CRH6F動車組高壓保護裝置保險熔斷故障研究與優(yōu)化

文/中國鐵路廣州局集團有限公司動車組運用檢修技術(shù)中心 余飛 甘偉新 唐輝

中車青島四方機車車輛股份有限公司技術(shù)中心 劉力豪

1.問題的提出

截至目前，CRH6F型動車組共發(fā)生4起因高壓保護裝置保險絲熔斷導(dǎo)致的網(wǎng)壓中斷故障，均發(fā)生在石長線過分相期間。熔斷保險絲均在CI網(wǎng)壓檢測回路，與列車號、升弓車、具體分相區(qū)無明顯關(guān)系。具體故障統(tǒng)計如下。

表1 CRH6F高壓保護裝置故障統(tǒng)計

2.高壓保護裝置原理分析

（1）高壓保護裝置結(jié)構(gòu)

CRH6F型動車組高壓保護裝置為南京志卓電子科技有限公司生產(chǎn)ZZBH-001型高壓保護裝置。

高壓保護裝置包含2組線路，每組線路中U、N線各串聯(lián)一只快速熔斷器，且U、N間并聯(lián)一只壓敏電阻，電路原理圖如下圖所示。

圖1 正常工作時電流

壓敏電阻抑制浪涌電壓的基本原理是：當(dāng)壓敏電阻兩端電壓低于其閾值時，流過它的電流相當(dāng)小，此時壓敏電阻阻值無窮大，相當(dāng)于一個處于斷開狀態(tài)的開關(guān)。當(dāng)壓敏電阻兩端電壓高于其閾值時，流過它的電流激增，此時壓敏電阻阻值無窮小，相當(dāng)于一個處于閉合狀態(tài)的開關(guān)，進而減小過電壓對后級敏感電路的影響。此時電流方向如下圖所示。

圖2 網(wǎng)壓異常時電流

此時流過保險絲的電流也會激增乃至熔斷，從而達到保護后級電路的作用。同時，也可起到保護網(wǎng)壓互感器次邊短路的作用。

圖3 壓敏電阻特性曲線

保險絲FU1-FU4，常用型號為：PV-3A10F 1000V或SWE690-3A，其特性曲線如圖1所示，當(dāng)電流越大時其熔斷時間越短。壓敏電阻型號是TVR20511，其特性曲線如圖4所示。

圖4 FU保險特性曲線

（2）網(wǎng)壓檢測原理

網(wǎng)壓互感器工作時，一次側(cè)接被測高壓電路，二次側(cè)經(jīng)高壓保護裝置接至網(wǎng)壓表及牽引變流器采集電路。如上圖所示，網(wǎng)壓互感器二次側(cè)的輸出端731Y、732Y經(jīng)高壓保護裝置的保險絲FU3和FU4接至牽引變流器采集電路并上報網(wǎng)絡(luò)，951、952經(jīng)高壓保護裝置的保險絲FU1和FU2接至司機室網(wǎng)壓表。

3.高壓保護裝置保險熔斷故障原因分析

圖5 網(wǎng)壓檢測電氣原理圖

通過故障統(tǒng)計分析，4起因高壓保護裝置保險絲熔斷導(dǎo)致網(wǎng)壓中斷故障均發(fā)生在石長線過分相期間，且熔斷保險絲均在CI網(wǎng)壓檢測回路。為進一步分析故障原因，對動車組在石長線及長株潭城際線運行時過分相期間網(wǎng)壓互感器二次側(cè)回路電壓電流情況進行測試。

（1）石長線測試

2018年5月18日上午，CRH6F-0432在石長線長沙-常德間運行。本次測試分兩種工況進行。

工況1：去除網(wǎng)壓表側(cè)壓敏電阻，在升弓車測試732Y與731Y間電壓（CH1）、952與951間電壓（CH2）、732Y電流（CH3）、731Y電流（CH4）、952電流（CH5）。

圖6 石長線工況1測試原理圖

在進入無電區(qū)時，測試數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，有無壓敏電阻時兩網(wǎng)壓互感器二次側(cè)繞組電壓趨勢均相同，峰值為420V，CI支路壓敏電阻前后電流基本相等，峰值為9A左右，網(wǎng)壓表一路電流為20mA，無明顯變化趨勢。各測點波形如下圖所示。（見圖7）

工況2：在非升弓車測量732Y與731Y間電壓（CH1）、952與951間電壓（CH2）、CI一路壓敏電阻上電流（CH3），此時網(wǎng)壓互感器二次側(cè)未帶負載。

進入無電區(qū)時，測試數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)網(wǎng)壓互感器二次側(cè)電壓波形趨勢及幅值與升弓車基本相同，壓敏電阻上電流始終無明顯波動，有效值為30mA左右。各測點波形圖如下圖所示。（見圖9）

完整過分相波形圖：以石長線第一個過分相為例，過分相完整波形如下圖所示。

從列車進入無電區(qū)到駛出無電區(qū)約4.6S，列車速度約70km/h，本無電區(qū)全長約90m。進入無電區(qū)時波形放大如下圖所示。

圖7 石長線工況1測試波形圖

圖8 石長線工況2測試原理圖

圖9 石長線工況2測試波形圖

圖10 石長線完整過分相波形圖

圖11 進入無電區(qū)時波形放大圖

T0時刻網(wǎng)壓波形開始出現(xiàn)畸變，T1時刻接觸網(wǎng)無電，從網(wǎng)壓波形畸變（T0）至進入無電區(qū)（T1）間經(jīng)過約200ms，車輛運行約4m。列車駛出無電區(qū)時波形放大如下圖所示。

圖12 列車駛出無電區(qū)時波形放大

T2時刻接觸網(wǎng)開始有電，T3時刻網(wǎng)壓波形恢復(fù)正常。T2至T3間約70ms，車輛運行約1.3m。

以下為同時期DRWTD數(shù)據(jù)。

接觸網(wǎng)無電時刻（T1）約為7:51:05:400，接觸網(wǎng)有電時刻（T2）為7:51:10：0，期間約4.6秒，與示波器波形吻合。VCB斷開時刻約7:50:53:600，相當(dāng)于在進入無電區(qū)（T1）前約12sVCB已斷開。

（2）長株潭城際測試

2018年5月19日上午，CRH6F-0433在長株潭城際線路長沙西--株洲南間運行。本次測試對相同工況進行測試。

工況1（同石長線工況1）：

圖13 列車過分相期間DRWTD數(shù)據(jù)

在進入無電區(qū)時，測試數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)壓互感器二次側(cè)電壓趨勢與石長線基本相同，但峰值為245V，比石長線峰值小180V左右；CI支路壓敏電阻前后電流基本相等，其趨勢與石長線相同，但峰值為6.3A左右，比石長線峰值小2.5A左右；網(wǎng)壓表一路電流為20mA，無明顯變化趨勢，與石長線相同。各測點波形如下圖所示。（見圖14）

工況2（同石長線工況2）：

由于交路較短，未測量到分相區(qū)波形。在正常運營時，壓敏電阻上電流同石長線，均較小，可忽略不計。

工況3：在HMI屏遠程切除非升弓車受電弓，在非升弓車測試電壓電流波形，測點同工況2。測試數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，受電弓切除后，在網(wǎng)壓互感器二次側(cè)仍能測到有效值為15V左右的正弦波，過分相時電壓波形無明顯變化；壓敏電阻上電流較小，可忽略。各測點波形如下圖所示。

圖14 長株潭城際工況1測試波形圖

圖15 長株潭城際工況3測試波形圖

（3）高壓保護裝置保險熔斷故障原因分析

根據(jù)石長線及長株潭城際線運行時過分相期間網(wǎng)壓互感器二次側(cè)回路電壓電流實車測試及前期故障統(tǒng)計分析。每次列車進入無電區(qū)時，網(wǎng)壓互感器二次側(cè)CI支路均會產(chǎn)生沖擊電流，沖擊電流產(chǎn)生的原因初步分析為接觸網(wǎng)有電到無電瞬間，支路中的電感元器件產(chǎn)生反向電動勢。此沖擊電流周期性產(chǎn)生，對保險絲的壽命造成影響，最終使保險絲熔斷。

進入無電區(qū)時，石長線因運行貨物列車，其網(wǎng)壓較長株潭城際設(shè)定值要高，長株潭網(wǎng)壓峰值及CI支路沖擊電流值均比石長線小，因此高壓保護裝置保險絲熔斷均發(fā)生在石長線交路。

4.高壓保護裝置優(yōu)化與驗證

通過線路測試及故障統(tǒng)計分析，判斷為動車組進入無電區(qū)時，從有電到無電過程中，網(wǎng)壓互感器及牽引變流器網(wǎng)壓采集電路中電感元件產(chǎn)生反向電動勢，網(wǎng)壓互感器二次側(cè)電壓波動較大，電路上存在沖擊電流，導(dǎo)致網(wǎng)壓互感器次邊電流較大，造成保險絲熔斷。

為減少CI支路網(wǎng)壓互感器二次側(cè)繞組所帶負載，從而起到減小流經(jīng)保險絲電流的目的，對網(wǎng)壓互感器二次側(cè)接線進行優(yōu)化。修改示意圖如下所示。

在5、7車LJ B1中將接到組合配電柜的731X、732X改接到731、732接線柱上，絕緣層做備用處理。接線修改如下圖所示。

（1）優(yōu)化后試驗

圖16 網(wǎng)壓互感器二次側(cè)接線修改示意圖

圖17 LJB1接線修改示意圖

由于施工時間限制，2018年7月27日僅對CRH6F-0432的07車LJB箱接線進行修改，修改后拓撲圖變化如下所示。

（2）試驗數(shù)據(jù)分析

2018年7月28日，C R H 6 F-0 43 2在石長線運行，測試CI支路、網(wǎng)壓表支路電流及網(wǎng)壓波形。

圖18 修改后拓撲圖

圖19 優(yōu)化接線后測試波形圖1

測試732 Y線、731Y線間電壓、732Y（原帶4個CI，現(xiàn)帶3個CI）線、952（原帶2個網(wǎng)壓表，現(xiàn)帶2個網(wǎng)壓表和1個CI）線上電流。

在測試過程中找到過分相電流沖擊波形最大時網(wǎng)壓及732Y線電流波形：

圖20 優(yōu)化接線后測試波形圖2

上圖中沖擊電流最大值為6.19A。優(yōu)化前732Y線上帶4個變流器時，最大沖擊電流為9A，優(yōu)化后相比減小約2.8A。

在測試過程中找到過分相電流沖擊波形最大時網(wǎng)壓及952線電流波形：

上圖中沖擊電流最大值為3.12A，優(yōu)化前952線上基本無沖擊電流，優(yōu)化后相比增大約3.1A。

5.結(jié)論

綜合優(yōu)化接線前后線路測試波形及數(shù)據(jù)，優(yōu)化接線后CI支路電流趨勢不變，但沖擊電流幅值減小約2.8A。優(yōu)化接線前網(wǎng)壓表支路基本無沖擊電流，優(yōu)化后出現(xiàn)與CI支路趨勢相似的沖擊電流。因此可以判斷網(wǎng)壓檢測回路沖擊電流的產(chǎn)生主要與牽引變流器網(wǎng)壓采集電路有關(guān)。通過優(yōu)化高壓保護裝置接線，減少CI支路網(wǎng)壓互感器二次側(cè)繞組所帶負載，可以有效減小流經(jīng)原CI支路的電流，避免高壓保護裝置保險絲因過分相沖擊電流過大而熔斷。