高速動車組電制動失效分析及改進措施

李富平 高盤龍

(1.中車長春軌道客車股份有限公司鐵路客車業務部，130062，長春;2.新疆鐵道職業技術學院信息管理工程學院,830011,烏魯木齊//工程師)

高速動車組的電制動系統通常在接觸網網壓29 kV以下、列車速度10～200 km/h的工況下工作。在電分相區段，高速動車組依靠制動電阻器消耗牽引電機產生的能量進行電制動(只有在速度高于35 km/h且需要電制動時可用，一旦激活可以在10 km/h時應用)。電阻制動器每列車安裝5個，分別安裝在 1號、2號、4號、7號、8號車的車頂上。電制動能夠有效降低高速動車組的空氣制動閘片磨耗量，并延長閘片的使用壽命。經現場測量發現，電制動失效時，高速動車組動軸制動閘片最高溫度超過600 ℃，而長時間的高溫環境容易造成車下相關設備的損壞。

本文通過對鐵路蘭新線高速動車組電制動失效的分析，確定故障原因，制定有效的改進措施以降低電制動失效對車輛產生的影響。

1 網壓采集原理

1.1 網壓/網流檢測裝置

高速動車組通過集成儀表箱或集成檢測裝置采集接觸網網壓和網流，即通過電路將網壓轉換為7路模擬信號輸出至5輛動車牽引控制單元(TCU)和本地牽引控制模塊(CLT)，將網流轉換為2路模擬信號輸出至CLT。

1.2 網壓信號采集

TCU采集3號或6號車網壓/網流檢測裝置發送的網壓信號(見圖1)，用于TCU內部邏輯運算[1]。

圖1 TCU采集網壓信號原理

CLT采集3號或6號車網壓/網流檢測裝置發送的網壓和網流信號(見圖2)[2]，用于列車網絡控制系統(TCMS)內部邏輯運算。由于TCMS采集網壓信號時經過多次數據轉換，故通過TCMS監控到的網壓值與CLT設備和TCU監控的網壓值存在一定誤差。

圖2 TCMS采集網壓信號原理

2 電制動失效條件

高速動車組電制動失效的條件如下：①當動車

組在制動狀態時逆變器關閉；②當動車組在電制動狀態下，輸出功率小于預設電制動功率的50%時，延時3 s電制動失效；③制動變阻器的溫度超過600 ℃；④互鎖閥故障；⑤牽引輔助變流器冷卻液超過70 ℃。

根據時速250 km動車組技術條件和設計要求[3]：高速動車組在TCU軟件中設定了接觸網網壓與輸出功率的關系曲線，網壓在29.0～31.5 kV間輸出功率線性下降至零，此時動車組逆變器停止工作，牽引電機不再輸出功率。同時，根據電制動故障條件，當動車組在電制動狀態，輸出功率小于預設電制動功率50%時[1]，延時3 s電制動失效，如圖3所示。

圖3 電制動失效原理

3 電制動失效故障典型案例分析

3.1 故障現車排查

2015年5月25日，蘭新線動車組在運行時發生電制動丟失情況。維保人員隨后對蘭州西—嘉峪關南區間承擔D2741、D2742次列車交路的動車組進行了全面監控檢查，具體檢查結果如下：

(1) 下載TCU數據，分析變流器在電制動失效時段的故障數據，結果未發現任何故障數據記錄，僅有狀態數據記錄(如接觸網網壓大于29 kV的記錄)。

(2) 檢查電制動切除按鈕線路供電狀態及相關控制板卡，結果未發現異常。

(3) 檢查故障車輛的互鎖閥，發現互鎖閥均能正常動作。

(4) 檢查故障車輛TCU數據記錄中的冷卻液溫度，結果均在正常范圍內(低于70 ℃)。

(5) 檢查制動變阻器的外觀狀態，結果未發現異常情況。

3.2 動車組數據分析

中央控制單元(MPU)數據如圖4所示，TCU數據如圖5所示。數據顯示TCU采集的接觸網網壓為29.08 kV。

圖4 MPU故障數據顯示界面

通過對故障動車組的TCMS數據及TCU數據進行分析，發現故障發生時，TCMS數據記錄為“TCU檢測到電制動故障”，在電制動失效區段，TCU記錄的接觸網網壓超過29 kV。

3.3 蘭新線網壓調查

對觀花臺牽引變電所27.5 kV母線電壓情況進行檢測，結果發現T線接觸網電壓為28.8 kV；同時對觀花臺牽引變電所330 kV電壓進行檢測，結果發系統A、B、C電壓分別為364.5 kV、365.3 kV、364.9 kV。

圖5 TCU數據顯示界面

通過蘭州—嘉峪關南區間接觸網網壓監控波形(見圖6)可以看出：09:35:57—09:42:50時間段網壓持續大于29 kV，持續時間近7 min；09:43:51—09:53:55時間段網壓持續大于29 kV，持續時間10 min；10:00:34—10:08:34時間段網壓持續大于29 kV，持續時間8 min。

圖6 高速動車組蘭州—嘉峪關南區段供電網壓監控記錄

根據接觸網網壓調查可知，蘭新線蘭州西—嘉峪關南區間部分區段接觸網網壓大于29 kV，且持續時間大于5 min。

4 網壓超限對動車組的影響

4.1 牽引工況下的影響

牽引工況下，接觸網網壓超限對動車組的影響主要表現在：

(1) 網壓在22.5～29.0 kV間牽引功率保持在額定功率范圍內；

(2) 網壓在22.5～19.0 kV間牽引功率線性下降至額定功率的 84%；

(3) 網壓在19.0～17.5 kV間牽引功率線性下降至零，輔助設備應正常工作；

(4) 網壓在29.0～31.0 kV間牽引功率線性下降至零，輔助設備應正常工作。

TCU監控顯示，當網壓超過29 kV時，列車處于減功率運行(正常牽引功率為550 kW)狀態，牽引力減小，如圖7所示。

圖7 網壓超限時的列車減功率運行監控界面

4.2 制動工況下的影響

MPU監控顯示，當接觸網網壓超過29 kV，且牽引制動手柄處于制動位時，為防止電制動進一步提升網壓，此時禁止電制動施加，而采用空氣制動進行補償，但這會導致制動盤溫度過高(見圖8)。

5 改進措施

為解決蘭新線高速動車組經常出現由于網壓偏高導致電制動失效問題，使高速動車組更好地適應蘭新線網壓高和長大坡道多狀況，通過長期試驗后，提出了以下網壓適應性參數調整優化方案：將TCU中網壓限制電制動力閾值配置參數提高，由29 kV提升至30.5 kV。參數調整可有效改善電制動丟失導致的制動摩擦副過度磨耗問題。

通過牽引制動工況下牽引力和電制動力限制的測試，可以確認參數調整后，網壓對牽引力限制仍為31 kV，對電制動力限制變為30.5 kV。軟件修改可以提高網壓對電制動力輸出的限制判定閾值，且對其他無影響。

6 結語

當接觸網網壓大于29 kV且持續時間大于5 min，TCU檢測到接觸網網壓為29.0～31.5 kV，牽引電機輸出功率線性下降至零。根據電制動故障條件，車組在電制動狀態下，輸出功率小于預設電制動功率50%時，延時3 s電制動失效。由于恒速功能通過電制動調節，故當電制動失效時動車組的恒速功能同樣失效。

圖8 網壓超限時禁止施加電制動的監控界面

根據電制動失效的運行情況分析，采用調整網壓限制電制動力閾值的配置參數，能夠有效保證電制動力的正常使用，降低制動摩擦副過度磨耗問題，保證高速動車組的運行可靠度，在安全可靠的前提下拓寬網壓的有效應用范圍。