高速動(dòng)車組中央控制單元抗電磁干擾能力研究分析

周月忠，傅雙波，王永剛，張 華

（中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司，上海 200071）

1 引言

中央控制單元（以下簡稱“CCU”）是高速動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)核心部件之一，可以實(shí)現(xiàn)列車重要設(shè)備的管理、運(yùn)行信息的采集、運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視和故障診斷等功能。按照當(dāng)前的保護(hù)策略，偶發(fā)的主CCU停機(jī)故障會(huì)引發(fā)主斷路器自動(dòng)斷開，從而影響高速列車運(yùn)營秩序。CCU機(jī)箱內(nèi)共裝有13塊板卡，相當(dāng)于13個(gè)功能模塊，其主要板卡為網(wǎng)關(guān)板卡、CPU板卡、通信板卡、電源板卡、濾波板卡，其中濾波板卡主要用于保護(hù)CCU，防止不可接受的高電壓干擾與跨接短時(shí)間的過渡電壓負(fù)荷。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從2016年1月至2022年3月期間全路累計(jì)發(fā)生CCU失效故障669件，其中由電磁干擾造成的故障共計(jì)291件，占比高達(dá)43%。本文將對CCU及其濾波板卡的結(jié)構(gòu)原理、故障分布進(jìn)行分析，并通過實(shí)驗(yàn)室測試CCU的抗電磁干擾能力，從而提出改進(jìn)建議和措施。

2 CCU 結(jié)構(gòu)原理

2.1 主動(dòng)切換原理

每列動(dòng)車組每個(gè)牽引單元有2個(gè)CCU，分別為主CCU和從CCU。正常情況下2個(gè)CCU都處于熱啟動(dòng)狀態(tài)，但只有主CCU上的網(wǎng)關(guān)參與列車總線（WTB）和車輛總線（MVB）的通信，而從CCU上的網(wǎng)關(guān)此時(shí)不被激活也不參與通信。列車每次斷開蓄電池或復(fù)位CCU空開都會(huì)觸發(fā)一次CCU的主從切換，另外，主CCU失效也會(huì)觸發(fā)一次主從切換。

2.2 濾波原理

CCU 濾波板卡（G103）主要作用為濾除部分線與線之間的差模干擾、線與地之間的共模干擾，吸收部分正負(fù)線之間的浪涌能量，將電源線中的尖峰脈沖幅度降低，轉(zhuǎn)化為平坦波形輸出。濾波板卡上的主要元器件包括差模電感、瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS）、儲能電容、泄放電阻以及4個(gè)Y電容。

如圖1所示，L100為濾波扼流圈（差模電感），用于抑制CCU母線上通過傳導(dǎo)和輻射出的差模干擾；V100為TVS，用于吸收浪涌等瞬時(shí)沖擊； C102為儲能電容，用于抑制CCU母線電源電壓的突降或暫斷，降低電源的紋波電壓，提高電源供電的穩(wěn)定性；R101為與C102配套的泄放電阻；C103-C106為4個(gè)Y電容，從輸出端分別對地并接，對共模干擾起旁路作用。

圖1 濾波板卡電路圖

2.3 故障現(xiàn)象

CCU收到電磁干擾后可能會(huì)發(fā)生失效，故障按照發(fā)生在主控端還是非主控端、單個(gè)CCU失效還是2個(gè)CCU同時(shí)失效表現(xiàn)出不同的故障現(xiàn)象，具體如表1所示。

表1 CCU失效故障現(xiàn)象

3 CCU 故障分析

CCU屬于敏感器件，易受到外部電磁干擾。干擾源可能來自于外部環(huán)境，也可能來自于動(dòng)車組內(nèi)部設(shè)備。電磁干擾達(dá)到一定程度后會(huì)觸發(fā)CCU板卡看門狗程序，使CCU進(jìn)入監(jiān)控模式，不再對列車實(shí)施控制并報(bào)出故障代碼。本研究根據(jù)動(dòng)車組管理信息系統(tǒng)（EMIS）中的故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從車型差異、配屬局差異、年份及季節(jié)差異等維度對因電磁干擾造成的CRH380B 及CRH380C平臺動(dòng)車組291件CCU失效故障進(jìn)行分析。

3.1 按車型統(tǒng)計(jì)

如圖2所示，CRH380B型動(dòng)車組發(fā)生故障116件，百萬公里故障率為0.09；CRH380BG型動(dòng)車組發(fā)生故障100件，百萬公里故障率為0.17；CRH380BL型動(dòng)車組發(fā)生故障47件，百萬公里故障率為0.1；CRH3C型動(dòng)車組發(fā)生故障28件，百萬公里故障率為0.1。從百萬公里故障率統(tǒng)計(jì)看，CRH380BG高寒動(dòng)車組故障率較其他車型高。

圖2 CCU失效故障（按車型統(tǒng)計(jì)）

3.2 按配屬局統(tǒng)計(jì)

對配屬局CCU發(fā)生故障件數(shù)和百萬公里故障率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。如圖3所示，發(fā)生故障件數(shù)最多的為沈陽局（68件），其次為上海局（64件）。按百萬公里故障率由高到低依次為哈爾濱局（0.19）、沈陽局（0.18）、蘭州局（0.17）、西安局（0.17）?？傮w而言，CCU百萬公里故障率與地域有一定的關(guān)聯(lián)性，地處北方鐵路局故障率高于南方或華中地區(qū)鐵路局。

圖3 CCU失效故障（按配屬局統(tǒng)計(jì)）

3.3 按發(fā)生日期統(tǒng)計(jì)

如圖4所示，故障率最高的為1月份，其次為3月、12月及2月，這4個(gè)月發(fā)生的故障總件數(shù)150件，占比達(dá)到53%。故障的發(fā)生表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性特點(diǎn)，即冬季時(shí)故障率較高。

圖4 CCU失效故障（按月統(tǒng)計(jì)）

3.4 故障分布規(guī)律總結(jié)

因電磁干擾引起的CCU失效故障表現(xiàn)出較為明顯的規(guī)律性，一是有明顯的地域分布規(guī)律，北方局故障率高于南方局；二是CRH380BG高寒動(dòng)車組高于其他車型；三是冬季故障率高于其他季節(jié)。

4 電磁干擾因素分析

4.1 動(dòng)車組內(nèi)部干擾因素

動(dòng)車組的CCU是敏感元器件，容易受到動(dòng)車組內(nèi)部其他部件的電磁干擾。由于干擾源隨著距離的增加而減少，故動(dòng)車組內(nèi)部能夠影響CCU正常工作的干擾源主要來自與CCU距離較近的司機(jī)室設(shè)備，從歷史故障統(tǒng)計(jì)情況看，距離CCU較近的雨刷器和頭燈是2個(gè)典型引起CCU故障的干擾源。

（1）由雨刷器引起電磁干擾的原因?yàn)橛晁㈦姍C(jī)電源與CCU電源使用同一匯流排，雨刷器電機(jī)碳刷及清潔換向器在長期工作中的接觸不良會(huì)產(chǎn)生打火現(xiàn)象，形成浪涌耦合到CCU供電電路中，對CCU電源形成共模干擾。

（2）由頭燈電源引起電磁干擾的原因?yàn)閯?dòng)車組氙氣大燈的24 V母線經(jīng)過CCU箱體內(nèi)部，在氙氣大燈氣動(dòng)過程中伴隨著高電壓，容易形成線路的干擾，耦合到CCU的電氣回路中形成干擾，造成CCU失效故障。

（3）其他設(shè)備引起的電磁干擾，如主斷路器、牽引變流器等大功率器件開閉。

4.2 外部環(huán)境干擾因素

電氣化鐵路供電系統(tǒng)由接觸網(wǎng)、軌道交通車輛牽引主電路、軌道和變電所形成一個(gè)整的回路并在主電路產(chǎn)生一個(gè)很大的諧波電流，并且隨著牽引功率的增大，干擾越大，尤其在冬季接觸網(wǎng)覆冰后造成弓網(wǎng)離線及鋼軌覆冰導(dǎo)致輪軌接觸不良時(shí)，這種干擾可能超過車內(nèi)敏感設(shè)備的承受能力。

（1）接觸網(wǎng)受流不穩(wěn)。冬季接觸網(wǎng)覆冰會(huì)加劇動(dòng)車組弓網(wǎng)接觸不良。正常情況下，受電弓與接觸網(wǎng)良好接觸并獲取電流，當(dāng)兩者由于各種因素做分離運(yùn)動(dòng)時(shí)，接觸面積急劇減小，接觸點(diǎn)處的電流密度增大，同時(shí)由于接觸面剛分離時(shí)產(chǎn)生的間隙非常小，電場強(qiáng)度很大，在達(dá)到一定條件后，空氣發(fā)生擊穿，從而引起氣體放電形成電弧。動(dòng)車組運(yùn)行速度提升時(shí)，弓網(wǎng)耦合振動(dòng)加劇，弓網(wǎng)離線產(chǎn)生的電磁輻射更加劇烈，會(huì)對CCU造成干擾。受電弓離線電弧在動(dòng)車周圍產(chǎn)生了較強(qiáng)的電磁場輻射。在動(dòng)車頂面邊沿位置由于感應(yīng)電荷密度較大，電場與磁場強(qiáng)度也相對較大。由車頂向下，隨著距車頂距離的增加，橫截面上的場強(qiáng)總體上逐漸減小。動(dòng)車組運(yùn)行在接觸網(wǎng)受流不穩(wěn)的線路上，產(chǎn)生的電磁干擾不僅對自身電氣設(shè)備的正常工作產(chǎn)生影響，在2列動(dòng)車組交匯時(shí)因線路條件相似可能都存在接觸網(wǎng)網(wǎng)流不穩(wěn)，電磁干擾會(huì)相互影響，產(chǎn)生疊加效果干擾更明顯。

（2）軌道回流不暢。動(dòng)車組在冬季運(yùn)行，容易發(fā)生鋼軌附著冰雪，動(dòng)車組經(jīng)過時(shí)如同鋼軌上存有絕緣點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致車輪和鋼軌接觸不良，發(fā)生燃弧放電現(xiàn)象，一旦發(fā)生放電現(xiàn)象，可類比車組和軌道之間存在一個(gè)由放電電流I和擊穿后的冰雪R組成的一個(gè)電動(dòng)勢ε=I×R，該電動(dòng)勢將改變車體對地電勢差。車體作為所有系統(tǒng)（高壓AC25kV、中壓AC380V、低壓DC110V和信號DC5V） 的共用地，車體電勢的改變將影響車上各系統(tǒng)的接地點(diǎn)電壓。另外，隨著列車速度增加，車輪和軌道的耦合加劇，輪軌之間產(chǎn)生的放電燃弧也會(huì)形成電磁輻射，影響車上敏感電氣元件工作。

5 電磁抗擾度性能分析

為了驗(yàn)證電磁干擾對CCU功能失效的影響，搭建試驗(yàn)平臺開展測試，對濾波板卡進(jìn)行外觀及參數(shù)靜態(tài)對比測試、電快速瞬變脈沖群試驗(yàn)、浪涌抗擾度試驗(yàn)、接地異常時(shí)抗干擾模擬試驗(yàn)，并對其測試數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測分析。

5.1 外觀及參數(shù)靜態(tài)測試

選取發(fā)生CCU失效故障的濾波板卡及相同版本型號的新舊板卡進(jìn)行外觀狀態(tài)對比。如圖5所示，從左到右依次為舊板卡、故障板卡、全新板卡。其中故障板卡整體發(fā)黃，說明其使用時(shí)間最長。

圖5 板卡外觀狀態(tài)對比

利用數(shù)字電橋和數(shù)字萬用表，對3塊濾波板上元器件性能參數(shù)及重要元器件進(jìn)行對比測試，除Y電容和差模電感外，其他元器件的參數(shù)在線測量結(jié)果無明顯差異。

本研究對4個(gè)Y電容進(jìn)行了容值、D值（損耗角正切值）、Q值（品質(zhì)因數(shù)）的測量，其中編號為C103的Y電容檢測結(jié)果如表2所示，其他3個(gè)Y電容檢測結(jié)果情況類似。根據(jù)測試數(shù)據(jù)可知，故障板卡的容值、D值、Q值性能均低于其他2塊板卡。

表2 Y電容（C103）檢測結(jié)果 nF

本研究對差模電感進(jìn)行了電感值（L）的測量。如表3所示，在主要參考頻率1 000 Hz下，故障板卡的電感值明顯低于新板卡與舊板卡，說明故障板卡差模電感的差模抑制性能出現(xiàn)顯著下降。

表3 差模電感檢測結(jié)果 mH

5.2 電快速瞬變脈沖群試驗(yàn)

動(dòng)車組在過分相、前照燈開啟、雨刮器啟動(dòng)等工況時(shí)，CCU 110V供電存在形似電快速瞬變脈沖群（EFT）的脈沖干擾，因此對濾波板卡進(jìn)行EFT抗擾度試驗(yàn)。將待測試的濾波板卡安裝于CCU機(jī)箱中，并在其DC110V輸入端中耦合高頻脈沖信號，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參照GB/T 24338.4-2018 《軌道交通電磁兼容 第3-2部分：機(jī)車車輛設(shè)備》和GB/T 17626.4-2018《電磁兼容試驗(yàn)和測量技術(shù)電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)》進(jìn)行設(shè)置。測試過程中CCU工作狀態(tài)良好，無鎖閉或宕機(jī)等情況，取輸入輸出的多脈沖周期平均幅值并計(jì)算其濾波性能，檢測結(jié)果如表4所示。

表4 電快速瞬變脈沖群試驗(yàn)結(jié)果

在EFT抗擾度測試中，新板卡表現(xiàn)穩(wěn)定，1 kV～4 kV干擾等級濾波百分比在81%左右浮動(dòng)。故障板卡表現(xiàn)最差，在1 kV等級下相較于新板卡存在31.5%的濾波性能衰減，4 kV等級下存在 17.7%的性能衰減，2 kV和3 kV等級性能衰減相對較小10%左右。

5.3 浪涌抗擾度試驗(yàn)

浪涌等級最高施加到1 kV，耦合方式為L-PE（正線-地）及N-PE（負(fù)線-地），試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，0.5 kV（1級干擾）時(shí)，3張板卡的抗浪涌性能無明顯差異；1 kV（2級干擾）時(shí)，故障板卡與舊板卡正負(fù)線震蕩幅度為87～89 V，明顯高于新板卡的67 V，說明新板卡抗浪涌干擾性能優(yōu)于故障板卡和舊板卡。另外，故障板卡在1 kV（2級干擾）時(shí)中心電壓偏離標(biāo)準(zhǔn)地3 V左右，大于舊板卡與新板卡的2 V偏差，抗共模干擾能力相對較弱。

表5 浪涌抗擾度試驗(yàn)結(jié)果 V

5.4 接地異常模擬試驗(yàn)

動(dòng)車組CCU、人機(jī)交互界面（HMI）等電氣部件內(nèi)的數(shù)字地、模擬地、電源地、機(jī)殼地都是與車體直接連通的，當(dāng)動(dòng)車組接地回流不暢時(shí)，會(huì)直接影響電氣部件工作性能。本文第3章節(jié)已經(jīng)說明動(dòng)車組在北方冬季時(shí)表現(xiàn)出明顯性能劣化規(guī)律，為驗(yàn)證其性能退化是否由于冰雪天氣導(dǎo)致軌道接地回流不暢，進(jìn)行了接地異常模擬試驗(yàn)。

濾波板卡地線通過螺栓與面板相連，并通過面板與機(jī)殼地連接，同時(shí)通過拆除面板更換為線夾的方式來增加接地電阻并降低其接地可靠性。通過1 kV到3 kV的EFT抗擾度試驗(yàn)來測試板卡濾波性能。在接地可靠和接地異常2種工況下，對故障板卡、舊板卡和新板卡輸出的幅值脈沖電壓進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（取多脈沖周期平均幅值），具體數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 EFT抗擾度試驗(yàn)數(shù)據(jù) V

對比接地可靠和接地異常的數(shù)據(jù)，3張板卡在接地異常時(shí)對比各自接地良好的情況存在較大的性能劣化，接地異常后濾波性能顯著下降，脈沖幅值成倍提升。新板卡的劣化程度相對較小僅有8.6%～17.4%，故障板卡表現(xiàn)最差，在2 kV與3 kV等級性能劣化高達(dá)96.8%～99.4%，可以視為基本失去濾波功能。

5.5 測試及試驗(yàn)結(jié)果分析

通過3張濾波板卡（故障板卡、舊板卡、全新板卡）上的各電器元件參數(shù)測量及相關(guān)性能試驗(yàn)對比，可以得出以下結(jié)論。

（1）濾波板卡隨著使用時(shí)間的延長，其Y電容及差模電感等元器件性能逐步衰減，其中Y電容主要作用為抑制共模干擾，差模電感主要作用為抑制差模干擾，因此板卡濾波性能呈逐漸下降趨勢。

（2）濾波板卡良好接地時(shí)，脈沖幅值濾除能力依次為新板卡、舊板卡、故障板卡。濾波板卡接地異常時(shí)，無論是故障板卡、舊板卡，還是新板卡，濾波性能與接地正常時(shí)相比出現(xiàn)明顯劣化，特別是故障板卡在2 kV、3 kV等級下基本失去濾波功能。

6 建議和措施

綜合上述分析，本文從CCU濾波板卡高級修及板卡性能升級等方面提出以下建議。

（1）動(dòng)車組高級修規(guī)程對于CCU板卡的檢修規(guī)定：三級修不下車檢修，僅做外觀檢查和功能測試；四級修增加了CCU電池更換；五級修增加冷卻風(fēng)扇更換及整機(jī)性能測試（包括導(dǎo)通絕緣耐壓測試和板卡的功能測試）。本次選取進(jìn)行試驗(yàn)的故障板卡使用時(shí)間為7年，走行里程約383萬km，還未進(jìn)入五級修。因此，建議三級修時(shí)增加對濾波板卡的在線測試，選一定數(shù)量板卡進(jìn)行檢測，摸索規(guī)律，建立檢測標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，其中濾波板卡需要測試其濾波電容的容值，并對其進(jìn)行浪涌抗擾度和EFT抗擾度試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)一步研究四級修時(shí)更新濾波板卡的必要性。

（2）對于共模干擾，濾波板卡僅有Y電容進(jìn)行過濾；對于差模干擾，僅有差模電感進(jìn)行過濾；對于浪涌電壓，僅有一個(gè)TVS進(jìn)行抑制。對于不同的電磁干擾形式，濾波板卡的濾波手段都比較單一，這也是CCU容易受到電磁干擾的一個(gè)重要因素。因此，建議對濾波板卡進(jìn)行適當(dāng)?shù)纳壐脑欤岣咂錇V波性能，如增加以壓敏電阻和氣體放電管構(gòu)成的浪涌吸收電路作為第一級吸收電路，并增加第二級浪涌吸收電路，由差模電感、線間壓敏電阻和共模電感組成，進(jìn)一步抑制共模干擾和差模干擾；加大支撐電容，抑制DC110V電源電壓的突降或暫斷，降低電源的紋波電壓，提高電源供電的穩(wěn)定性。

7 結(jié)束語

本文針對動(dòng)車組CCU受到電磁干擾后失效的故障，通過對故障原理的研究，提出了在高級修及源頭設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的建議措施，可以有效提升CCU抗電磁干擾能力，大幅降低CCU故障率，為動(dòng)車組運(yùn)行安全提供有力保障。