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(wǎng)發(fā)生跳閘停電，檢修庫D31道2列位接觸網(wǎng)斷線。經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)停放于D31道的CRH380B-3728動車組02車受電弓碳滑板存在拉弧現(xiàn)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(tài)異常，測試運行（代碼24B4），01車報CCU1：VCB斷開后檢測到連續(xù)的諧波電流（代碼632D），CCU2：VCB斷開后檢測到連續(xù)的諧波電流（6341）等故障。經(jīng)調(diào)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(nèi)部故障引起的，同時由于列車TCU控制邏輯上的缺陷導(dǎo)致了故障影響的進(jìn)一步擴大。

2 Q1斷路器工作原理及相關(guān)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(dāng)?shù)谝淮尾僮鏖]合主斷路器后，牽引變流器內(nèi)部預(yù)充電接觸器K4接通，通過預(yù)充電電阻給中間直流電路預(yù)充電，同時牽引變流器進(jìn)行自檢（3 kV測試），此時主斷路器自動斷開，預(yù)充電接觸器K4隨之?dāng)嚅_。當(dāng)?shù)诙尾僮鏖]合主斷路器后，K4接觸器再次接通預(yù)充電電阻給中間直流電路進(jìn)行預(yù)充電（此時牽引變流器不再進(jìn)行自檢測試），當(dāng)中間直流電路電壓達(dá)到額定電壓的95%時，Q1斷路器內(nèi)部驅(qū)動電機動作，使其主觸點閉合，同時預(yù)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(nèi)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(shè)有2對主觸點L1T1和L2T2，用于4QC輸入電流控制，并設(shè)有輔助觸點用于反饋Q1斷路器的相關(guān)工作狀態(tài)。

圖2 Q1斷路器外觀圖

圖3 Q1斷路器內(nèi)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(tài)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(fù)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(fù)電壓，使得電機正向旋轉(zhuǎn)，主觸點閉合。

當(dāng)出現(xiàn)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(jié)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(yīng)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(jié)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(tài)，系統(tǒng)因檢測到輔助觸點14-15的閉合反饋為0而認(rèn)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(tài)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(fù)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(fù)電壓施加在電機A端，使得電機反向旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)，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(dāng)Q1斷路器應(yīng)當(dāng)閉合而收到反饋信號未閉合，或Q1斷路器應(yīng)當(dāng)斷開而收到反饋信號未斷，上述狀態(tài)持續(xù)0.5 s報24B2。

（2）診斷代碼24B3：當(dāng)30 min之內(nèi)發(fā)生了3次24B2，報24B3。

（3）診斷代碼24B4：當(dāng)報出24B2觸發(fā)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(rèn)。當(dāng)Q1測試完成，測試結(jié)果不正常時，產(chǎn)生診斷代碼24B5，同時鎖閉故障單元的牽引變壓器;當(dāng)Q1測試結(jié)果正常時，診斷代碼24B4復(fù)位。

（4）診斷代碼24B5：當(dāng) TCU啟動1 min內(nèi)發(fā)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(shù)據(jù)分析

通過對CRH380B-3728動車組故障時間段內(nèi)的CCU、TCU車載數(shù)據(jù)以及相關(guān)MVB解析數(shù)據(jù)進(jìn)行下載整理后，分析如下：

根據(jù)表 1整理的 CCU、TCU數(shù) 據(jù) 可知，21:26:12，CRH380B-3728動車組03車報線路斷路器Q1:由于狀態(tài)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(xù)的諧波電流（代碼632D），CCU2：VCB斷開后檢測到連續(xù)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(shù)據(jù)整理

（1）MVB解析數(shù)據(jù)對Q1斷路器等設(shè)備動作時序（見圖6）的整理分析

圖6 MVB解析的各主要設(shè)備動作時序

根據(jù)數(shù)據(jù)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(yīng)持續(xù)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(jìn)行中間直流電路的預(yù)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(fā)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(yù)充電情況下閉合產(chǎn)生過電流導(dǎo)致主斷斷開，主斷在分段時發(fā)生擊穿短路造成分?jǐn)嗍?，并觸發(fā)受電弓降弓保護(hù)。最終由于帶載降弓導(dǎo)致受電弓與接觸網(wǎng)間產(chǎn)生嚴(yán)重拉弧燒斷接觸網(wǎng)。

3.2 存在的問題

現(xiàn)有TCU邏輯中，在牽引變流器Q1斷路器閉合后持續(xù)43 s測試期間，因主斷路器斷開10 s后會發(fā)出Q1斷路器斷開指令(斷開優(yōu)先)，從而中斷Q1斷路器的閉合測試，Q1斷路器斷開后導(dǎo)致主斷路器再次釋放(HMI屏顯示主斷路器釋放圖標(biāo)變藍(lán)，允許閉合主斷路器)，若此時閉合主斷路器，變流器未通過內(nèi)部預(yù)充電接觸器K4接通來進(jìn)行預(yù)充電，將會導(dǎo)致Q1斷路器觸點間產(chǎn)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(xiàn)有TCU相關(guān)控制邏輯的結(jié)合分析，可發(fā)現(xiàn)TCU對Q1斷路器的控制保護(hù)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(jìn)行封鎖，此時如果操作主斷路器閉合，則因變流器內(nèi)部預(yù)充電環(huán)節(jié)未完成而存在變壓器次邊過流的風(fēng)險，極端情況下將導(dǎo)致Q1斷路器帶載合斷、主斷路器絕緣擊穿等嚴(yán)重安全隱患。

4 應(yīng)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(hù)邏輯存在缺陷，存在較大安全風(fēng)險，故研究并制定動車組運行途中及庫內(nèi)檢修的相關(guān)處置措施尤為迫切。除此之外，也須從產(chǎn)品源頭質(zhì)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(yīng)急處置措施

CRH380B（L）型動車組運行途中發(fā)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(yīng)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(yīng)對故障牽引單元進(jìn)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(fā)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(guān)、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(nèi)檢修故障處置措施

若在動車組庫內(nèi)檢修中發(fā)生此類故障，檢修人員嚴(yán)禁直接操作閉合主斷，應(yīng)及時聯(lián)系技術(shù)人員進(jìn)行故障檢查和確認(rèn)，在控制軟件未優(yōu)化及故障原因沒有明確前，由技術(shù)人員對牽引變流器預(yù)充電進(jìn)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(tài)。

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

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

（4）選擇1，進(jìn)行Q1進(jìn)行測試。選擇y：打開Q1，系統(tǒng)對Q1的動作時間進(jìn)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(guān)閉Q1，系統(tǒng)對Q1的動作時間進(jìn)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(xù)再陸續(xù)選擇2：預(yù)充電接觸器K4測試和選擇3：對K11進(jìn)行測試（無不合理的信息或故障代碼）。

4.3 制定臨時Buffer優(yōu)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(yōu)化方案，延長24B4代碼觸發(fā)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(fā)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(hù)等級為IP40，當(dāng)灰塵聚集且空氣溫濕度變化，長時間運用后易導(dǎo)致接觸點表面產(chǎn)生氧化性接觸不良。經(jīng)過篩選和評估，后續(xù)計劃結(jié)合五級修更換為防護(hù)等級更高（IP67）的PBX型號輔助觸點。

（2）軟件整治方案：優(yōu)化Q1斷路器測試控制邏輯，在Q1進(jìn)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(fā)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(jìn)行優(yōu)化。

5 結(jié)束語

CRH380B（L）型動車組牽引變流器Q1斷路器檢測到狀態(tài)異常時會觸發(fā)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(fēng)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(jìn)行了深入分析，并結(jié)合動車組車載數(shù)據(jù)分析還原了故障發(fā)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(nèi)檢修中的相關(guān)應(yīng)急處置措施及優(yōu)化方案，可大幅降低Q1接觸器燒損的風(fēng)險，消除故障影響。