复兴号CR200J型动车组空调过流故障原因分析及整改建议

2022-10-31赵志春

铁道车辆 2022年5期

赵志春

(中国铁路济南局集团有限公司济南车辆段，山东济南 250000)

复兴号CR200J型动力集中动车组供电方式采用DC 600 V制式，经过拖车、控制车的车下逆变器为车上交流负载供电。对于空调系统电气回路，可编程逻辑控制器(PLC)实时采集回路电流，当工作电流超过保护值且持续一定时间后，PLC切断空调供电接触器，实现对空调负载的保护。复兴号CR200J型动车组自上线以来，其电气系统运用效果良好，但在实际运用过程中，单车偶发空调过流故障，导致空调停机，降低乘客舒适度，影响动车组正常运行。

本文从空调负载电流特性、车下逆变器输出特性、动车DC 600 V列供电源输出特性以及PLC空调保护机制等方面，对故障原因进行理论分析和试验验证，并提出整改建议。

1 空调电流检测原理

图1为CR200J型动车组列车供电拓扑图，动车为拖车和控制车提供DC 600 V电源，车下逆变器将DC 600 V电源转换成AC 380 V电源给空调等负载供电。拖车和控制车综合控制柜内设PLC以及电流传感器等，用于空调负载的供电、配电控制以及运行参数监控[1]。

拖车和控制车的空调电流检测原理如图2所示。根据基尔霍夫电流定律，当空调不工作时，IU=IV=IW=0，此时流过各传感器的电流为0，传感器输出为0；当空调工作时，IU≠0，IV≠0，IW≠0，流过各传感器的电流不为0，此时PLC实时采集传感器输出的空调工作电流[2]。空调制冷运行时，IU、IV、IW值变大，当三者的最大值超过过流保护值(额定电流的2倍)并持续2 s时，PLC切断空调供电接触器并发出空调过流故障信号，实现对空调的保护[3]。

I.电流。

C.电容；3AC.三相交流电；U、V、W.三相交流电的U相、V相、W相；KM.三相交流接触器；M.交流电机。

2 典型故障及原因分析

CR200J型动车组拖车和控制车车下逆变器分别由A厂家、B厂家2个制造商提供，其中3车车下逆变器由B厂家提供，其余7辆车车下逆变器由A厂家提供。

2.1 故障现象

动车组夏季正线运行时，如果过分相断电，车号为奇数的拖车或控制车(1、3、5、7车)偶报空调过流故障，此时单车触摸屏记录的故障历史如图3所示。空调过流故障时电气综合控制柜PLC切断AC 380 V空调电源，此时单车触摸屏记录故障发生时的数据显示界面如图4所示。

图3 单车空调过流故障历史界面

图4 单车空调过流故障发生时的数据显示界面

结合分析图3图4所示的铁路局故障信息记录，空调制冷过流故障主要表现为：

(1) 空调过流故障绝大部分发生在1、3、5、7车；

(2) 空调过流故障发生在进入分相列供封锁IGBT模块的输出之后；

(3) 过分相时列供DC 600 V无输出，车号为偶数的拖车或控制车(2、4、6、8车)的Ⅰ路、Ⅱ路列供电压下降趋势不同，1、3、5、7车的Ⅱ路电压下降趋势快于2、4、6、8车的Ⅰ路电压。

2.2 原因分析

2.2.1 空调电流测试

以1车和3车为例模拟过分相，利用示波器测试1车、3车空调电流波，测试结果分别见图5(a)、图5(b)中的通道3。测试结果可以看出，在过分相车下，电源欠压保护断电时存在瞬间冲击电流，1车最大冲击电流为67.2 A，3车最大冲击电流为68.8 A，维持时间均小于2 s，不足以触发空调过流故障，因此基本可以排除空调机组本身故障导致空调过流故障。

2.2.2 车下逆变器输入输出测试

对1车和3车模拟过分相进行测试，测试结果显示，在DC 600 V列供电源断电后，1车逆变器在检测到输入电压小于DC 500 V时延时150 ms触发欠压保护，PLC切断输出接触器，波形图如图5(a)所示；3车逆变器在检测到输入电压小于DC 500 V时延时1 s触发欠压保护[4]，PLC切断输出接触器，波形图如图5(b)所示。可见，切断输出接触器时2车在均有冲击电流产生，虽然该延时断电逻辑有差异，但均满足GB/T 32587—2016《旅客列车DC 600 V供电系统》第5.4.2.1条要求。

通道1.列供电源输出电压；通道2.逆变器输出电压；通道3.空调负载电流；通道4.U相电流传感器的输出电压。图5 1车和3车车下逆变器输入输出特性曲线界面

2.2.3 动车DC 600 V电源输出特性测试

模拟过分相，分别测试动车空载和带负载工况下DC 600 V电源的输出电压，分析其下降趋势[5-6]。断开动车与1车DC 600 V的电连接进行模拟过分相试验，试验结果显示，过分相后的两路DC 600 V电压下降趋势一致，符合要求。过分相空载列供电压波形图如图6所示。

在所有车空调半冷工况下模拟过分相，列供Ⅰ路输出电压在DC 600 V～DC 500 V之间下降趋势较快，低于DC 500 V后下降趋势较平缓；列供Ⅱ路输出电压下降趋势很快，从DC 600 V下降到0所经历的时间约为1 s。可见，Ⅰ路、Ⅱ路输出电压下降趋势不一致[7]。过分相带负载列供电压波形图如图7所示。

图6 过分相空载列供电压下降趋势界面

图7 过分相带负载列供电压下降趋势

动车DC 600 V供电装置输出电压不一致情况发生在列供封锁IGBT模块的输出之后，此时列车DC 600 V供电装置无法使输出电压保持稳定。因动车无电能释放装置，DC 600 V支撑电容的电能需要借助拖车负载进行释放。分析认为，DC 600 V压降不一致，与不同厂家逆变器的输出接触器关断时间不一致有一定关系，导致2个DC 600 V模块的支撑电容C放电速率不同。

2.2.4 PLC空调保护逻辑测试

当PLC检测到任意一相电流大于保护值(额定电流的2倍)且持续2 s时，PLC切断空调供电接触器，并报空调过流故障。在当前供电回路电压大于DC 400 V时，PLC实时监测空调电流；在两路列供模块电压都小于DC 400 V时，判断为过分相，对空调电流数据强制清零。在列供Ⅱ路的IGBT模块封锁后，列供压降过程中PLC采集到空调电流波动值且大于保护值。但由于两路DC 600 V电源电压下降趋势不一致，Ⅱ路压降较快，在Ⅱ路电压低于DC 400 V时，由Ⅱ路供电的拖车及控制车车下逆变器停止工作，PLC中保留列供电压高于400 V时的电流波动值。由于Ⅰ路DC 600 V电源压降较慢，降至DC 400 V的压降时间大于2 s，因此在两路电压都低于DC 400 V之前，即空调电流强制清零之前，Ⅱ路DC 600 V电源供电的拖车及控制车(1、3、5、7车)容易发生空调过流故障条件，从而触发故障[8-9]。

3 试验验证

综上所述，在列供电源输出、车下逆变器状态、PLC判断逻辑、空调运行均正常且均符合相关标准和统图等技术要求的情况下，CR200J型动车组部分车辆报空调制冷过流故障的原因是供配电系统及空调控制保护系统的匹配性问题。为了验证该结论的正确性，将该动车组3车车下逆变器(A厂家)与其他动车组的车下逆变器(B厂家)对调，并上线试运营，结果PLC未误报空调过流故障[10]。