高速动车组中央控制单元抗电磁干扰能力研究分析

2023-09-21周月忠傅双波王永刚

现代城市轨道交通 2023年9期

周月忠，傅双波，王永刚，张华

（中国铁路上海局集团有限公司，上海 200071）

1 引言

中央控制单元（以下简称“CCU”）是高速动车组网络控制系统核心部件之一，可以实现列车重要设备的管理、运行信息的采集、运行状态的监视和故障诊断等功能。按照当前的保护策略，偶发的主CCU停机故障会引发主断路器自动断开，从而影响高速列车运营秩序。CCU机箱内共装有13块板卡，相当于13个功能模块，其主要板卡为网关板卡、CPU板卡、通信板卡、电源板卡、滤波板卡，其中滤波板卡主要用于保护CCU，防止不可接受的高电压干扰与跨接短时间的过渡电压负荷。据统计，从2016年1月至2022年3月期间全路累计发生CCU失效故障669件，其中由电磁干扰造成的故障共计291件，占比高达43%。本文将对CCU及其滤波板卡的结构原理、故障分布进行分析，并通过实验室测试CCU的抗电磁干扰能力，从而提出改进建议和措施。

2 CCU 结构原理

2.1 主动切换原理

每列动车组每个牵引单元有2个CCU，分别为主CCU和从CCU。正常情况下2个CCU都处于热启动状态，但只有主CCU上的网关参与列车总线（WTB）和车辆总线（MVB）的通信，而从CCU上的网关此时不被激活也不参与通信。列车每次断开蓄电池或复位CCU空开都会触发一次CCU的主从切换，另外，主CCU失效也会触发一次主从切换。

2.2 滤波原理

CCU 滤波板卡（G103）主要作用为滤除部分线与线之间的差模干扰、线与地之间的共模干扰，吸收部分正负线之间的浪涌能量，将电源线中的尖峰脉冲幅度降低，转化为平坦波形输出。滤波板卡上的主要元器件包括差模电感、瞬态电压抑制二极管（TVS）、储能电容、泄放电阻以及4个Y电容。

如图1所示，L100为滤波扼流圈（差模电感），用于抑制CCU母线上通过传导和辐射出的差模干扰；V100为TVS，用于吸收浪涌等瞬时冲击； C102为储能电容，用于抑制CCU母线电源电压的突降或暂断，降低电源的纹波电压，提高电源供电的稳定性；R101为与C102配套的泄放电阻；C103-C106为4个Y电容，从输出端分别对地并接，对共模干扰起旁路作用。

图1 滤波板卡电路图

2.3 故障现象

CCU收到电磁干扰后可能会发生失效，故障按照发生在主控端还是非主控端、单个CCU失效还是2个CCU同时失效表现出不同的故障现象，具体如表1所示。

表1 CCU失效故障现象

3 CCU 故障分析

CCU属于敏感器件，易受到外部电磁干扰。干扰源可能来自于外部环境，也可能来自于动车组内部设备。电磁干扰达到一定程度后会触发CCU板卡看门狗程序，使CCU进入监控模式，不再对列车实施控制并报出故障代码。本研究根据动车组管理信息系统（EMIS）中的故障统计数据，从车型差异、配属局差异、年份及季节差异等维度对因电磁干扰造成的CRH380B 及CRH380C平台动车组291件CCU失效故障进行分析。

3.1 按车型统计

如图2所示，CRH380B型动车组发生故障116件，百万公里故障率为0.09；CRH380BG型动车组发生故障100件，百万公里故障率为0.17；CRH380BL型动车组发生故障47件，百万公里故障率为0.1；CRH3C型动车组发生故障28件，百万公里故障率为0.1。从百万公里故障率统计看，CRH380BG高寒动车组故障率较其他车型高。

图2 CCU失效故障（按车型统计）

3.2 按配属局统计

对配属局CCU发生故障件数和百万公里故障率进行统计。如图3所示，发生故障件数最多的为沈阳局（68件），其次为上海局（64件）。按百万公里故障率由高到低依次为哈尔滨局（0.19）、沈阳局（0.18）、兰州局（0.17）、西安局（0.17）。总体而言，CCU百万公里故障率与地域有一定的关联性，地处北方铁路局故障率高于南方或华中地区铁路局。

图3 CCU失效故障（按配属局统计）

3.3 按发生日期统计

如图4所示，故障率最高的为1月份，其次为3月、12月及2月，这4个月发生的故障总件数150件，占比达到53%。故障的发生表现出明显的季节性特点，即冬季时故障率较高。

图4 CCU失效故障（按月统计）

3.4 故障分布规律总结

因电磁干扰引起的CCU失效故障表现出较为明显的规律性，一是有明显的地域分布规律，北方局故障率高于南方局；二是CRH380BG高寒动车组高于其他车型；三是冬季故障率高于其他季节。

4 电磁干扰因素分析

4.1 动车组内部干扰因素

动车组的CCU是敏感元器件，容易受到动车组内部其他部件的电磁干扰。由于干扰源随着距离的增加而减少，故动车组内部能够影响CCU正常工作的干扰源主要来自与CCU距离较近的司机室设备，从历史故障统计情况看，距离CCU较近的雨刷器和头灯是2个典型引起CCU故障的干扰源。

（1）由雨刷器引起电磁干扰的原因为雨刷电机电源与CCU电源使用同一汇流排，雨刷器电机碳刷及清洁换向器在长期工作中的接触不良会产生打火现象，形成浪涌耦合到CCU供电电路中，对CCU电源形成共模干扰。

（2）由头灯电源引起电磁干扰的原因为动车组氙气大灯的24 V母线经过CCU箱体内部，在氙气大灯气动过程中伴随着高电压，容易形成线路的干扰，耦合到CCU的电气回路中形成干扰，造成CCU失效故障。

（3）其他设备引起的电磁干扰，如主断路器、牵引变流器等大功率器件开闭。

4.2 外部环境干扰因素

电气化铁路供电系统由接触网、轨道交通车辆牵引主电路、轨道和变电所形成一个整的回路并在主电路产生一个很大的谐波电流，并且随着牵引功率的增大，干扰越大，尤其在冬季接触网覆冰后造成弓网离线及钢轨覆冰导致轮轨接触不良时，这种干扰可能超过车内敏感设备的承受能力。

（1）接触网受流不稳。冬季接触网覆冰会加剧动车组弓网接触不良。正常情况下，受电弓与接触网良好接触并获取电流，当两者由于各种因素做分离运动时，接触面积急剧减小，接触点处的电流密度增大，同时由于接触面刚分离时产生的间隙非常小，电场强度很大，在达到一定条件后，空气发生击穿，从而引起气体放电形成电弧。动车组运行速度提升时，弓网耦合振动加剧，弓网离线产生的电磁辐射更加剧烈，会对CCU造成干扰。受电弓离线电弧在动车周围产生了较强的电磁场辐射。在动车顶面边沿位置由于感应电荷密度较大，电场与磁场强度也相对较大。由车顶向下，随着距车顶距离的增加，横截面上的场强总体上逐渐减小。动车组运行在接触网受流不稳的线路上，产生的电磁干扰不仅对自身电气设备的正常工作产生影响，在2列动车组交汇时因线路条件相似可能都存在接触网网流不稳，电磁干扰会相互影响，产生叠加效果干扰更明显。

（2）轨道回流不畅。动车组在冬季运行，容易发生钢轨附着冰雪，动车组经过时如同钢轨上存有绝缘点，会导致车轮和钢轨接触不良，发生燃弧放电现象，一旦发生放电现象，可类比车组和轨道之间存在一个由放电电流I和击穿后的冰雪R组成的一个电动势ε=I×R，该电动势将改变车体对地电势差。车体作为所有系统（高压AC25kV、中压AC380V、低压DC110V和信号DC5V）的共用地，车体电势的改变将影响车上各系统的接地点电压。另外，随着列车速度增加，车轮和轨道的耦合加剧，轮轨之间产生的放电燃弧也会形成电磁辐射，影响车上敏感电气元件工作。

5 电磁抗扰度性能分析

为了验证电磁干扰对CCU功能失效的影响，搭建试验平台开展测试，对滤波板卡进行外观及参数静态对比测试、电快速瞬变脉冲群试验、浪涌抗扰度试验、接地异常时抗干扰模拟试验，并对其测试数据进行检测分析。

5.1 外观及参数静态测试

选取发生CCU失效故障的滤波板卡及相同版本型号的新旧板卡进行外观状态对比。如图5所示，从左到右依次为旧板卡、故障板卡、全新板卡。其中故障板卡整体发黄，说明其使用时间最长。

图5 板卡外观状态对比

利用数字电桥和数字万用表，对3块滤波板上元器件性能参数及重要元器件进行对比测试，除Y电容和差模电感外，其他元器件的参数在线测量结果无明显差异。

本研究对4个Y电容进行了容值、D值（损耗角正切值）、Q值（品质因数）的测量，其中编号为C103的Y电容检测结果如表2所示，其他3个Y电容检测结果情况类似。根据测试数据可知，故障板卡的容值、D值、Q值性能均低于其他2块板卡。

表2 Y电容（C103）检测结果 nF

本研究对差模电感进行了电感值（L）的测量。如表3所示，在主要参考频率1 000 Hz下，故障板卡的电感值明显低于新板卡与旧板卡，说明故障板卡差模电感的差模抑制性能出现显著下降。

表3 差模电感检测结果 mH

5.2 电快速瞬变脉冲群试验

动车组在过分相、前照灯开启、雨刮器启动等工况时，CCU 110V供电存在形似电快速瞬变脉冲群（EFT）的脉冲干扰，因此对滤波板卡进行EFT抗扰度试验。将待测试的滤波板卡安装于CCU机箱中，并在其DC110V输入端中耦合高频脉冲信号，试验标准参照GB/T 24338.4-2018 《轨道交通电磁兼容第3-2部分：机车车辆设备》和GB/T 17626.4-2018《电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度试验》进行设置。测试过程中CCU工作状态良好，无锁闭或宕机等情况，取输入输出的多脉冲周期平均幅值并计算其滤波性能，检测结果如表4所示。

表4 电快速瞬变脉冲群试验结果

在EFT抗扰度测试中，新板卡表现稳定，1 kV～4 kV干扰等级滤波百分比在81%左右浮动。故障板卡表现最差，在1 kV等级下相较于新板卡存在31.5%的滤波性能衰减，4 kV等级下存在 17.7%的性能衰减，2 kV和3 kV等级性能衰减相对较小10%左右。

5.3 浪涌抗扰度试验

浪涌等级最高施加到1 kV，耦合方式为L-PE（正线-地）及N-PE（负线-地），试验结果如表5所示，0.5 kV（1级干扰）时，3张板卡的抗浪涌性能无明显差异；1 kV（2级干扰）时，故障板卡与旧板卡正负线震荡幅度为87～89 V，明显高于新板卡的67 V，说明新板卡抗浪涌干扰性能优于故障板卡和旧板卡。另外，故障板卡在1 kV（2级干扰）时中心电压偏离标准地3 V左右，大于旧板卡与新板卡的2 V偏差，抗共模干扰能力相对较弱。

表5 浪涌抗扰度试验结果 V

5.4 接地异常模拟试验

动车组CCU、人机交互界面（HMI）等电气部件内的数字地、模拟地、电源地、机壳地都是与车体直接连通的，当动车组接地回流不畅时，会直接影响电气部件工作性能。本文第3章节已经说明动车组在北方冬季时表现出明显性能劣化规律，为验证其性能退化是否由于冰雪天气导致轨道接地回流不畅，进行了接地异常模拟试验。

滤波板卡地线通过螺栓与面板相连，并通过面板与机壳地连接，同时通过拆除面板更换为线夹的方式来增加接地电阻并降低其接地可靠性。通过1 kV到3 kV的EFT抗扰度试验来测试板卡滤波性能。在接地可靠和接地异常2种工况下，对故障板卡、旧板卡和新板卡输出的幅值脉冲电压进行统计（取多脉冲周期平均幅值），具体数据如表6所示。

表6 EFT抗扰度试验数据 V

对比接地可靠和接地异常的数据，3张板卡在接地异常时对比各自接地良好的情况存在较大的性能劣化，接地异常后滤波性能显著下降，脉冲幅值成倍提升。新板卡的劣化程度相对较小仅有8.6%～17.4%，故障板卡表现最差，在2 kV与3 kV等级性能劣化高达96.8%～99.4%，可以视为基本失去滤波功能。

5.5 测试及试验结果分析

通过3张滤波板卡（故障板卡、旧板卡、全新板卡）上的各电器元件参数测量及相关性能试验对比，可以得出以下结论。

（1）滤波板卡随着使用时间的延长，其Y电容及差模电感等元器件性能逐步衰减，其中Y电容主要作用为抑制共模干扰，差模电感主要作用为抑制差模干扰，因此板卡滤波性能呈逐渐下降趋势。

（2）滤波板卡良好接地时，脉冲幅值滤除能力依次为新板卡、旧板卡、故障板卡。滤波板卡接地异常时，无论是故障板卡、旧板卡，还是新板卡，滤波性能与接地正常时相比出现明显劣化，特别是故障板卡在2 kV、3 kV等级下基本失去滤波功能。

6 建议和措施

综合上述分析，本文从CCU滤波板卡高级修及板卡性能升级等方面提出以下建议。

（1）动车组高级修规程对于CCU板卡的检修规定：三级修不下车检修，仅做外观检查和功能测试；四级修增加了CCU电池更换；五级修增加冷却风扇更换及整机性能测试（包括导通绝缘耐压测试和板卡的功能测试）。本次选取进行试验的故障板卡使用时间为7年，走行里程约383万km，还未进入五级修。因此，建议三级修时增加对滤波板卡的在线测试，选一定数量板卡进行检测，摸索规律，建立检测标准和规范，其中滤波板卡需要测试其滤波电容的容值，并对其进行浪涌抗扰度和EFT抗扰度试验，同时进一步研究四级修时更新滤波板卡的必要性。

（2）对于共模干扰，滤波板卡仅有Y电容进行过滤；对于差模干扰，仅有差模电感进行过滤；对于浪涌电压，仅有一个TVS进行抑制。对于不同的电磁干扰形式，滤波板卡的滤波手段都比较单一，这也是CCU容易受到电磁干扰的一个重要因素。因此，建议对滤波板卡进行适当的升级改造，提高其滤波性能，如增加以压敏电阻和气体放电管构成的浪涌吸收电路作为第一级吸收电路，并增加第二级浪涌吸收电路，由差模电感、线间压敏电阻和共模电感组成，进一步抑制共模干扰和差模干扰；加大支撑电容，抑制DC110V电源电压的突降或暂断，降低电源的纹波电压，提高电源供电的稳定性。