CR400BF 復興號動車組網側過流故障分析與系統優(yōu)化

劉金柱

（中車長春軌道客車股份有限公司， 長春 130062）

CR400BF 動車組從2017 年6 月批量投入運營以來發(fā)生了多起高壓箱設備放電導致的網側過流故障。某16 編組動車組在運行過程中HMI 報6 車高壓控制單元1 觸發(fā)線電流保護、高壓控制單元2觸發(fā)線電流保護故障。司機停車小復位后嘗試切除3 車和6 車高壓隔離開關無效，隨后升起14 車受電弓，保持一半牽引力運行，期間停車28 min。列車回庫后檢查發(fā)現3 車車頂高壓箱輸出終端線纜處異常，如圖1 所示。

圖1 高壓箱輸出終端線纜處電蝕現象

發(fā)生故障后在應急處理時，機械師以人工方式查看受電弓監(jiān)控視頻確認是哪個牽引單元發(fā)生了故障，這樣增加了機械師判斷故障位置的難度與不確定性，增加了應急處置的時間，對動車組的正常運營秩序造成了嚴重的影響。

針對CR400BF 動車組發(fā)生網側過流故障，在鐵總技術中心的牽頭下提出了相關的解決方案。文中通過對故障發(fā)生的原理以及當前故障判斷邏輯的詳細分析，指出了當前故障處理方案的不足，提出了在高壓車車頂隔離開關出口側增加CT4 電流互感器、增加高壓控制單元（簡稱“HVCU”）硬件檢測與軟件診斷、增加中央控制單元（簡稱“CCU”）軟件診斷，實現網側過流故障接地點的準確定位方案。

1 CR400BF 動車組高壓系統既有過流保護方案

1.1 高壓系統的檢測與保護

CR400BF 型動車組高壓系統由主斷路器（簡稱“VCB”）前端設置的網流互感器CT1，牽引變壓器設置的原邊電流互感器CT2 和接地回流互感器CT3 進行保護，如圖2 所示。

圖2 CR400BF 動車組互感器設置原理圖

CR400BF 動車組每個牽引單元均設置2 個互為冗余的HVCU，其具有模擬量數據采集和硬件快速保護功能。硬件快速保護功能是對網側電流、變壓器原邊電流等瞬時峰值超限觸發(fā)的保護，此保護由HVCU 控制VCB 斷開動作來實現的，起到保護高壓箱設備、牽引變壓器等設備的作用，結構關系如圖3 所示。

圖3 CR400BF HVCU 采集及保護工作原理圖

HVCU 通過MVB 將采集的電流有效值與硬件快速保護信息發(fā)送給CCU 進行故障診斷，并將故障代碼在顯示屏上顯示。

1.2 中央控制單元的診斷與保護

電流有效值超限保護由CCU 發(fā)送的MVB 指令通過輸入輸出I/O 模塊的DO 控制VCB 斷開。

中央控制單元對網側電流有效值進行診斷，當發(fā)生超限后則產生分主斷信號，使VCB 斷開從而對高壓系統進行相應的保護，計算公式為式（1）：

式中：Ict1為網側電流值；Ict2_1為牽引單元1 變壓器原邊電流值；Ict2_2為牽引單元2 變壓器原邊電流值；當網側電流有效值大于2 個牽引單元間變壓器原邊電流有效值之和的130%，或者小于2 個牽引單元間變壓器原邊電流有效值之和的30%，則產生分主斷信號，斷開VCB 使能環(huán)、打開主斷路器。

目前方案中，當存在升弓側高壓箱或者非升弓側高壓箱設備放電現象時，只有升弓側CT1 電流超限并通過HVCU 進行了斷開VCB 的保護，而CT2 采集值無超限變化，無法通過CT1 和CT2 的采集值判斷是升弓側高壓箱設備故障還是非升弓側高壓箱設備故障，對應急處置判斷切除故障牽引單元車頂隔離開關或換弓操作造成影響。

2 CR400BF 動車組高壓系統過流保護優(yōu)化方案

2.1 高壓系統的檢測與保護優(yōu)化

CT1、CT2、CT3 電流互感器及安裝位置不變，在高壓箱外增加電流互感器CT4，將其安裝在車頂高壓線纜上，用于檢測伙伴單元高壓系統的輸出電流或本單元的輸入電流，如圖4 所示。

圖4 CR400BF 動車組增加CT4 互感器設置原理圖

CR400BF 型動車組增加2 個CT4 電流互感器后，可將本單元CT1 至伙伴單元CT2 間的主電路劃分為2 段，在升弓側CT1 過流的情況下，通過CT4 是否過流判斷接地點所在單元。

HVCU 增加1 路采集通道用于CT4 電流采集［1］，此通道具備電流超限后的快速保護功能，當CT4 過流后能快速的斷開VCB，如圖5 所示。

圖5 CR400BF HVCU 增加CT4 互感器采集及保護工作原理圖

對CT4 采集信號的處理HVCU 增加了軟件邏輯模塊。此模塊對CT4 互感器信號進行了采集、濾波處理并通過MVB 轉發(fā)給中央控制單元，并對超過設定閾值的情況進行封鎖保護及解鎖功能，如圖6 所示。

圖6 HVCU 增加的邏輯模塊

2.2 中央控制單元診斷與保護優(yōu)化

增加CT4 電流互感器后，CT1、CT2、CT3 過流檢測功能及保護動作邏輯保持不變，根據電流互感器的過流情況，判斷具體故障位置，CCU 增加的邏輯模塊如圖7 所示。

圖7 CCU 增加的邏輯模塊

非升弓單元接地過流判斷邏輯為式（2）：

升弓單元接地過流判斷邏輯為式（3）：

式 中：Iupct4peak為 升 弓 側CT4 電 流 峰 值；Idownct4peak為 非升 弓 側CT4 電 流 峰 值；Isetct4為CT4 設 定 閾 值；Ict1peak為CT1 電流峰值。

綜上分析，CCU 根據判斷CT1 和增加的CT4互感器的過流情況，可準確的判斷出是哪個牽引單元發(fā)出的接地故障，并在HMI 進行信息提示，司機可及時進行應急處理，詳見表1。

當發(fā)生高壓系統網側過流后，CCU 增加的故障代碼通過遠程無線傳輸系統將故障信息傳輸至地面，便于故障及時的分析與處理。

3 系統優(yōu)化測試

3.1 地面測試

在試驗室對升級后的高壓控制單元進行測試，在CT4 通道輸入電壓后HVCU 能正確采集到到有效值，并且在設置閾值電壓后，當輸入電壓超限后，HVCU 能進行快速響應保護動作，通過Con?trol Build 軟件開發(fā)平臺進行測試，記錄如圖8所示。

圖8 HVCU CT4 采集通道超限后保護記錄

3.2 車輛測試

在列車靜態(tài)無高壓狀態(tài)下，HVCU 上載升級后的應用程序，通過電流源模擬給CT4 互感器輸入電流，確認有效值采集及超出閾值后的保護動作功能。

（1）CT4 通道采集測試

模擬CT4 互感器電流值，大小分別為50 A、100 A 時通過Monitor 監(jiān)控軟件記錄采集的有效值和峰值，如圖9、圖10 所示。

圖9 模擬50 A 有效值及峰值記錄結果

圖10 模擬100 A 有效值及峰值記錄結果

（2）CT4 通道快速響應保護測試

設置HVCU 的CT4 通道超限閾值為650 A，將CT4 采集的電流值增加至655 A，觸發(fā)高壓控制單元CT4 快速響應保護動作，CCU 故障記錄的數據，如圖11 所示。

圖11 CT4 觸發(fā)快速保護記錄

4 結 論

針對CR400BF 動車組在運行過程中發(fā)生網側過流故障后，無法準確定位接地點位置的原因進行了深入分析，并提出了解決方案。通過增加CT4 電流互感器，增加高壓控制單元采集通道及瞬時值記錄功能，優(yōu)化高壓控制單元和中央控制單元的診斷邏輯、應用遠程無線傳輸系統等一系列的方法，明確了網側電流過流故障接地點的定位方案。通過實際應用證實新方案切實、有效解決了無法定位接地點位置的問題，同時做到了故障的實時跟蹤和故障數據的實時轉儲，有效減少了對列車運行的影響。