復興號CR200J型動車組空調過流故障原因分析及整改建議

趙志春

(中國鐵路濟南局集團有限公司 濟南車輛段，山東 濟南 250000)

復興號CR200J型動力集中動車組供電方式采用DC 600 V制式，經過拖車、控制車的車下逆變器為車上交流負載供電。對于空調系統電氣回路，可編程邏輯控制器(PLC)實時采集回路電流，當工作電流超過保護值且持續一定時間后，PLC切斷空調供電接觸器，實現對空調負載的保護。復興號CR200J型動車組自上線以來，其電氣系統運用效果良好，但在實際運用過程中，單車偶發空調過流故障，導致空調停機，降低乘客舒適度，影響動車組正常運行。

本文從空調負載電流特性、車下逆變器輸出特性、動車DC 600 V列供電源輸出特性以及PLC空調保護機制等方面，對故障原因進行理論分析和試驗驗證，并提出整改建議。

1 空調電流檢測原理

圖1為CR200J型動車組列車供電拓撲圖，動車為拖車和控制車提供DC 600 V電源，車下逆變器將DC 600 V電源轉換成AC 380 V電源給空調等負載供電。拖車和控制車綜合控制柜內設PLC以及電流傳感器等，用于空調負載的供電、配電控制以及運行參數監控[1]。

拖車和控制車的空調電流檢測原理如圖2所示。根據基爾霍夫電流定律，當空調不工作時，IU=IV=IW=0，此時流過各傳感器的電流為0，傳感器輸出為0；當空調工作時，IU≠0，IV≠0，IW≠0，流過各傳感器的電流不為0，此時PLC實時采集傳感器輸出的空調工作電流[2]。空調制冷運行時，IU、IV、IW值變大，當三者的最大值超過過流保護值(額定電流的2倍)并持續2 s時，PLC切斷空調供電接觸器并發出空調過流故障信號，實現對空調的保護[3]。

I.電流。

C.電容；3AC.三相交流電；U、V、W.三相交流電的U相、V相、W相；KM.三相交流接觸器；M.交流電機。

2 典型故障及原因分析

CR200J型動車組拖車和控制車車下逆變器分別由A廠家、B廠家2個制造商提供，其中3車車下逆變器由B廠家提供，其余7輛車車下逆變器由A廠家提供。

2.1 故障現象

動車組夏季正線運行時，如果過分相斷電，車號為奇數的拖車或控制車(1、3、5、7車)偶報空調過流故障，此時單車觸摸屏記錄的故障歷史如圖3所示。空調過流故障時電氣綜合控制柜PLC切斷AC 380 V空調電源，此時單車觸摸屏記錄故障發生時的數據顯示界面如圖4所示。

圖3 單車空調過流故障歷史界面

圖4 單車空調過流故障發生時的數據顯示界面

結合分析圖3圖4所示的鐵路局故障信息記錄，空調制冷過流故障主要表現為：

(1) 空調過流故障絕大部分發生在1、3、5、7車；

(2) 空調過流故障發生在進入分相列供封鎖IGBT模塊的輸出之后；

(3) 過分相時列供DC 600 V無輸出，車號為偶數的拖車或控制車(2、4、6、8車)的Ⅰ路、Ⅱ路列供電壓下降趨勢不同，1、3、5、7車的Ⅱ路電壓下降趨勢快于2、4、6、8車的Ⅰ路電壓。

2.2 原因分析

2.2.1 空調電流測試

以1車和3車為例模擬過分相，利用示波器測試1車、3車空調電流波，測試結果分別見圖5(a)、圖5(b)中的通道3。測試結果可以看出，在過分相車下，電源欠壓保護斷電時存在瞬間沖擊電流，1車最大沖擊電流為67.2 A，3車最大沖擊電流為68.8 A，維持時間均小于2 s，不足以觸發空調過流故障，因此基本可以排除空調機組本身故障導致空調過流故障。

2.2.2 車下逆變器輸入輸出測試

對1車和3車模擬過分相進行測試，測試結果顯示，在DC 600 V列供電源斷電后，1車逆變器在檢測到輸入電壓小于DC 500 V時延時150 ms觸發欠壓保護，PLC切斷輸出接觸器，波形圖如圖5(a)所示；3車逆變器在檢測到輸入電壓小于DC 500 V時延時1 s觸發欠壓保護[4]，PLC切斷輸出接觸器，波形圖如圖5(b)所示。可見，切斷輸出接觸器時2車在均有沖擊電流產生，雖然該延時斷電邏輯有差異，但均滿足GB/T 32587—2016《旅客列車DC 600 V供電系統》第5.4.2.1條要求。

通道1.列供電源輸出電壓；通道2.逆變器輸出電壓；通道3.空調負載電流；通道4.U相電流傳感器的輸出電壓。圖5 1車和3車車下逆變器輸入輸出特性曲線界面

2.2.3 動車DC 600 V電源輸出特性測試

模擬過分相，分別測試動車空載和帶負載工況下DC 600 V電源的輸出電壓，分析其下降趨勢[5-6]。斷開動車與1車DC 600 V的電連接進行模擬過分相試驗，試驗結果顯示，過分相后的兩路DC 600 V電壓下降趨勢一致，符合要求。過分相空載列供電壓波形圖如圖6所示。

在所有車空調半冷工況下模擬過分相，列供Ⅰ路輸出電壓在DC 600 V～DC 500 V之間下降趨勢較快，低于DC 500 V后下降趨勢較平緩；列供Ⅱ路輸出電壓下降趨勢很快，從DC 600 V下降到0所經歷的時間約為1 s。可見，Ⅰ路、Ⅱ路輸出電壓下降趨勢不一致[7]。過分相帶負載列供電壓波形圖如圖7所示。

圖6 過分相空載列供電壓下降趨勢界面

圖7 過分相帶負載列供電壓下降趨勢

動車DC 600 V供電裝置輸出電壓不一致情況發生在列供封鎖IGBT模塊的輸出之后，此時列車DC 600 V供電裝置無法使輸出電壓保持穩定。因動車無電能釋放裝置，DC 600 V支撐電容的電能需要借助拖車負載進行釋放。分析認為，DC 600 V壓降不一致，與不同廠家逆變器的輸出接觸器關斷時間不一致有一定關系，導致2個DC 600 V模塊的支撐電容C放電速率不同。

2.2.4 PLC空調保護邏輯測試

當PLC檢測到任意一相電流大于保護值(額定電流的2倍)且持續2 s時，PLC切斷空調供電接觸器，并報空調過流故障。在當前供電回路電壓大于DC 400 V時，PLC實時監測空調電流；在兩路列供模塊電壓都小于DC 400 V時，判斷為過分相，對空調電流數據強制清零。在列供Ⅱ路的IGBT模塊封鎖后，列供壓降過程中PLC采集到空調電流波動值且大于保護值。但由于兩路DC 600 V電源電壓下降趨勢不一致，Ⅱ路壓降較快，在Ⅱ路電壓低于DC 400 V時，由Ⅱ路供電的拖車及控制車車下逆變器停止工作，PLC中保留列供電壓高于400 V時的電流波動值。由于Ⅰ路DC 600 V電源壓降較慢，降至DC 400 V的壓降時間大于2 s，因此在兩路電壓都低于DC 400 V之前，即空調電流強制清零之前，Ⅱ路DC 600 V電源供電的拖車及控制車(1、3、5、7車)容易發生空調過流故障條件，從而觸發故障[8-9]。

3 試驗驗證

綜上所述，在列供電源輸出、車下逆變器狀態、PLC判斷邏輯、空調運行均正常且均符合相關標準和統圖等技術要求的情況下，CR200J型動車組部分車輛報空調制冷過流故障的原因是供配電系統及空調控制保護系統的匹配性問題。為了驗證該結論的正確性，將該動車組3車車下逆變器(A廠家)與其他動車組的車下逆變器(B廠家)對調，并上線試運營，結果PLC未誤報空調過流故障[10]。

4 整改建議

由于CR200J型動力集中動車組空調過流故障報警實質為供配電系統及空調控制保護系統的性能參數匹配問題。雖可采取如更換3車車下逆變器的臨時措施，使該動車組不再誤報空調過流故障，但未從根本上解決問題，因此建議：

(1) 動車設置獨立的電能釋放裝置，保證IBGT模塊輸出封鎖后能夠通過自身放電裝置實現兩路輸出電壓壓降趨勢相同；

(2) 不同廠家的車下逆變電源應統一欠壓保護延時時間；

(3) 優化PLC控制程序，在當前供電回路電壓低于DC 400 V時對空調電流清零，避免DC 600 V電源壓降趨勢不同對其判斷邏輯產生影響；

(4) 對標準中未規定、但卻影響列車供電的問題進行技術統型，對動車和拖車、控制車的供配電設備接口性能和整體匹配性進行深入研究，從根源上解決動力集中動車組DC 600 V電源的參數匹配性問題，保證動車組的用電設備安全、可靠運行。