持電路，研制了專用的動車組隨車故障檢測裝置;在現場測試過程中，將動車組隨車故障檢測裝置與多通道示波記錄儀配合使用，對動車組的邏輯控制電路關鍵節點的控制信號進行了現場隨車實時測試，并對現場隨車測試結果進行了分析研究;論文的現場實驗為建立高速動車組邏輯控制電路的抗電磁干擾技術標準、改善高速動車組的電磁環境做了初步的探索并提供了有益的參考。

動車組; 檢修維護; 實時檢測

0 引言

在動車組運行時，動車組的邏輯控制電路發生的故障可以分為兩種類型：一種是較長時間穩定的故障，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、瞬時出現的故障，如：繼電器觸點接觸不良、長期震動使連接導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電勢的瞬時干擾信號造成的誤動作等。對于第一類故障，目前已經有了比較成熟的檢測方法與檢測設備。但是對于第二種隨機、瞬時出現的故障，由于故障具有隨機性、突發性和瞬時性，并且在故障事后很難在檢修庫中再重現該類故障，因此，查找該類故障點的難度很大。

采用計算機實時在線故障檢測技術，可以在動車組運行時記錄動車組邏輯控制系統中出現的故障信號以及故障發生的時間。當檢測到故障信號后，檢測裝置立即給出聲光報警信號并通過串行通訊將所采集的數據發送到筆記本電腦，從而可以為查找故障位置、及時排除故障提供檢修參考依據，提高了處理故障的及時性和準確性[1]。

1 檢測原理

計算機實時在線故障檢測的原理是：針對動車組邏輯控制電路的電氣拓撲結構建立數學模型。然后，根據數學模型的控制原理，在邏輯控制電路的關鍵節點實時采集控制信號，并對所采集的控制信號進行A/D轉換、數據處理后，運用單片機的布爾運算器完成動車組牽引、制動控制邏輯運算，實現在線檢測、故障判斷功能并輸出故障報警信號。

同時，可以通過串行通訊將所采集的數據發送到筆記本電腦，以便保存數據、進一步實現故障查找、故障診斷等功能。

在實時采集的控制信號中，存在感應電勢造成的瞬時干擾信號。圖1所示為CRH380A動車組低壓電器柜中8號線和107號線上所測到的干擾信號實際波形。從圖1中“A”、“B”兩點可以觀察到幅值為-230伏左右的尖脈沖。此類以尖脈沖形式的瞬時干擾信號幅值可達數百伏，脈沖時間為數十微秒到數毫秒之間。同時，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鍵的控制信號線上，例如緊急制動控制信號152B線，就可能觸發全車緊急制動，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

由于瞬時干擾信號幅值高、持續時間短，故必須在單片計算機A/D轉換電路的前端設置高速信號采樣保持電路(S/H電路)，以便能捕捉到瞬時干擾信號并保持信號有足夠的時間使單片機的A/D轉換電路能完成轉換并保證足夠的轉換精度[2]。所以我們在計算機實時在線故障檢測裝置中設計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鍵元件，為了縮短采樣保持電路的捕捉時間、提高采樣保持電路的精度，我們選用了滯后系數、溫度系數均較小的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的接入使得當輸入信號回落時A1的輸出電壓被鉗位在Vin-VD1這一較低的數值上，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的放電復位回路，在開始采樣前，T1的控制信號Vc觸發導通T1，使采樣電容C放電復位。

動車組隨車故障檢測裝置的結構原理圖如圖4所示。

圖4 動車組隨車故障檢測裝置的結構原理圖

圖4中，動車組隨車故障檢測裝置以高性能嵌入式單片機(AT89S52)為控制核心，包括輸入信號峰值采樣電路、A/D轉換電路、數據顯示電路、聲光報警電路、實時時鐘電路、RS232串行通訊接口電路等各功能模塊，組成了實時數據采集與信號處理系統[4]。

隨車故障檢測裝置的數據顯示電路用于顯示實時采集的邏輯控制電路信號，便于技術人員在現場通過讀取相關信號狀態監測動車組的運行狀態。故障檢測裝置事先設定了動車組牽引、制動控制邏輯，當檢測到動車組控制電路發生邏輯故障時，通過聲光報警電路發出聲光報警信號提示現場技術人員。

同時，單片機在實時采集動車組邏輯控制電路的關鍵節點控制信號后，加入日期和實時時間，然后按32個字節打包為一幀信息存入RAM存儲器并通過RS232通訊接口輸出。該數據可以上載到筆記本電腦中以便保存數據并可應用數據分析軟件進行數據分析和故障查找。

在設計故障檢測裝置的電源電路時，考慮到在動車組車上的實際使用環境，為了使故障檢測裝置能適應各種工作場合，包括在車上以及在動調庫內調試的需要，我們設計了能適應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伏等不同工作現場所提供的電源。

2 現場測試實例

在隨車實時在線故障檢測的測試過程中，我們將新研發的動車組隨車故障檢測裝置與多通道示波記錄儀配合使用，同時測量動車組牽引制動控制回路的相關信號。由于示波記錄儀能較高精度地測量連續變化的模擬信號，而隨車故障檢測裝置能長時間監測、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鍵信號的重要信息，為故障分析提供全面的、詳細的參考數據。

現場測試的步驟與方法如下。

2.1 設置測試設備采樣率

我們首先對測試設備的采樣率進行設置：隨車故障檢測裝置的采樣率為：500微秒/CH，以數據表格的形式記錄各信號測試點電壓波動的電平動態變化過程。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電壓波動的模擬電壓動態變化過程。在測試中將隨車故障檢測裝置的采樣率設置較高，有利于發揮其捕捉快速變化的干擾脈沖信號的優點。而對于多通道示波記錄儀，由于其內存容量的限制，不易采用過高的采樣率，否則其記錄的信號時長將大大縮短。在實驗中，我們將多通道示波記錄儀的采樣率設置為100 kHz/CH，兼顧了測量精度和測量時長的需求。

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，在同一個信號點用兩種測試設備各自獨立采集、記錄信號。然后，針對發生瞬時故障信號的記錄，進行逐點對照分析。

2.3 信號測試結果

在現場測試中發現：當動車組閉合或斷開主斷路器時，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據表格中，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，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“2”處的[200.0 ms/div]時標可以測算出干擾信號為持續時間約為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據中，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，動車組隨車故障檢測裝置記錄的數據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，即從 313 ms 開始到 334 ms 結束，存在一個持續約 20 ms 的干擾信號，具體數據見圖6中標示圈中所示。

圖6 隨車故障檢測裝置記錄的數據表格

3 現場測試結果的初步分析與結論

3.1 閉合主斷路器和斷開主斷路器時的干擾信號

當動車組閉合主斷路器時，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%，在數據表格中記錄的干擾電平信號的持續時間與在波形圖中所記錄的干擾信號的持續時間均為20毫秒。

當動車組斷開主斷路器時，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到了控制電壓的150%～200%，而干擾信號的持續時間大于200毫秒。

對比閉合主斷路器時和斷開主斷路器時所觀察到的干擾信號，顯然在斷開主斷路器時的干擾信號大得多。這是由于在閉合主斷路器時，干擾源主要由于25 kV高壓對車內主斷路器后端設備的分布電容充電所產生。而斷開主斷路器時，干擾源主要由于切除25 kV高壓時車內所有分布電感的感應電壓(L*di/dt，L為總分布電感，di/dt為切除25 kV高壓時的電流變化率)所產生。后者(分布電感的感應電壓)往往遠大于前者(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的影響

增加高壓線纜的長度，會增加高壓回路的電感。當閉合主斷路器時，高壓回路的電感增加，有利于減少25 kV高壓對車內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的干擾。

但是，高壓回路的電感增加后，將使斷開主斷路器時產生的感應電壓增加，從而增加了斷開主斷路器時的干擾。

考慮到斷開主斷路器時的干擾(控制電壓的150%～200%)大于閉合主斷路器時的干擾(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 動車組升弓和降弓時的干擾信號

動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%，在數據表格中記錄的干擾電平信號的持續時間與在波形圖中所記錄的干擾信號的持續時間均約為1秒。當動車組降弓時，干擾信號的幅值更是達到了 398 V，持續時間則大于1秒。分析認為這是由于在動車組降弓時受電弓與接觸網的持續拉弧時間較長所致。考慮在降弓時，動車組主電路已經斷電，所以即使干擾信號大，也不至于造成重大后果。但是，安裝在動車組上的以100伏控制電源工作的輔助設備，應該能承受動車組降弓時干擾信號的強度。在制定高速動車組輔助設備抗電磁干擾技術標準時應該考慮到這一因素。

3.4 高壓線纜的長度對升弓和降弓時的影響

現場測試表明，高壓線纜的長度影響了高壓回路的分布電感，對動車組的電磁環境影響較大。對比升、降弓時的測試數據和閉合、斷開主斷路器時的測試數據，建議不要盲目地增加高壓線纜的長度，而應該針對不同長度的高壓線纜進行更多的試驗以獲得最佳的高壓線纜配置參數。

4 結束語

我們采用兩種新型測試設備配合使用的方法，對CRH2高速動車組的瞬時干擾信號進行了現場隨車實時測試，取得了第一手的現場數據并通過分析研究得出了初步的結論。本研究的方法和結論，為建立高速動車組邏輯控制電路的抗電磁干擾技術標準、改善高速動車組的電磁環境做了初步的探索并提供了有益的參考。

[1] 劉 泰,許哲雄.機車運行數據記錄系統的開發[J].機車電傳動,2008(5):64-66.

[2] 李 華.MCS-51系列單片機實用接口技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004.

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

[4] 何立民.單片機應用技術選編[M].北京:北京航空航天大學出版社，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，主要從事高速動車組電氣系統調試及動車組故障檢測技術方向的研究。

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

1671-4598(2017)01-0044-03

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

TP3

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