CRH380B（L）型動車組主斷路器故障分析

劉振宇 中國鐵路上海局集團有限公司南京動車段

隨著CRH380B（L）型動車組運用年限的增長，各類故障不斷涌現。主斷路器作為動車組高壓回路的開關，直接影響著動車組的牽引功能以及輔助用電設備。本文針對兩起重聯動車組過分相后，后聯車組主斷未自動閉合的故障，對主斷路器設備的結構進行分析，對故障的原理進行歸納，旨在降低行車設備故障的影響程度和復現率。

1 主斷路器作用概述

CRH380B（L）型動車組主斷路器（Main Circuit Breaker）是一種單斷口真空斷路器。動車組運用過程中由受電弓從接觸網受流，經由變壓器、變流器等高壓部件，輸出2 700 V交流電驅動三項異步電機轉動。正常工況下，接觸網電壓為25 kV，帶載分斷情況下將會擊穿空氣產生拉弧，電弧高溫可能使部件融化或碎裂。動車組高壓部件示意圖見圖1。

圖1 動車組高壓部件示意圖

目前常用的滅弧方式主要有：（1）介質滅弧，一種是利用六氟化硫(SF6)氣體電負性強的特征，迅速吸附電子而形成穩定的負離子，有利于復合去游離；一種是利用真空(壓強在0.013Pa以下)滅弧，因真空中的中性質點很少，不易于發生碰撞游離，同時真空有利于擴散去游離。本文探討的動車組主斷路器就采用真空滅弧的方式。（2）吹弧滅弧，利用氣體或油吹動電弧，使弧隙帶電質點擴散和冷卻復合。吹弧方式主要有縱吹與橫吹兩種。縱吹是吹動方向與電弧平行，它促使電弧變細；橫吹是吹動方向與電弧垂直，它把電弧拉長并切斷。（3）狹縫滅弧，使電弧在固體介質的狹縫中運動，一方面冷卻電弧，加強了去游離作用；另一方面電弧被拉長，弧徑被壓小，弧電阻增大，促使電弧熄滅。

當動車組需要帶載通斷時，使用主斷路器將用電設備安全地接入和斷開。如圖1所示，主斷路器安裝在受電弓下方，經由電流互感器后接入本牽引單元的變壓器，同時可通過電纜與隔離開關接入另一單元的變壓器，從而給車輛其他用電設備供電。

2 主斷路器結構介紹

主斷路器的動作主要是通過控制信號驅動電磁閥，控制壓縮空氣通路，由壓縮空氣驅動接觸器打開或閉合。

2.1 機械結構

主斷路器主要包括負責高壓回路通斷的真空電弧放電室、彈簧式壓縮空氣作動器以及通過弱電控制的EV 電磁閥、保持線圈。如圖2所示，主觸點位于真空電弧放電室中，彈簧式壓縮空氣作動器中的活塞桿通過連桿臂以轉軸方式連接主觸點。驅動活塞桿動作的壓縮空氣由總風管供風，在列車啟動階段，使用輔助壓縮機供風。

圖2 主斷路器機械結構

（1）主斷路器閉合過程

當動車組的高壓回路需要閉合時，保持線圈得電、EV 電磁閥得電，壓力缸中的活塞在電磁作用下克服彈簧的力向下運動，氣缸中的壓縮空氣經由壓力缸到達作動器，推動作動器活塞克服重力及彈簧的力向上移動。活塞到達沖程終點后，被保持線圈在電磁力的作用下吸持，主觸點保持閉合狀態。此時EV 電磁閥失電，壓力缸中活塞在彈簧作用下向上移動復位，電磁閥截斷氣缸輸出的壓縮空氣，作動器通過電磁閥下方排氣孔與大氣相連，實現泄壓。

（2）主斷路器斷開過程

當動車組需要斷開高壓回路時，作動器中保持線圈失電，此時活塞下方壓縮空氣已經排出，在重力和彈簧作用下，活塞桿向下移動。真空電弧放電室中主觸點分離，安全斷開高壓回路。

2.2 電氣控制

（1）主斷路器閉合過程

空開=21-F11閉合狀態下，已經完成升弓操作，此時=21-K61 得電吸合。操作=21-S03（主斷開關）置于ON 位，=21-K77得電，輔助觸點13、14閉合，反饋到CCU中。

圖3 開關反饋電路圖

如圖3所示，反饋信號從E003_07輸入到CCU1和CCU2。本單元CCU、TCU 判斷設備狀態正常后，使=21-K17、=21-K18 得電，并給另一單元的=21-K28、=21-K27 供電；本單元=10-T10 判斷設備正常后使=21-K35 得電，并給另一單元的=21-K25供電。

圖4 主斷路器控制電路圖

如圖4所示，此時=21-K17、=21-K18、=21-K27、=21-K28得電，激活=10-Q01 的主斷保持；SKS 使能，=21-K25、=21-K35 得電，激活=10-Q01 的主斷動作。實現主斷路器高壓觸電的接通并保持。

（2）主斷路器斷開流程

司機可以在任何一端斷開主斷路器，在司機室操縱臺上操作斷開，=21-K76 得電，反饋信號從E003_08 輸入到CCU1和CCU2。CCU 取消主斷路器使能，使吸持線圈失電，主斷路器斷開。同時，導致主斷路器斷開的因素還包括：接觸網監測（線電流、線電壓）、主變壓器監測、CCU 內部監測、TCU 內部監測等。

3 主斷路器故障分析

以兩起重聯動車組過分相后主斷路器未自動閉合的故障為例，結合分相區信號、CCU 和TCU 激活信號等因素，對故障成因進行分析。

3.1 分相區概述

分相區（Dead Zone）是電氣化鐵路的無電區間，可以將不同變電所供出的不同相位的電，通過兩個分相開關進行隔離，以防止異相電短路并造成熔斷接觸網。我國電氣化鐵路使用單相工頻交流供電方式，牽引變電所將電力系統通過高壓輸電線送來的電能加以降壓和變流后輸送給接觸網，以供給沿線路行駛的動車組。由于使用的是單相工頻交流電，對牽引供電系統是一個單相的大功率負荷，如果僅僅從三相供電系統中的某一相取電，很容易造成各相負荷的嚴重失衡。故在牽引供電系統的設計中，每隔一定的距離都要對接觸網采用換相聯結的接線方式。為了保證穩定的受電弓與接觸網的關系，需要保持非同相供電臂的機械連接，為了防止異相短路，需要對兩個供電臂進行電氣隔離。

3.2 分相區信號異常故障案例

重聯動車組以速度66 km/h 進入分相區，出分相區后前聯主斷路器自動閉合，后聯未自動閉合。手動操作司機室操縱臺上開關后，后聯主斷路器正常閉合。該重聯動車組前后聯過分相時，各信號情況如圖5、6所示。

圖5 前聯過分相CCU、TCU信號

圖6 后聯過分相CCU、TCU信號

通過分析重聯動車組兩車MVB數據進行分析，結合具體時間點可以發現，在接收到分相區信號后，前后聯主斷路器斷開，動車組開始惰行通過分相區。在接收到分相區結束信號時，前聯檢測到網壓已經從波谷上升至25 kV 以上，且CCU、TCU均給出釋放信號，前列接收到主控車發出的閉合主斷信號后主斷路器自動閉合。此時后聯剛進入無電區，因網壓驟降TCU 釋放信號從1 變為0，未能正常釋放，主斷路器自動閉合失敗。

在動車組高壓回路中，=10-T03 線電流變壓器用來檢測接觸網電流，檢測到的信號經由耦合變壓器傳輸給本單元的CCU1 和CCU2；=10-T02 線電壓變壓器用來檢測接觸網上電壓，檢測到的信號傳輸給本車全列TCU。

圖7 重聯動車組正常過分相信號

當動車組檢測到網壓大于12.5 kV 并持續2 s，同時滿足運行速度或行駛里程要求后會給出主斷路器閉合信號。如圖7 所示為正常區段分相區電壓變化情況，可以發現前聯與后聯在經過無電區，即檢測到網壓下降時，分相區信號均出于1的位置，而本案例中分相區信號提前給出，從而讓前聯動車組誤判為全列出分相區。

3.3 TCU信號故障案例

重聯動車組過分相后前聯動車組主斷路器未自動閉合，并報出故障代碼：6304（10-Q01：VCB失效），后聯動車組主斷路器閉合正常。重新手動操作司機室操縱臺上主斷路器開關后，前聯主斷閉合正常。前聯動車組過分相時，各信號情況如圖8所示。

圖8 過分相TCU信號

在接收到過分相信號后，動車組會根據距離提前斷開主斷路器。為了保證車上輔助用電設備正常，動車組開始進行電制動，車下電動機轉變為發電機，將列車動能轉換為電能，通過牽引變流器的中間直流環節向輔助變流器供電，電壓將持續降低。出于安全性考慮，當牽引變流器接入主變壓器二次側時，會先通過K4 串聯電抗的方式向中間直流環節充電，當充到95%時閉合Q1 直接連接，從而避免兩端電壓差過大損壞設備。在過分相過程中，牽引變壓器中間直流環節電壓降低到95%以下時，為了避免過分相結束主斷路器閉合會損壞設備，此時將會斷開Q1，閉合主斷路器后重復充電過程。

通過MVB數據分析可以發現，在主斷路器閉合指令給出時，牽引變流器的Q1恰好在動作，此時出于安全性考慮，TCU未給出釋放信號，導致主斷路器不能正常閉合。

4 結束語

本文通過探討主斷路器機械結構和電器控制原理，針對分相區網壓異常和Q1 動作導致TCU 釋放信號未給出兩種故障類型，分析進出分相區時CCU、TCU 信號條件和輔助用電設備供電等問題，總結主斷路器出分相區不閉合的原因，為應急處置和故障排查提供一種思路。