CR400BF型动车组主断路器故障原因分析

CR400BF型动车组主断路器故障原因分析

孙雪飞 郎利平

呼和浩特机务段 内蒙古呼和浩特市010050

摘要：CR400BF型动车组在京沪线、沪昆线等高铁繁忙线路运行良好，但偶发主CCU停机故障，根据当前保护策略，会引发主断路器自动断开，从而影响高速列车运营秩序。以CR400BF型动车组中央控制单元为例，介绍了其主从切换原理，针对运用过程中中央控制单元停机故障，从保护高压系统和提高故障应急处理效率的角度出发，介绍了主断路器分断机理，提出了中央控制单元和主断路器控制电路的改进措施但由于传统式电磁继电器、接触器容易受到使用环境等因素的影响，且采用机械式触点，使用寿命存在限制，导致在动车组运用过程中，继电器、接触器故障时有发生，成为导致动车组发生故障的一个主要因素，大大影响了动车组运行的可靠性。

关键词：CR400BF型动车组；主断路器；故障原因；

前言：随着国内高速铁路事业的快速发展，动车组的运用越来越广泛，如何提升动车组的可用性，保障铁路运输秩序，提升旅客服务质量，成为一个重要课题。动车组上各功能系统大量使用了各类电磁式继电器、接触器，用于实现逻辑控制、小功率负载接通、弱电控制强电、信号传递、安全监控及保护等功能，配合微机控制单元实现动车组的智能化控制。

本文主要针对CR400BF平台动车组故障发生的主要原因。

一、CR400BF主断路器分断机理

CR400BF型动车组的高压单元由两个动力单元组成CR400BF，两个动力单元通过一组受电弓、主断路器、高压隔离开关受流。高压控制单元采集接触网电压、网流、主变压器原边电流和接地回流，通过总线传输给根据控制逻辑保护高压系统。CR400BF主断路器通过主断控制继电器得电和失电情况来闭合分断的。本动力单元的主断控制继电器串联了本单元级升弓继电器、列车级紧急断电环路、列车级主断释放环路、列车级网络触点、本单元级高压控制单元触点等，主断路器分断的途径大致为以下两种：（１）硬线类：通过升弓继电器、紧急断电环路状态继电器、列车主断释放环路状态继电器来分断主断。（２）网络类：受控制的网络DO触点（负责保护受电弓、高压隔离开关、主变压器等过压、过流、差动保护、设备内部严重故障保护）、高压控制单元自身DO触点（负责保护受电弓、主变压器等瞬时过压、过流快速保护）。正常情况下，硬线类的继电器失电后，可通过以上两种途径分断主断，实现了网络和硬线双重保护。高压系统过压、过流、主要设备请求分断时，当前大部分保护功能通过受控制的网络DO触点来实现，而高压控制单元自身DO触点仅负责分断本动力单元的主断路器并且仅考虑了过压、过流工况。

二、故障分析

故障种类及影响。动车组主停机故障大致归为两种情况。一种情况是网关模块或者MVB板卡故障，但CPU板卡能够启动正常，CPU板卡通过总线或者硬线能够监听到这两种板卡无生命信号，会通过硬线或内部总线启动主从自动切换程序。在切换时间内无法对本高压系统的保护。根据当前设计理念，此时会通过第途径分断主断路器，但势必影响高速列车的运营秩序。若切换时间内不断主断，考虑到高压控制单元仅保护范围相当较小、受保护功能较少，自动切换时不分断主断路器存在一定风险。无法启动主从自动切换程序。此类故障发生时，通过第分断主断路器但故障动力单元的各设备不在线，严重影响了高速列车运营秩序。

过电压导致直接对地放电分析。考虑到主断路器后端的电缆长度较短，主要为变压器的感性负载，在主断路器合闸及弹跳过程中，主触头易发生重燃和振荡，导致操作过电压较高，并在主触头弹跳过程中将过电压传递至输入端接地触头，由于接地触头位置场强较集中，过电压导致电晕放电更剧烈，空气电离范围扩大，在高压箱密闭的小空间内造成高压对地放电故障。根据操作过电压静态测试结果可知，长编、重联车组闭合主断时会在短时间内出现2次操作过电压，二次冲击更容易引发空气击穿，因此长编、重联车组二次操作过电压是诱发主断接地触头对地放电的原因之一。

主断路器在合闸后的暂态过程中，回路中将发生高频振荡，振荡频率远大于电源频率。考虑最严重情况，即在电压幅值最高值时合闸，操作过电压将达到2倍过电压，由于回路中存在损耗，实际振荡过程中电压要低于2倍过电压。主断路器合闸后可能出现弹跳，如果动静触头分开后触头之间的操作过电压产生相位差，按上述变压器侧过电压型式试验数据和接触网实测过电压数据分析，主断路器极间的过电压可能会叠加到117.8kV（59.8kV+58kV）。而动车组主断合闸瞬间的操作过电压幅值具有随机性，其大小与当时接触网网压、谐波及合闸时刻网压相位等因素有关，实际主断极间的操作过电压可能会更高。说明主断路器极间耐受工频电压的极限值，结合各铁路局发生的故障调查和数据分析发现，故障发生时刻均为车组闭合主断路器瞬间弓网之间发生放电现象；故障高压箱内主断路器输入侧的接地触头均存在明显的放电烧损情况；长编重联车组也是高压箱内放电的影响因素之一。

三、故障应急处理方法

第一种情况发生时，主从切换完成后，网络显示屏会允许主断闭合标识，可指导司机手动闭合主断路器，减少故障应急处理环节。另一种情况发生时，需人为复位故障供电空开来复位停机的，对操作人员的应急处理能力要求较高，因此，比第一种情况的故障应急处理时间更长。

为减少途中故障对高速列车运营秩序的影响，需提升中央控制单元自适应能力，若中央控制单元故障时，应从无需采取故障应急处理措施或者减少故障处理环节，也是智能化技术提升一种表现。

（１）针对第一种停机故障情况，主、从CCU切换时建议按不分断主断路器处理，仅故障提示，无需人员参与，不会影响运营秩序。１）高压控制单元写入相应的高压保护逻辑，同时将高压控制单元自身DO触点可串联到列车级主断释放环路中，分断主断路器范围由本动力单元扩大到列车级，后续新造动车组及运营动车组结合高级修项目中陆续实施该措施。２）优化的总线调度功能，将主、从的切换时间控制在１秒之内，该措施已通过地面试验台及实车静态、动态试验验证，切换期间对动车组运行无影响。（２）针对另一种停机故障情况，的其他板卡（如IOM板卡）能够识别到CPU板卡故障情况，已增加看门狗监控程序，若出现停机，会复位故障CCU或者请求从作主，由人为处理转为智能处理，减少应急故障处理时间，同时减轻对高速列车运营秩序的影响，该措施已在动车组批量车实现，故障发生后能够自动切换，效果显著。

高速铁路技术水平己步入世界先进行列，在带动铁路“走出去”，推动国家“一带一路”战略工作过程中，取得了突出成绩；随着路网规模的进一步扩大，动车组的保有数量还将会进一步攀升，如何在保障安全的前提下，提升动车组运用的稳定性，是一个需要长期深入研究分析的大课题，也是不断提升高铁服务品质的迫切需求。整改方案中，相对于改进前，上下接地触头形状更规则、外形尺寸更小，距离周围地电位的电气间隙均略有增加或维持不变；整改方案在未降低其他部位绝缘性能的情况下，加强了主断路器极间的绝缘能力。然而，整改方案会导致接地开关在接地位时，接地夹与接地触头的接触面积会减小，接地开关的额定电流为400A，满足载流要求，对实际使用不会产生影响。

参考文献

[1]王明星，周洲，王兴伟，等.动车高压箱顶盖结构优化设计及试验研究[J].工程塑料应用，2018，46（10）：68-71.

[2]彭宝林，林平，李涛，等.机车和动车组车顶高压电器集成研究[J].机车电传动，2019（3）：99-101，110.

[3]郑跃胜，陈雍，钟小燕，等.隔板尺寸对棒—板空气绝缘间隙工频耐压特性的影响[J].高电压技术，2018，44（1）：195-200.