动车组拖车空调压缩机过流故障分析与解决

胡亮，易如方，李顺，陈湘

（1.中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001； 2.株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412001）

随着普速铁路160 km/h动力集中动车组[1]（以下简称：动集）的批量上线，凭借其经济合理、乘坐舒适、技术先进和运用灵活等特点，动集深受广大旅客的好评. 动车组拖车空调采用的是25G型客车的空调机组. 该空调机组广泛安装于25G客车上，是普速铁路空调旅客列车的主要设备. 自2019年CR200J-2008动车组投入现场运用以来，该列动车组多次在运行过程中出现拖车空调压缩机过流故障，该故障频繁发生导致部分拖车的空调制冷停机，在气候炎热地区空调制冷故障不仅影响旅客乘车舒适性，甚至危害旅客生命安全，因此该问题亟需解决.

针对空调机组发生的故障，我国技术人员进行了大量的研究. 据统计，空调机组故障主要有制冷系统泄露故障、空调机组不制冷故障、制冷不良故障、风机故障和接插件故障等. 文献[2-6]主要解决了空调机组不制冷、制冷效果差、制冷不良等故障. 文献[7-10]主要解决了空调机组压缩机故障等问题. 文献[11-13]主要解决了空调电气系统故障等问题. 文献[14-15]主要对城轨车辆空调故障进行了分析. 文献[16]主要解决了DC 600V供电客车空调机组主电源加装漏电保护断路器后频繁出现意外分断的问题. 但是以上的研究均针对空调机组及其相关电气线路的故障情况，并未对空调制冷过流误报警问题进行研究和分析.

本文从铁路客车空调机组原理入手，对客车逆变电源输出特性进行理论研究，重点分析了动集拖车空调过流故障，经过研究对比和现场测试，找到故障的主要原因，并提出解决方案.

1 存在问题

动集拖车采用了原25G型客车，该客车在进行普速干线客运牵引时存在客车空调制冷工况下压缩机过流的惯性故障. 处理该类故障时，一般是更换拖车压缩机相应的自动开关、接触器或者车厢控制PLC后，基本能消除压缩机过流故障；如果某节车厢仍频繁发生该问题，由于“机车+客车”牵引模式的易编组性，可采用更换车厢的方式，最终也可以解决该问题.

2020年5月现场运用单位反馈CR200J-2008动车组自投入运行以来，拖车频繁报拖车空调压缩机过流故障. 该故障与以往同类故障相比，虽然故障现象一样，但采用以往的解决方法均无法有效的彻底解决该问题. 经现场进一步分析，发现该故障与以往类似空调压缩机过流故障相比，主要有3个不同点：1）频繁报故障的车组为1、3、5、7（都为奇数）；2）发生故障时刻基本均为动车组过分相断电时；3）过分相后列车供电（简称：列供）DC 600 V电压二路电压下降趋势快于一路.

2 基本原理

2.1 空调供电原理

拖车供电装置由车端连接器、列供干线、电气综合控制柜、变流器、空调控制柜等组成. 拖车空调供电原理图见图1. 动力车提供的2路DC 600 V电源通过车端连接器引入电气综合控制柜，通过逆变将DC 600 V变换成三相380 V、50 Hz交流电，通过空调控制柜向空调机组供电.

图1 拖车空调供电原理图

拖车空调机组每台空调配置两个独立制冷系统. 压缩机将制冷剂压缩成高温高压的蒸气进入风冷冷凝器，经外界空气的强制冷却，冷凝成常温高压的液体，进入毛细管降压，变成低温低压的气液混合冷媒，然后进入蒸发器，吸收流过蒸发器的空气的热量，蒸发成低温低压的蒸气，最后进入气液分离器，被压缩机吸入，完成一个制冷循环. 压缩机不断工作，达到连续制冷的效果.

2.2 压缩机保护原理

1）过载、过流保护

拖车电气综合控制柜是集供电电源转换控制、空调机组控制、应急电源控制、照明控制、列车网络监控等功能单元一体的综合控制柜，它对空调机组压缩机进行过载保护和过流保护. 正常运行时，综合控制柜内的可编程逻辑控制器主机（简称PLC主机）通过电流传感器实时采集、检测压缩机的三相工作电流，当测得压缩机线电流为设定值的1.5倍并持续1 min，将对压缩机进行过载保护；当测得压缩机线电流为设定值的2倍并持续2 s，将对压缩机进行过流保护.

2）过流原理

动力车列供装置检测到无网压后，立即封锁四象限整流器的脉冲，其直流电压随着负载的消耗而缓慢下降. 直流电压与输出电压满足：

其中uab表示三相输出线电压有效值，Ma表示调制度，Ud表示直流电压.

拖车逆变电源要求电压谐波含量不大于5%，为了降低逆变电源的低通滤波器的尺寸以及重量，拖车逆变器的调制度限制在线性工作区内，即aM的取值范围为0～0.707.

当逆变电源的直流电压随着负载的消耗而逐渐降低后，如三相逆变器封锁不及时，将出现三相输出线电压逐渐降低的现象，此时三相逆变器的控制系统控制其频率输出仍然设定为50 Hz，即输出频率保持不变，而输出线电压下降. 三相异步电机的转矩与输入电压的关系如下：

其中，T表示转矩，m表示定子相数，p表示极对数，1U表示输入电压，2R′表示折算到定子端的转子绕组电阻，s表示转差率，1f表示同步转速，1R表示定子绕组电阻，1Xσ表示定子绕组漏电抗，2Xσ′表示折算到定子端的转子绕组漏电抗，1σ表示校正系数.

从式（2）可以看出转矩与电源电压的平方成正比，假设正常输入电压时负载转矩为1T，由于输入电压下降使电磁转矩T下降很多，由于此时负载转矩不变，所以T小于1T的平衡关系受到破坏，导致电动机转速的下降，即转差率s增大；它又引起转子电压平衡的变化，使转子电流增大，转子电流增大也就是造成定子电流随之增大，导致了此时的空调压缩机瞬时输入峰值过流.

由于空调压缩机输入峰值过流存在的时间很短，不足以达到PLC主机引发过流保护的条件，因此空调压缩机正常关断情况下，不会引起PLC主机发出过流信号，引发空调压缩机过流保护.

3 原因分析

发生故障以后，对拖车进行初步的故障排查工作. 通过对空调压缩机电流进行跟踪记录发现，空调压缩机在工作时电流正常，不存在瞬间电流过大的情况. 但在过分相断电时，空调压缩机存在瞬间冲击电流过大的情况. 经过进一步测试发现，电流瞬间冲击时间维持在20~40 ms，不足以导致触发空调制冷过流故障. 除了空调机组本身故障外，空调过流还与拖车主要设备（包括拖车综合柜内自动开关、继电器、PLC控制器和网络模块等设备）、动力车供电装置等有关，需逐一排查.

3.1 配置情况

经过普查，在现场运行的动车组中，除CR200J- 2008动车组频繁报空调过流故障外，其他同一区间的动车组未频繁报警，因此对CR200J-2008动车组拖车进行分析，拖车设备配置情况见表1.

动集采用的是我国普遍运用的DC 600 V列供系统[17-19]，动车组1/3/5/7车厢为列供一路供电，动车组2/4/6/8车厢为列供二路供电. 由表1可知，拖车车下电源逆变器有两个供应商，其中列供一路供电回路中有一个车厢是供应商B提供的逆变器，列供二路供电回路中均为同一供应商A提供的逆变器，初步判断可能是逆变器供应商配置差异导致故障.

表1 拖车主要设备配置情况

3.2 数据分析

经过对动车组3、5车厢空调故障记录的列供网络数据进行分析发现：

1）空调过流故障报出时，列供二路输出电压小于DC 200 V，输出电流基本为0A；

2）过分相后，一、二路列供电压下降趋势不同，二路电压下降趋势快于一路电压，过分相时列供停止输出的时间段内，电压的下降不一致，是由列供装置输出特性和后端负载的配置共同导致的；

3）故障履历列表显示：动力车运行正常，无故障报警.

3.3 列供测试

为了验证是否为动力车列供电源侧导致故障问题，对列供电源进行了电源特性测试、空载列供输出电压测试、轻载列供输出电压测试和满载列供输出电压测试.

电源特性测试和空载列供输出电压测试结果表明动力车列供装置状态并无异常. 但在轻载和重载列供输出电压测试（投入拖车负载试验）时，发现列供一、二路输出电压下降趋势不一致. 投入1～8车厢，关闭所有用电负载. 然后在该工况下进行模拟过分相试验，试验结果如图2.

图2 满载试验列供一、二路电压下降趋势记录波形

经过分析发现列供过分相时断开列供时间段电压下降的波形不一致与后端用电负载的配置有关，还需对拖车相关负载设备进行深入测试.

3.4 逆变器试验

由于拖车逆变器采用了两个供应商（A和B）提供的产品，因此分别选择01、03两个车厢进行过分相后的断电测试对比. 图3为部件供应商A和B的逆变器在过分相断电后的波形图.

图3 车厢逆变电源过分相断电测试

从图2可以看出，不同供应商提供的逆变电源过分相后关断时间点存在差异. 部件供应商A的逆变电源直流电压在100 ms时降低到DC 400 V以下，并且在停止输出的过程中触发了峰值过流故障；而部件供应商B的逆变电源直流电压在400 ms时降低到DC 400 V以下，其输出电流缓慢下降，停机的过程中未触发输出峰值过流故障.

3.5 PLC分析

正常供电后，PLC通过电流传感器实时采集压缩机电流，电流传感器互感压缩机电流按斜率转变为DC 0~10 V电压，PLC采集0~10 V电压转化为实时电流. PLC实时判断采集的压缩机电流，当压缩机电流高于设定值2倍后开始计时，高于2倍设定值持续2 s，触摸屏报制冷过流故障.

过分相时，由于动力车列供系统要停止DC 600 V供电，拖车DC 600 V设备也要停止工作. 动车组是否在过分相，需要拖车PLC主机检测和比较两路列供母线电压来判断，具体逻辑为：当两路母线电压均低于DC 400 V时，PLC判断动车组此时处于过分相断电状态，切断拖车逆变器、空调等设备的电源. 如果当两路母线的任一路母线电压低于DC 400 V、而另一路母线电压高于DC 400 V，PLC不能判断是否为过分相状态，重复检测.

对拖车记录的数据进行分析，发现PLC检测到的过电流是过分相后列供断开输出的时间段内产生的，但由于列供一、二路断开后短时内电压下降不一致（具体表现为车辆列供母线电压一路高于DC 400 V、另一路低于DC 400 V），此时PLC检测到的峰值过流后自身判断非过分相，PLC将峰值过流故障进行了锁存，当延时重复持续到2 s，触发空调过电流报警逻辑.

4 解决方案

经过以上分析可以看出，拖车空调回路检测到过峰值过流，但过流持续时间较短且未超过2 s，与其设定的故障判断逻辑不符，因此该故障属于误报警. 由于动车组过分相后，受拖车负载断电后直流电压下降特性差异的影响，列车两路DC 600 V母线上电压下降速度不一致，而PLC过分相逻辑判断母线电压下降不一致存在延时等待问题，最终导致过流故障锁定后PLC发出空调过流的误报警. 解决方法可以从解决母线电压下降不一致和PLC逻辑判断延时等待两个方面入手.

方案一是在一、二路列供回路中均安装供应商D的拖车逆变器，因逆变器断电后电压下降特性基本相同，在拖车过分相后，DC 600 V一、二路列供回路电压下降时间基本一致，PLC过分相后的逻辑判断可以避免延时等待，达到过分相后防止空调过流误报警的目的.

方案二是对PLC检测过分相的逻辑进行修改，在PLC检测到DC 600 V一、二路列供回路电压下降时间不一致后，对延时等待的逻辑进行优化，防止PLC检测到一路过流后锁定该故障信息，达到消除误报警故障的目的.

5 建议与探讨

经过现场试验验证，两种方案都能有效解决CR200J-2008动车组空调过流报警问题. 由于25G客车属于成熟定型产品，更改PLC逻辑涉及到很多方面程序，难度较大，因此实施方案主要以方案一为主. 此外，建议动车组制造商在动车组出厂前充分考虑拖车逆变器由于供应商不同导致特性的差异，进行选择性的编组，确保动集运行正常.