HX型電力機(jī)車實(shí)車運(yùn)行電磁兼容問題調(diào)研分析

吳月明，張可飛

（中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司，遼寧 大連 116000）

0 引 言

隨著國內(nèi)電氣化鐵路的迅猛發(fā)展，高速、重載已成為當(dāng)今軌道交通裝備的發(fā)展主題。大功率電力電子器件及牽引傳動系統(tǒng)和裝置，以及數(shù)字化、智能化的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和部件，已廣泛應(yīng)用于機(jī)車裝備。機(jī)車的電磁兼容性逐漸成為業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的熱點(diǎn)，其優(yōu)劣直接影響機(jī)車的運(yùn)行安全。

近年來，由于電磁兼容問題引起的機(jī)車故障種類繁多、屢見不鮮。如果此類問題涉及出口機(jī)車，將會影響中國鐵路裝備走出去的進(jìn)程，進(jìn)而對國家的聲譽(yù)產(chǎn)生影響。同時，電磁兼容問題可能會對司乘人員的生命、健康構(gòu)成潛在隱患。為了有針對性地研究并解決機(jī)車電磁兼容問題，現(xiàn)對交流傳動機(jī)車實(shí)車電磁兼容問題進(jìn)行調(diào)研。本次電磁兼容問題匯總以HX型交流機(jī)車為主要對象，將按車型以實(shí)例形式進(jìn)行表述。

1 HXD1型電力機(jī)車電磁兼容問題及實(shí)例分析

HXD1型電力機(jī)車是由兩節(jié)完全相同的4軸電力機(jī)車通過內(nèi)重聯(lián)環(huán)節(jié)連接組成的8軸重載貨運(yùn)電力機(jī)車。采用“交直交”電傳動主電路形式，網(wǎng)絡(luò)控制采用TCN結(jié)構(gòu)形式。在HXD1型電力機(jī)車實(shí)車運(yùn)行過程中，出現(xiàn)了過多起電磁兼容問題[1]。

1.1 信號線干擾故障實(shí)例分析

2014年，HXD1型電力機(jī)車運(yùn)行過程中，受電弓突然自動降落，且IDU顯示器無故障提示。工作人員查看對應(yīng)時間區(qū)段機(jī)車ERM數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，機(jī)車節(jié)點(diǎn)狀態(tài)從5300（主斷閉合）直接跳變?yōu)?100（主電路配置復(fù)位），與機(jī)車的正常降弓方式即5300（主斷閉合）、5100（分主斷命令）、5000（主斷已斷開）……3100（降弓命令）、3000（受電弓已下降）、2300（主電路已配置）的順序降弓方式不符。同時，查看故障記錄，并未發(fā)現(xiàn)會引起主電路配置復(fù)位的故障。經(jīng)分析，可能是由于線路上的毛刺信號引發(fā)機(jī)車模式的變化。后期整改過程中，對機(jī)車模式改變時間進(jìn)行了3 s的延時濾波處理，故障再未發(fā)生。

電力機(jī)車在運(yùn)行過程中經(jīng)常發(fā)生主斷路器跳閘、受電弓自動降落、中央控制單元（CCU）/牽引控制單元/制動控制單元通信異常等現(xiàn)象。經(jīng)排查，此類故障是傳導(dǎo)干擾所致。圖1為電力機(jī)車傳導(dǎo)測試方法示意圖。

圖1 電力機(jī)車傳導(dǎo)測試示意圖

傳導(dǎo)干擾是電力機(jī)車常見的電磁兼容問題之一，主要以控制信號為受擾對象。上述故障現(xiàn)象是由信號線受擾引發(fā)。在電磁兼容檢測標(biāo)準(zhǔn)中，設(shè)立了信號線脈沖群抗擾度、線纜傳導(dǎo)騷擾抗擾度等專門針對此類電磁兼容問題的測試項(xiàng)點(diǎn)，可見這種電磁干擾的普遍性與嚴(yán)重性。在實(shí)車運(yùn)行過程中，由傳導(dǎo)騷擾產(chǎn)生的故障現(xiàn)象紛亂繁雜，故障點(diǎn)定位難度較大。設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過屏蔽、濾波等手段強(qiáng)化線纜的抗擾能力，盡量避免此類問題的發(fā)生。

1.2 接地設(shè)計(jì)不當(dāng)引發(fā)故障實(shí)例分析

在工作人員查看HXD1型機(jī)車網(wǎng)絡(luò)故障數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)4、5、6軸均報速度傳感器故障。檢修人員檢查速度信號通道、更換3個軸的速度傳感器，故障依舊存在。最終檢查發(fā)現(xiàn)，機(jī)車Π架的3臺電機(jī)均未安裝與轉(zhuǎn)向架之間的接地線。重新加裝電機(jī)接地線后，故障消除。在電力機(jī)車運(yùn)行過程中，也出現(xiàn)過由于接地設(shè)計(jì)不當(dāng)導(dǎo)致積累靜電荷無法正常泄放而使核心元器件擊穿損毀等現(xiàn)象。

在所有電氣設(shè)備運(yùn)行過程中，接地設(shè)計(jì)不當(dāng)是縮減設(shè)備使用壽命的主要原因之一。電力機(jī)車運(yùn)行過程中，由于其工作、運(yùn)行方式的特點(diǎn)，線路中會存在多種靜電類、傳導(dǎo)類干擾，無疑是對車輛接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)的嚴(yán)峻考驗(yàn)。在車輛電磁兼容設(shè)計(jì)過程中，接地設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)首先考慮重要環(huán)節(jié)。接地是否良好，直接決定了車輛電磁抗擾度的優(yōu)劣。因此，優(yōu)化接地設(shè)計(jì)是降低機(jī)車運(yùn)行故障率、提高機(jī)車整體質(zhì)量的重要途徑[2-3]。

2 HXD2型電力機(jī)車電磁兼容問題及實(shí)例分析

HXD2型電力機(jī)車采用了基于IGBT元件的大功率水冷變流器、大扭矩異步牽引電機(jī)、臥式牽引變壓器、微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、電子控制的制動系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)。在HXD2型電力機(jī)車實(shí)車運(yùn)行過程中，出現(xiàn)了過多起電磁兼容問題。

在HXD2型電力機(jī)車段內(nèi)調(diào)試過程中，當(dāng)車輛受電弓與接觸網(wǎng)接觸或分離的瞬間，數(shù)字量輸出模塊出現(xiàn)死機(jī)，110 V數(shù)字量輸出不受控。故障出現(xiàn)后，須工作人員手動復(fù)位，故障才可消除。經(jīng)測量，監(jiān)測模塊5 V供電電壓在升弓或降弓瞬間也出現(xiàn)大范圍波動，而當(dāng)機(jī)車穩(wěn)定運(yùn)行后，此現(xiàn)象消除。

受電弓一直都是電力機(jī)車電磁干擾源之一，其干擾主要發(fā)生在弓網(wǎng)結(jié)合和分離瞬間[4-5]。在這一瞬間，受電弓上會有大幅度的電流瞬變情況發(fā)生。由此而產(chǎn)生的瞬變電流，不僅會對車內(nèi)敏感器件、線纜產(chǎn)生影響，也會以電磁波的形式對外輻射，進(jìn)而對外界電磁環(huán)境造成污染。

3 HXD3型電力機(jī)車電磁兼容問題及實(shí)例分析

HXD3型電力機(jī)車是中國鐵路的干線貨運(yùn)用電力機(jī)車車型之一。它的牽引電傳動系統(tǒng)由東芝公司提供，制動系統(tǒng)由克諾爾公司提供。在HXD3型電力機(jī)車實(shí)車運(yùn)行過程中，出現(xiàn)了過多起電磁兼容問題。

通信系統(tǒng)故障是比較常見的機(jī)車故障之一。在HXD3C/HXD3D機(jī)車網(wǎng)關(guān)優(yōu)化升級過程中，出現(xiàn)過典型的通信系統(tǒng)故障實(shí)例。

HXD3C/HXD3D機(jī)車在批量換裝RS485/MVB網(wǎng)關(guān)后，批量出現(xiàn)機(jī)車運(yùn)行中誤懲罰制動問題。問題發(fā)生時，沒有任何征兆或正常引發(fā)懲罰制動的信號被激活。在制動機(jī)顯示屏上顯示“懲罰制動：司機(jī)室轉(zhuǎn)換”“緊急制動：列車管線”等消息。后期經(jīng)過確認(rèn)后發(fā)現(xiàn)，是網(wǎng)關(guān)抗干擾能力不足，在經(jīng)過分相區(qū)主斷分?jǐn)嚅]合瞬間發(fā)生異常，內(nèi)部傳送信號狀態(tài)發(fā)生突變，并通過MVB通訊發(fā)送給了制動機(jī)。制動機(jī)收到該錯誤后，認(rèn)為操縱端發(fā)生了變化，觸發(fā)了懲罰制動。

HXD3D機(jī)車批量投入運(yùn)行初期，也出現(xiàn)過車輛總線上兩個最遠(yuǎn)端設(shè)備通信不穩(wěn)定、通信超時等通訊異常問題。其中，有些能自動恢復(fù)，有些則必須要蓄電池重啟后才能恢復(fù)。

機(jī)車通信系統(tǒng)是車輛的“神經(jīng)”，是信息傳輸?shù)耐ǖ?。通信系統(tǒng)故障引發(fā)的事故不勝枚舉，其中不乏重大傷亡事故。通信系統(tǒng)故障可能由內(nèi)部傳導(dǎo)干擾引起，也可能由外界輻射干擾引發(fā)。隨著電氣化鐵路電磁環(huán)境的日益復(fù)雜，通信系統(tǒng)電磁抗擾能力的優(yōu)化也成為一個亟需解決的問題。

4 結(jié) 論

綜上所述，機(jī)車電磁兼容問題主要分為兩個方面：傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾可能引發(fā)車輛通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)等多方面故障。細(xì)化來說，涌流干擾、浪涌沖擊、電快速瞬變脈沖群、靜電干擾、接地不良等都會引起傳導(dǎo)干擾的發(fā)生。輻射干擾主要指機(jī)車對外輻射問題，會對周圍環(huán)境造成電磁污染，危及司乘人員人身安全。機(jī)車受電弓、牽引變流器、主變壓器等高壓大功率設(shè)備，都是典型的輻射源[6-7]。

在實(shí)車運(yùn)行過程中，電磁兼容問題無處不在。相比于國外比較完整的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)體系，國內(nèi)整車電磁兼容體系建設(shè)存在明顯漏洞。在今后的車輛產(chǎn)業(yè)化道路中，一方面，設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分考慮車輛的電磁兼容特性，保證車輛運(yùn)行的可靠性；另一方面，有關(guān)部門也應(yīng)盡快完善整車電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)體系，學(xué)習(xí)國外先進(jìn)檢測方法，從質(zhì)量上把控機(jī)車車輛的電磁兼容性。只有將“研”與“檢”結(jié)合，才可以促進(jìn)國內(nèi)軌道交通行業(yè)與國際接軌，進(jìn)而引領(lǐng)國際市場的動向。

參考文獻(xiàn)：

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