CRH6F動車組高壓保護裝置保險熔斷故障研究與優化

文/中國鐵路廣州局集團有限公司動車組運用檢修技術中心 余飛 甘偉新 唐輝

中車青島四方機車車輛股份有限公司技術中心 劉力豪

1.問題的提出

截至目前，CRH6F型動車組共發生4起因高壓保護裝置保險絲熔斷導致的網壓中斷故障，均發生在石長線過分相期間。熔斷保險絲均在CI網壓檢測回路，與列車號、升弓車、具體分相區無明顯關系。具體故障統計如下。

表1 CRH6F高壓保護裝置故障統計

2.高壓保護裝置原理分析

（1）高壓保護裝置結構

CRH6F型動車組高壓保護裝置為南京志卓電子科技有限公司生產ZZBH-001型高壓保護裝置。

高壓保護裝置包含2組線路，每組線路中U、N線各串聯一只快速熔斷器，且U、N間并聯一只壓敏電阻，電路原理圖如下圖所示。

圖1 正常工作時電流

壓敏電阻抑制浪涌電壓的基本原理是：當壓敏電阻兩端電壓低于其閾值時，流過它的電流相當小，此時壓敏電阻阻值無窮大，相當于一個處于斷開狀態的開關。當壓敏電阻兩端電壓高于其閾值時，流過它的電流激增，此時壓敏電阻阻值無窮小，相當于一個處于閉合狀態的開關，進而減小過電壓對后級敏感電路的影響。此時電流方向如下圖所示。

圖2 網壓異常時電流

此時流過保險絲的電流也會激增乃至熔斷，從而達到保護后級電路的作用。同時，也可起到保護網壓互感器次邊短路的作用。

圖3 壓敏電阻特性曲線

保險絲FU1-FU4，常用型號為：PV-3A10F 1000V或SWE690-3A，其特性曲線如圖1所示，當電流越大時其熔斷時間越短。壓敏電阻型號是TVR20511，其特性曲線如圖4所示。

圖4 FU保險特性曲線

（2）網壓檢測原理

網壓互感器工作時，一次側接被測高壓電路，二次側經高壓保護裝置接至網壓表及牽引變流器采集電路。如上圖所示，網壓互感器二次側的輸出端731Y、732Y經高壓保護裝置的保險絲FU3和FU4接至牽引變流器采集電路并上報網絡，951、952經高壓保護裝置的保險絲FU1和FU2接至司機室網壓表。

3.高壓保護裝置保險熔斷故障原因分析

圖5 網壓檢測電氣原理圖

通過故障統計分析，4起因高壓保護裝置保險絲熔斷導致網壓中斷故障均發生在石長線過分相期間，且熔斷保險絲均在CI網壓檢測回路。為進一步分析故障原因，對動車組在石長線及長株潭城際線運行時過分相期間網壓互感器二次側回路電壓電流情況進行測試。

（1）石長線測試

2018年5月18日上午，CRH6F-0432在石長線長沙-常德間運行。本次測試分兩種工況進行。

工況1：去除網壓表側壓敏電阻，在升弓車測試732Y與731Y間電壓（CH1）、952與951間電壓（CH2）、732Y電流（CH3）、731Y電流（CH4）、952電流（CH5）。

圖6 石長線工況1測試原理圖

在進入無電區時，測試數據分析發現，有無壓敏電阻時兩網壓互感器二次側繞組電壓趨勢均相同，峰值為420V，CI支路壓敏電阻前后電流基本相等，峰值為9A左右，網壓表一路電流為20mA，無明顯變化趨勢。各測點波形如下圖所示。（見圖7）

工況2：在非升弓車測量732Y與731Y間電壓（CH1）、952與951間電壓（CH2）、CI一路壓敏電阻上電流（CH3），此時網壓互感器二次側未帶負載。

進入無電區時，測試數據分析發現網壓互感器二次側電壓波形趨勢及幅值與升弓車基本相同，壓敏電阻上電流始終無明顯波動，有效值為30mA左右。各測點波形圖如下圖所示。（見圖9）

完整過分相波形圖：以石長線第一個過分相為例，過分相完整波形如下圖所示。

從列車進入無電區到駛出無電區約4.6S，列車速度約70km/h，本無電區全長約90m。進入無電區時波形放大如下圖所示。

圖7 石長線工況1測試波形圖

圖8 石長線工況2測試原理圖

圖9 石長線工況2測試波形圖

圖10 石長線完整過分相波形圖

圖11 進入無電區時波形放大圖

T0時刻網壓波形開始出現畸變，T1時刻接觸網無電，從網壓波形畸變（T0）至進入無電區（T1）間經過約200ms，車輛運行約4m。列車駛出無電區時波形放大如下圖所示。

圖12 列車駛出無電區時波形放大

T2時刻接觸網開始有電，T3時刻網壓波形恢復正常。T2至T3間約70ms，車輛運行約1.3m。

以下為同時期DRWTD數據。

接觸網無電時刻（T1）約為7:51:05:400，接觸網有電時刻（T2）為7:51:10：0，期間約4.6秒，與示波器波形吻合。VCB斷開時刻約7:50:53:600，相當于在進入無電區（T1）前約12sVCB已斷開。

（2）長株潭城際測試

2018年5月19日上午，CRH6F-0433在長株潭城際線路長沙西--株洲南間運行。本次測試對相同工況進行測試。

工況1（同石長線工況1）：

圖13 列車過分相期間DRWTD數據

在進入無電區時，測試數據分析發現，網壓互感器二次側電壓趨勢與石長線基本相同，但峰值為245V，比石長線峰值小180V左右；CI支路壓敏電阻前后電流基本相等，其趨勢與石長線相同，但峰值為6.3A左右，比石長線峰值小2.5A左右；網壓表一路電流為20mA，無明顯變化趨勢，與石長線相同。各測點波形如下圖所示。（見圖14）

工況2（同石長線工況2）：

由于交路較短，未測量到分相區波形。在正常運營時，壓敏電阻上電流同石長線，均較小，可忽略不計。

工況3：在HMI屏遠程切除非升弓車受電弓，在非升弓車測試電壓電流波形，測點同工況2。測試數據分析發現，受電弓切除后，在網壓互感器二次側仍能測到有效值為15V左右的正弦波，過分相時電壓波形無明顯變化；壓敏電阻上電流較小，可忽略。各測點波形如下圖所示。

圖14 長株潭城際工況1測試波形圖

圖15 長株潭城際工況3測試波形圖

（3）高壓保護裝置保險熔斷故障原因分析

根據石長線及長株潭城際線運行時過分相期間網壓互感器二次側回路電壓電流實車測試及前期故障統計分析。每次列車進入無電區時，網壓互感器二次側CI支路均會產生沖擊電流，沖擊電流產生的原因初步分析為接觸網有電到無電瞬間，支路中的電感元器件產生反向電動勢。此沖擊電流周期性產生，對保險絲的壽命造成影響，最終使保險絲熔斷。

進入無電區時，石長線因運行貨物列車，其網壓較長株潭城際設定值要高，長株潭網壓峰值及CI支路沖擊電流值均比石長線小，因此高壓保護裝置保險絲熔斷均發生在石長線交路。

4.高壓保護裝置優化與驗證

通過線路測試及故障統計分析，判斷為動車組進入無電區時，從有電到無電過程中，網壓互感器及牽引變流器網壓采集電路中電感元件產生反向電動勢，網壓互感器二次側電壓波動較大，電路上存在沖擊電流，導致網壓互感器次邊電流較大，造成保險絲熔斷。

為減少CI支路網壓互感器二次側繞組所帶負載，從而起到減小流經保險絲電流的目的，對網壓互感器二次側接線進行優化。修改示意圖如下所示。

在5、7車LJ B1中將接到組合配電柜的731X、732X改接到731、732接線柱上，絕緣層做備用處理。接線修改如下圖所示。

（1）優化后試驗

圖16 網壓互感器二次側接線修改示意圖

圖17 LJB1接線修改示意圖

由于施工時間限制，2018年7月27日僅對CRH6F-0432的07車LJB箱接線進行修改，修改后拓撲圖變化如下所示。

（2）試驗數據分析

2018年7月28日，C R H 6 F-0 43 2在石長線運行，測試CI支路、網壓表支路電流及網壓波形。

圖18 修改后拓撲圖

圖19 優化接線后測試波形圖1

測試732 Y線、731Y線間電壓、732Y（原帶4個CI，現帶3個CI）線、952（原帶2個網壓表，現帶2個網壓表和1個CI）線上電流。

在測試過程中找到過分相電流沖擊波形最大時網壓及732Y線電流波形：

圖20 優化接線后測試波形圖2

上圖中沖擊電流最大值為6.19A。優化前732Y線上帶4個變流器時，最大沖擊電流為9A，優化后相比減小約2.8A。

在測試過程中找到過分相電流沖擊波形最大時網壓及952線電流波形：

上圖中沖擊電流最大值為3.12A，優化前952線上基本無沖擊電流，優化后相比增大約3.1A。

5.結論

綜合優化接線前后線路測試波形及數據，優化接線后CI支路電流趨勢不變，但沖擊電流幅值減小約2.8A。優化接線前網壓表支路基本無沖擊電流，優化后出現與CI支路趨勢相似的沖擊電流。因此可以判斷網壓檢測回路沖擊電流的產生主要與牽引變流器網壓采集電路有關。通過優化高壓保護裝置接線，減少CI支路網壓互感器二次側繞組所帶負載，可以有效減小流經原CI支路的電流，避免高壓保護裝置保險絲因過分相沖擊電流過大而熔斷。