高速動(dòng)車組電制動(dòng)失效分析及改進(jìn)措施

李富平 高盤龍

(1.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司鐵路客車業(yè)務(wù)部，130062，長(zhǎng)春;2.新疆鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息管理工程學(xué)院,830011,烏魯木齊//工程師)

高速動(dòng)車組的電制動(dòng)系統(tǒng)通常在接觸網(wǎng)網(wǎng)壓29 kV以下、列車速度10～200 km/h的工況下工作。在電分相區(qū)段，高速動(dòng)車組依靠制動(dòng)電阻器消耗牽引電機(jī)產(chǎn)生的能量進(jìn)行電制動(dòng)(只有在速度高于35 km/h且需要電制動(dòng)時(shí)可用，一旦激活可以在10 km/h時(shí)應(yīng)用)。電阻制動(dòng)器每列車安裝5個(gè)，分別安裝在 1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)、7號(hào)、8號(hào)車的車頂上。電制動(dòng)能夠有效降低高速動(dòng)車組的空氣制動(dòng)閘片磨耗量，并延長(zhǎng)閘片的使用壽命。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，電制動(dòng)失效時(shí)，高速動(dòng)車組動(dòng)軸制動(dòng)閘片最高溫度超過600 ℃，而長(zhǎng)時(shí)間的高溫環(huán)境容易造成車下相關(guān)設(shè)備的損壞。

本文通過對(duì)鐵路蘭新線高速動(dòng)車組電制動(dòng)失效的分析，確定故障原因，制定有效的改進(jìn)措施以降低電制動(dòng)失效對(duì)車輛產(chǎn)生的影響。

1 網(wǎng)壓采集原理

1.1 網(wǎng)壓/網(wǎng)流檢測(cè)裝置

高速動(dòng)車組通過集成儀表箱或集成檢測(cè)裝置采集接觸網(wǎng)網(wǎng)壓和網(wǎng)流，即通過電路將網(wǎng)壓轉(zhuǎn)換為7路模擬信號(hào)輸出至5輛動(dòng)車牽引控制單元(TCU)和本地牽引控制模塊(CLT)，將網(wǎng)流轉(zhuǎn)換為2路模擬信號(hào)輸出至CLT。

1.2 網(wǎng)壓信號(hào)采集

TCU采集3號(hào)或6號(hào)車網(wǎng)壓/網(wǎng)流檢測(cè)裝置發(fā)送的網(wǎng)壓信號(hào)(見圖1)，用于TCU內(nèi)部邏輯運(yùn)算[1]。

圖1 TCU采集網(wǎng)壓信號(hào)原理

CLT采集3號(hào)或6號(hào)車網(wǎng)壓/網(wǎng)流檢測(cè)裝置發(fā)送的網(wǎng)壓和網(wǎng)流信號(hào)(見圖2)[2]，用于列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(TCMS)內(nèi)部邏輯運(yùn)算。由于TCMS采集網(wǎng)壓信號(hào)時(shí)經(jīng)過多次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，故通過TCMS監(jiān)控到的網(wǎng)壓值與CLT設(shè)備和TCU監(jiān)控的網(wǎng)壓值存在一定誤差。

圖2 TCMS采集網(wǎng)壓信號(hào)原理

2 電制動(dòng)失效條件

高速動(dòng)車組電制動(dòng)失效的條件如下：①當(dāng)動(dòng)車

組在制動(dòng)狀態(tài)時(shí)逆變器關(guān)閉；②當(dāng)動(dòng)車組在電制動(dòng)狀態(tài)下，輸出功率小于預(yù)設(shè)電制動(dòng)功率的50%時(shí)，延時(shí)3 s電制動(dòng)失效；③制動(dòng)變阻器的溫度超過600 ℃；④互鎖閥故障；⑤牽引輔助變流器冷卻液超過70 ℃。

根據(jù)時(shí)速250 km動(dòng)車組技術(shù)條件和設(shè)計(jì)要求[3]：高速動(dòng)車組在TCU軟件中設(shè)定了接觸網(wǎng)網(wǎng)壓與輸出功率的關(guān)系曲線，網(wǎng)壓在29.0～31.5 kV間輸出功率線性下降至零，此時(shí)動(dòng)車組逆變器停止工作，牽引電機(jī)不再輸出功率。同時(shí)，根據(jù)電制動(dòng)故障條件，當(dāng)動(dòng)車組在電制動(dòng)狀態(tài)，輸出功率小于預(yù)設(shè)電制動(dòng)功率50%時(shí)[1]，延時(shí)3 s電制動(dòng)失效，如圖3所示。

圖3 電制動(dòng)失效原理

3 電制動(dòng)失效故障典型案例分析

3.1 故障現(xiàn)車排查

2015年5月25日，蘭新線動(dòng)車組在運(yùn)行時(shí)發(fā)生電制動(dòng)丟失情況。維保人員隨后對(duì)蘭州西—嘉峪關(guān)南區(qū)間承擔(dān)D2741、D2742次列車交路的動(dòng)車組進(jìn)行了全面監(jiān)控檢查，具體檢查結(jié)果如下：

(1) 下載TCU數(shù)據(jù)，分析變流器在電制動(dòng)失效時(shí)段的故障數(shù)據(jù)，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)任何故障數(shù)據(jù)記錄，僅有狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄(如接觸網(wǎng)網(wǎng)壓大于29 kV的記錄)。

(2) 檢查電制動(dòng)切除按鈕線路供電狀態(tài)及相關(guān)控制板卡，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)異常。

(3) 檢查故障車輛的互鎖閥，發(fā)現(xiàn)互鎖閥均能正常動(dòng)作。

(4) 檢查故障車輛TCU數(shù)據(jù)記錄中的冷卻液溫度，結(jié)果均在正常范圍內(nèi)(低于70 ℃)。

(5) 檢查制動(dòng)變阻器的外觀狀態(tài)，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)異常情況。

3.2 動(dòng)車組數(shù)據(jù)分析

中央控制單元(MPU)數(shù)據(jù)如圖4所示，TCU數(shù)據(jù)如圖5所示。數(shù)據(jù)顯示TCU采集的接觸網(wǎng)網(wǎng)壓為29.08 kV。

圖4 MPU故障數(shù)據(jù)顯示界面

通過對(duì)故障動(dòng)車組的TCMS數(shù)據(jù)及TCU數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生時(shí)，TCMS數(shù)據(jù)記錄為“TCU檢測(cè)到電制動(dòng)故障”，在電制動(dòng)失效區(qū)段，TCU記錄的接觸網(wǎng)網(wǎng)壓超過29 kV。

3.3 蘭新線網(wǎng)壓調(diào)查

對(duì)觀花臺(tái)牽引變電所27.5 kV母線電壓情況進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)T線接觸網(wǎng)電壓為28.8 kV；同時(shí)對(duì)觀花臺(tái)牽引變電所330 kV電壓進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果發(fā)系統(tǒng)A、B、C電壓分別為364.5 kV、365.3 kV、364.9 kV。

圖5 TCU數(shù)據(jù)顯示界面

通過蘭州—嘉峪關(guān)南區(qū)間接觸網(wǎng)網(wǎng)壓監(jiān)控波形(見圖6)可以看出：09:35:57—09:42:50時(shí)間段網(wǎng)壓持續(xù)大于29 kV，持續(xù)時(shí)間近7 min；09:43:51—09:53:55時(shí)間段網(wǎng)壓持續(xù)大于29 kV，持續(xù)時(shí)間10 min；10:00:34—10:08:34時(shí)間段網(wǎng)壓持續(xù)大于29 kV，持續(xù)時(shí)間8 min。

圖6 高速動(dòng)車組蘭州—嘉峪關(guān)南區(qū)段供電網(wǎng)壓監(jiān)控記錄

根據(jù)接觸網(wǎng)網(wǎng)壓調(diào)查可知，蘭新線蘭州西—嘉峪關(guān)南區(qū)間部分區(qū)段接觸網(wǎng)網(wǎng)壓大于29 kV，且持續(xù)時(shí)間大于5 min。

4 網(wǎng)壓超限對(duì)動(dòng)車組的影響

4.1 牽引工況下的影響

牽引工況下，接觸網(wǎng)網(wǎng)壓超限對(duì)動(dòng)車組的影響主要表現(xiàn)在：

(1) 網(wǎng)壓在22.5～29.0 kV間牽引功率保持在額定功率范圍內(nèi)；

(2) 網(wǎng)壓在22.5～19.0 kV間牽引功率線性下降至額定功率的 84%；

(3) 網(wǎng)壓在19.0～17.5 kV間牽引功率線性下降至零，輔助設(shè)備應(yīng)正常工作；

(4) 網(wǎng)壓在29.0～31.0 kV間牽引功率線性下降至零，輔助設(shè)備應(yīng)正常工作。

TCU監(jiān)控顯示，當(dāng)網(wǎng)壓超過29 kV時(shí)，列車處于減功率運(yùn)行(正常牽引功率為550 kW)狀態(tài)，牽引力減小，如圖7所示。

圖7 網(wǎng)壓超限時(shí)的列車減功率運(yùn)行監(jiān)控界面

4.2 制動(dòng)工況下的影響

MPU監(jiān)控顯示，當(dāng)接觸網(wǎng)網(wǎng)壓超過29 kV，且牽引制動(dòng)手柄處于制動(dòng)位時(shí)，為防止電制動(dòng)進(jìn)一步提升網(wǎng)壓，此時(shí)禁止電制動(dòng)施加，而采用空氣制動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，但這會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)盤溫度過高(見圖8)。

5 改進(jìn)措施

為解決蘭新線高速動(dòng)車組經(jīng)常出現(xiàn)由于網(wǎng)壓偏高導(dǎo)致電制動(dòng)失效問題，使高速動(dòng)車組更好地適應(yīng)蘭新線網(wǎng)壓高和長(zhǎng)大坡道多狀況，通過長(zhǎng)期試驗(yàn)后，提出了以下網(wǎng)壓適應(yīng)性參數(shù)調(diào)整優(yōu)化方案：將TCU中網(wǎng)壓限制電制動(dòng)力閾值配置參數(shù)提高，由29 kV提升至30.5 kV。參數(shù)調(diào)整可有效改善電制動(dòng)丟失導(dǎo)致的制動(dòng)摩擦副過度磨耗問題。

通過牽引制動(dòng)工況下牽引力和電制動(dòng)力限制的測(cè)試，可以確認(rèn)參數(shù)調(diào)整后，網(wǎng)壓對(duì)牽引力限制仍為31 kV，對(duì)電制動(dòng)力限制變?yōu)?0.5 kV。軟件修改可以提高網(wǎng)壓對(duì)電制動(dòng)力輸出的限制判定閾值，且對(duì)其他無(wú)影響。

6 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)接觸網(wǎng)網(wǎng)壓大于29 kV且持續(xù)時(shí)間大于5 min，TCU檢測(cè)到接觸網(wǎng)網(wǎng)壓為29.0～31.5 kV，牽引電機(jī)輸出功率線性下降至零。根據(jù)電制動(dòng)故障條件，車組在電制動(dòng)狀態(tài)下，輸出功率小于預(yù)設(shè)電制動(dòng)功率50%時(shí)，延時(shí)3 s電制動(dòng)失效。由于恒速功能通過電制動(dòng)調(diào)節(jié)，故當(dāng)電制動(dòng)失效時(shí)動(dòng)車組的恒速功能同樣失效。

圖8 網(wǎng)壓超限時(shí)禁止施加電制動(dòng)的監(jiān)控界面

根據(jù)電制動(dòng)失效的運(yùn)行情況分析，采用調(diào)整網(wǎng)壓限制電制動(dòng)力閾值的配置參數(shù)，能夠有效保證電制動(dòng)力的正常使用，降低制動(dòng)摩擦副過度磨耗問題，保證高速動(dòng)車組的運(yùn)行可靠度，在安全可靠的前提下拓寬網(wǎng)壓的有效應(yīng)用范圍。