CRH380B(L)型動車組牽引變流器Q1斷路器燒損故障原因分析及對策措施

徐驕陽 繆建國 孫 雄 中國鐵路上海局集團有限公司上海動車段

1 故障背景

2018年7月24日，中國鐵路上海局集團有限公司南京段徐州東動車所05供電單元（24道～32道）接觸網發生跳閘停電，檢修庫D31道2列位接觸網斷線。經現場檢查發現停放于D31道的CRH380B-3728動車組02車受電弓碳滑板存在拉弧現象，03車牽引變流器Q1斷路器熱熔燒損。查看動車組HMI屏故障界面報03車線路斷路器Q1:由于狀態異常，測試運行（代碼24B4），01車報CCU1：VCB斷開后檢測到連續的諧波電流（代碼632D），CCU2：VCB斷開后檢測到連續的諧波電流（6341）等故障。經調查分析此次事故主要是由于CRH380B-3728動車組03車牽引變流器Q1斷路器內部故障引起的，同時由于列車TCU控制邏輯上的缺陷導致了故障影響的進一步擴大。

2 Q1斷路器工作原理及相關診斷代碼簡介

2.1 控制原理

Q1斷路器是牽引變流器的輸入斷路器，一端連接主變壓器次邊繞組，一端連接牽引變流器整流模塊。動車組在初送電時，當第一次操作閉合主斷路器后，牽引變流器內部預充電接觸器K4接通，通過預充電電阻給中間直流電路預充電，同時牽引變流器進行自檢（3 kV測試），此時主斷路器自動斷開，預充電接觸器K4隨之斷開。當第二次操作閉合主斷路器后，K4接觸器再次接通預充電電阻給中間直流電路進行預充電（此時牽引變流器不再進行自檢測試），當中間直流電路電壓達到額定電壓的95%時，Q1斷路器內部驅動電機動作，使其主觸點閉合，同時預充電接觸器K4斷開，牽引變流器開始工作。

牽引變流器輸入端主電路如圖1所示。

圖1 牽引變流器輸入端主電路示意圖

2.2 Q1斷路器工作原理

Q1斷路器實物如圖2所示，內部電氣圖如圖3所示，外部接口pin1、2、3用于控制接觸器斷開和閉合，設有2對主觸點L1T1和L2T2，用于4QC輸入電流控制，并設有輔助觸點用于反饋Q1斷路器的相關工作狀態。

圖2 Q1斷路器外觀圖

圖3 Q1斷路器內部電氣圖

2.2.1 Q1斷路器閉合過程分析

Q1斷路器斷開狀態的電路原理如圖4所示。Q1斷路器主觸點斷開時，需要在pin1施加正電壓，pin2施加負電壓，pin3不施加電壓。此時由于繼電器線圈沒有施加電源，因此不會動作。pin1端正電壓將通過繼電器觸點22-21、Q1接觸器的輔助觸點 19-16施加到電機A端，電機B端通過繼電器觸點31-32回到pin2端負電壓，使得電機正向旋轉，主觸點閉合。

當出現以下兩種情況時，Q1接觸器將動作異常：

（1）若上一個斷開動作結束時輔助觸點14-15和16-19未正常動作，Q1斷路器接收下一個閉合指令時輔助觸點16-19作為電路通路本應閉合但未閉合，則Q1接觸器無法閉合。

（2）若Q1斷路器能夠正常閉合，而在閉合動作結束時輔助觸點14-15和16-19未正常動作，則輔助觸點14-15仍處于斷開狀態，系統因檢測到輔助觸點14-15的閉合反饋為0而認為Q1接觸器未閉合。

圖4 Q1接觸器由斷開到閉合的控制電流走向圖

2.2.2 Q1斷路器打開過程分析

Q1斷路器閉合狀態下的電路原理如圖5所示。Q1斷路器主觸點閉合時，需要在pin1和pin3施加正電壓，pin2施加負電壓。繼電器線圈得電后動作，繼電器觸點13-14閉合、21-22斷開、43-44閉合、31-32斷開。此時pin1的正電壓施加在電機B端，pin2負電壓施加在電機A端，使得電機反向旋轉，主觸點斷開，同時輔助觸點pin12-13閉合、pin14-15斷開、17-18斷開、16-19閉合。由于輔助觸點pin17-18斷開，電機B端的正電壓被切斷，電機停止旋轉，此時主觸點完全斷開。

圖5 Q1斷路器由閉合到斷開的電流走向圖

2.3 Q1斷路器診斷代碼邏輯

（1）診斷代碼24B2：當Q1斷路器應當閉合而收到反饋信號未閉合，或Q1斷路器應當斷開而收到反饋信號未斷，上述狀態持續0.5 s報24B2。

（2）診斷代碼24B3：當30 min之內發生了3次24B2，報24B3。

（3）診斷代碼24B4：當報出24B2觸發Q1自動檢測，測試過程時間共為43 s，其中，先閉合Q1斷路器20 s，再斷開Q1斷路器20 s，最后延遲3 s確認。當Q1測試完成，測試結果不正常時，產生診斷代碼24B5，同時鎖閉故障單元的牽引變壓器;當Q1測試結果正常時，診斷代碼24B4復位。

（4）診斷代碼24B5：當 TCU啟動1 min內發生24B2，或24B4自檢后Q1故障未消除，報24B5封鎖牽引變壓器。

3 故障原因分析及存在問題

3.1 車載數據分析

通過對CRH380B-3728動車組故障時間段內的CCU、TCU車載數據以及相關MVB解析數據進行下載整理后，分析如下：

根據表 1整理的 CCU、TCU數 據 可知，21:26:12，CRH380B-3728動車組03車報線路斷路器Q1:由于狀態異常，測試運行（代碼 24B4）；21:26:31，01車報 CCU1：VCB 斷開后檢測到連續的諧波電流（代碼632D），CCU2：VCB斷開后檢測到連續的諧波電流（6341）；21:26:32，02 車報 10-T01:變壓器鎖閉，無法重啟（631F）等故障。

表1 CRH380B-3728動車組故障數據整理

（1）MVB解析數據對Q1斷路器等設備動作時序（見圖6）的整理分析

圖6 MVB解析的各主要設備動作時序

根據數據可知21:26:01，首次操作主斷路器閉合；21:26:10，03車牽引變流器運行3 kV測試從而斷開主斷路器；21:26:14，03車Q1斷路器測試運行至閉合階段（此過程正常應持續20 s）；21:26:20，由于主斷路器斷開10 s后TCU控制將03車Q1斷路器斷開；21:26:31，再次操作主斷路器閉合，與此同時03車Q1斷路器再次閉合(但是牽引變流器此時未進行中間直流電路的預充電)；21:26:32，主斷路器由于過流斷開。

（2）故障原因分析

此次故障的根本原因是CRH380B-3728動車組03車牽引變流器Q1斷路器輔助觸點信號反饋異常，從而觸發了自檢測試，由于測試過程中主斷意外閉合，此時牽引變流器Q1斷路器在未預充電情況下閉合產生過電流導致主斷斷開，主斷在分段時發生擊穿短路造成分斷失敗，并觸發受電弓降弓保護。最終由于帶載降弓導致受電弓與接觸網間產生嚴重拉弧燒斷接觸網。

3.2 存在的問題

現有TCU邏輯中，在牽引變流器Q1斷路器閉合后持續43 s測試期間，因主斷路器斷開10 s后會發出Q1斷路器斷開指令(斷開優先)，從而中斷Q1斷路器的閉合測試，Q1斷路器斷開后導致主斷路器再次釋放(HMI屏顯示主斷路器釋放圖標變藍，允許閉合主斷路器)，若此時閉合主斷路器，變流器未通過內部預充電接觸器K4接通來進行預充電，將會導致Q1斷路器觸點間產生較大電位差，并形成較大的涌入電流。

通過對故障情況及現有TCU相關控制邏輯的結合分析，可發現TCU對Q1斷路器的控制保護邏輯上存在缺陷，Q1斷路器在運行故障測試（報出代碼：24B4）時，TCU控制上并沒有對主斷路器閉合指令進行封鎖，此時如果操作主斷路器閉合，則因變流器內部預充電環節未完成而存在變壓器次邊過流的風險，極端情況下將導致Q1斷路器帶載合斷、主斷路器絕緣擊穿等嚴重安全隱患。

4 應急措施及整治方案

鑒于CRH380B(L)型動車組在牽引變流器Q1斷路器控制保護邏輯存在缺陷，存在較大安全風險，故研究并制定動車組運行途中及庫內檢修的相關處置措施尤為迫切。除此之外，也須從產品源頭質量上研究提高Q1斷路器的可靠性，徹底消除故障隱患。

4.1 途中故障應急處置措施

CRH380B（L）型動車組運行途中發生牽引變流器Q1斷路器故障（24B2、24B3、24B4），動車組牽引丟失，主斷路器斷開時，應先切除牽引變流器后再閉合主斷路器，并維持運行。若切除故障牽引變流器后，主斷路器仍然不能閉合，應對故障牽引單元進行隔離操作后再閉合主斷路器，并維持運行。

CRH380B（L）型動車組運行途中發生牽引變流器Q1斷路器故障（24B5），動車組牽引丟失，主斷路器斷開時，則將牽引手柄置“0”位后在“牽引”頁面中將故障牽引單元的受電弓、車頂隔離開關、主斷路器、牽引變流器切除，隨后閉合主斷路器并維持運行。

4.2 庫內檢修故障處置措施

若在動車組庫內檢修中發生此類故障，檢修人員嚴禁直接操作閉合主斷，應及時聯系技術人員進行故障檢查和確認，在控制軟件未優化及故障原因沒有明確前，由技術人員對牽引變流器預充電進行檢查和測試，具體操作要求如下：

（1）車組升弓，但要求主斷路器斷開，保證牽引變流器處于激活的狀態。

（2）使用Monitor軟件將TCU改為監控模式Hardware-Reset-Monitor，如果出現 Reset online notpossible，則在 User菜單內選擇DClink，對牽引變流器中間電路進行放電。

（3）在 User菜單內選擇 INIPPOF，在 User菜單內選擇Proofoffline 選擇 1：switch element testing。

（4）選擇1，進行Q1進行測試。選擇y：打開Q1，系統對Q1的動作時間進行測試（延時小于4 000 ms，無不合理的信息或故障代碼）。

（5）選擇n：關閉Q1，系統對Q1的動作時間進行測試（延時小于4 000 ms，無不合理的信息或故障代碼）。

（6）后續再陸續選擇2：預充電接觸器K4測試和選擇3：對K11進行測試（無不合理的信息或故障代碼）。

4.3 制定臨時Buffer優化方案

針對Q1斷路器測試過程中存在的軟件邏輯缺陷，臨時制定了上載TCU Buffer的優化方案，延長24B4代碼觸發的主斷分段脈沖時間，分主斷脈沖由500 ms延時到42 s，使Q1斷路器在測試過程中主斷路器無法閉合。目前已完成了對CRH380B（L）型動車組TCU Buffer的上載工作，暫未再發生硬件燒損的問題。

4.4 源頭整治方案

（1）硬件整治方案：考慮到目前所使用的輔助觸點(沙爾特寶SJ11型)，其防護等級為IP40，當灰塵聚集且空氣溫濕度變化，長時間運用后易導致接觸點表面產生氧化性接觸不良。經過篩選和評估，后續計劃結合五級修更換為防護等級更高（IP67）的PBX型號輔助觸點。

（2）軟件整治方案：優化Q1斷路器測試控制邏輯，在Q1進行測試期間將封鎖主斷路器，能夠有效的防止上述可能的發生，目前軟件已編制完成，將隨CRH3型動車組各車型列車軟件升級時進行優化。

5 結束語

CRH380B（L）型動車組牽引變流器Q1斷路器檢測到狀態異常時會觸發自檢程序，因Q1自檢程序存在缺陷，自檢過程中主斷有閉合的可能，存在牽引變壓器次邊過流、Q1斷路器燒損的風險。本文通過對牽引變流器Q1斷路器的工作原理及故障診斷邏輯進行了深入分析，并結合動車組車載數據分析還原了故障發生的過程，剖析了故障原因，有針對性地出了動車組運行途中及庫內檢修中的相關應急處置措施及優化方案，可大幅降低Q1接觸器燒損的風險，消除故障影響。