研究CRH1A 型動(dòng)車組防凍排空控制缺陷解決方案

黃小劍

（廣州動(dòng)車段潮州動(dòng)車運(yùn)用所，廣東 潮州515645）

2017 年12 月，一列CRH1A 型動(dòng)車組異地過(guò)夜停放時(shí)因外溫較低且蓄電池電壓不足，出現(xiàn)不斷重復(fù)自動(dòng)激活動(dòng)車組啟動(dòng)防凍排空，引起蓄電池虧電，并最終導(dǎo)致動(dòng)車組無(wú)法激活停運(yùn)的情況，對(duì)運(yùn)行秩序造成極大影響。經(jīng)分析確認(rèn)為動(dòng)車組防凍排空控制邏輯存在缺陷引起，但在短期內(nèi)不能完全修復(fù)該缺陷，同時(shí)由于CRH1A 型動(dòng)車組運(yùn)用近10年之久，蓄電池普遍存在老化、續(xù)航能力不足的問(wèn)題，在冬天極易發(fā)生同類事件，基于此，極有必要對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行深入分析探討，通過(guò)各種技術(shù)手段制定解決對(duì)策，以達(dá)到前期預(yù)防、快速應(yīng)急處置、徹底解決問(wèn)題等目的，消除對(duì)運(yùn)用秩序的影響，提高運(yùn)營(yíng)效率。

1 防凍排空控制原理

根據(jù)CRH1A 型動(dòng)車組軟件設(shè)計(jì)原理，為防止因氣溫及蓄電池電壓持續(xù)降低出現(xiàn)不能啟動(dòng)防凍排空導(dǎo)致對(duì)給排水系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p壞的情況，動(dòng)車組處于斷電未激活狀態(tài)時(shí)，以下條件同時(shí)滿足則會(huì)自動(dòng)激活列車啟動(dòng)防凍排空（見圖1）:

其中冬季定義為1 月-4 月及9 月-12 月，夏季定義為5 月-8 月。

達(dá)到上述條件時(shí)，列車診斷系統(tǒng)中央控制單元(TDS CCU，由應(yīng)急總線供電，處于常得電狀態(tài)) 自動(dòng)控制閉合蓄電池接觸器1 激活動(dòng)車組（見圖2），蓄電池系統(tǒng)為列車控制管理系統(tǒng)(TCMS)供電，其中央控制單元（TC CCU）啟動(dòng)并執(zhí)行防凍排空指令（見圖3）。

圖1 TDS CCU 啟動(dòng)防凍排空條件

圖2 TDS CCU 指令蓄電池接觸器1 閉合（自動(dòng)激活列車）

圖3 TC CCU 執(zhí)行防凍排空指令

2 蓄電池保護(hù)電壓工作原理

動(dòng)車組蓄電池系統(tǒng)保護(hù)電壓為95V，即當(dāng)車組檢測(cè)到蓄電池電壓低于95V 后，TCMS 會(huì)指令斷開蓄電池接觸器1，車組自動(dòng)斷電，以避免蓄電池電壓進(jìn)一步降低；即使電壓下降到95V以下，仍可保持電池?cái)嗦菲鏖]合5 分鐘，即此時(shí)仍可激活車組；但若電壓低于82V，繼電器和斷路器在此電壓級(jí)不工作，將導(dǎo)致斷路器立即打開，車組將無(wú)法激活（見圖4）。

3 蓄電池電壓偏低原因

CRH1A 型動(dòng)車組蓄電池為鎘鎳電池，分布在5 個(gè)車廂上，每個(gè)車廂的電池箱分為兩個(gè)部分，每部分有1 組蓄電池，每組包括串聯(lián)的41 個(gè)電池單元，共有82 個(gè)電池單元，額定電壓為DC 110V，正常容量為200Ah。

在蓄電池充滿電后，車組保持激活狀態(tài)且僅由蓄電池供電情況下，車組蓄電池正常可維持2 小時(shí)使用時(shí)間；在此條件下，分別選取新造CRH1A-A 型動(dòng)車組、完成五級(jí)修的車組、未進(jìn)行五級(jí)修的車組反復(fù)進(jìn)行蓄電池續(xù)航時(shí)間測(cè)試，發(fā)現(xiàn)新造CRH1A-A 型動(dòng)車組及已完成五級(jí)修的車組蓄電池續(xù)航時(shí)間能達(dá)到續(xù)航要求，未進(jìn)行五級(jí)修的車組均達(dá)不到正常續(xù)航要求，具體如表1 所示。

備注：測(cè)試前確保各車組蓄電池外觀狀態(tài)正常、電解液位充足、初始電壓約110V。另外，在關(guān)閉全車空調(diào)緊急通風(fēng)逆變器電源后，測(cè)試蓄電池續(xù)航時(shí)間比未關(guān)閉前可增加約35%，對(duì)預(yù)防蓄電池虧電有一定效果。

由此可見，動(dòng)車組蓄電池續(xù)航能力隨著走行公里的增加而顯著降低，未經(jīng)五級(jí)檢修的動(dòng)車組蓄電池遠(yuǎn)不能滿足保持2 小時(shí)的續(xù)航能力，蓄電池存在較嚴(yán)重的老化現(xiàn)象，不能正常保壓，導(dǎo)致動(dòng)車組蓄電池電壓偏低。

4 防凍排空重復(fù)自動(dòng)啟動(dòng)原因

通過(guò)試驗(yàn)表明，啟動(dòng)一次自動(dòng)防凍排空已足以排掉給排水系統(tǒng)中管路及水箱中的絕大部分水，雖然無(wú)法全部排空，但即使受凍也不會(huì)對(duì)管路及水箱等造成嚴(yán)重?fù)p壞，同時(shí)也不會(huì)造成蓄電池電壓過(guò)度下降以致虧電，那么，是什么原因造成防凍排空重復(fù)自動(dòng)啟動(dòng)呢？

通過(guò)調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)CRH1A 型動(dòng)車組TCMS 軟件在2016年的14.2.3.0 版本升級(jí)后，新增加了車組斷電后TDS CCU 自動(dòng)重啟復(fù)位的功能，并將之前已執(zhí)行的命令清除。即當(dāng)動(dòng)車組達(dá)到防凍排空的條件被激活后，持續(xù)10 分鐘或蓄電池電壓低于95V 時(shí)斷電，此時(shí)TDS CCU 自動(dòng)重啟復(fù)位，使得其已執(zhí)行的防凍排空命令被清零，動(dòng)車組TCMS 系統(tǒng)誤判斷未啟動(dòng)過(guò)防凍排空，因此當(dāng)防凍排空條件再次滿足時(shí)，又再次啟動(dòng)，以此循環(huán)，持續(xù)消耗蓄電池電壓，同時(shí)蓄電池本身續(xù)航能力較差，導(dǎo)致蓄電池電壓不足，虧電嚴(yán)重，電壓低于82V 時(shí)動(dòng)車組無(wú)法激活。因此，CRH1A 型動(dòng)車組防凍排空控制邏輯缺陷問(wèn)題根本原因?yàn)镃RH1A 型動(dòng)車組軟件缺陷引起，未考慮到TDS CCU 自動(dòng)重啟復(fù)位與防凍排空控制邏輯之間的關(guān)系，忽略了對(duì)防凍排空功能進(jìn)行優(yōu)化，導(dǎo)致當(dāng)列車滿足防凍排空條件時(shí)，會(huì)重復(fù)防凍排空直至虧電；同時(shí)蓄電池本身老化續(xù)航能力差也是造成車組虧電的重要原因。

圖4 蓄電池保護(hù)電壓

表1 蓄電池續(xù)航能力測(cè)試

圖5 斷開連接線53400A 操作

5 過(guò)渡預(yù)防方案研究

由于CRH1A 型動(dòng)車組軟件升級(jí)周期長(zhǎng)達(dá)半年以上，短期內(nèi)不能徹底消除故障隱患，因此必須盡快研究過(guò)渡措施加以防范，減少故障發(fā)生機(jī)率，或在故障發(fā)生后快速進(jìn)行應(yīng)急處置，降低運(yùn)用影響。通過(guò)上述分析，制定過(guò)渡預(yù)防方案如下：

5.1 前期介入預(yù)防方案

為防止動(dòng)車組過(guò)夜存放時(shí)發(fā)生防凍排空導(dǎo)致蓄電池虧電問(wèn)題，研究了前期介入預(yù)防方案，防止出現(xiàn)該問(wèn)題。

5.1.1 避免TCMS 發(fā)出閉合蓄電池接觸器1 指令

蓄電池接觸器1 閉合工況：

（1）操作蓄電池開關(guān)到“開”位

（2）TCMS 系統(tǒng)給出閉合蓄電池接觸器1 指令

（3）司機(jī)鑰匙打到“1”位

其中第2 和第3 種工況均由1、5、8 車TCMS 模塊給出閉合蓄電池接觸器1 指令，可將該模塊連接線53400A 斷開（見圖5，以1、8 車為例），避免TCMS 給出閉合蓄電池接觸器1 指令激活動(dòng)車組，從而防止防凍排空反復(fù)啟動(dòng)。

若執(zhí)行此方案，動(dòng)車組正常激活流程必須改動(dòng)，不能直接通過(guò)主控鑰匙激活車組，須先操作C.K1 柜內(nèi)的蓄電池開關(guān)到“開”位，再將主控鑰匙打到“1”位激活車組。

5.1.2 斷開一組蓄電池箱供電

提前斷開車下1 組蓄電池隔離開關(guān)（編號(hào).3.1），線上運(yùn)用只使用4 組蓄電池。當(dāng)車輛發(fā)生虧電后，將此隔離開關(guān)閉合，對(duì)車輛應(yīng)急供電，操作升弓受流。斷開蓄電池隔離開關(guān)的車輛每4天更換一次，以避免長(zhǎng)期蓄電池自放電造成虧電。

若執(zhí)行此方案，動(dòng)車組過(guò)夜存放時(shí)，只有4 組蓄電池投入使用，總?cè)萘肯陆?5%，存在耗電更快的情況。

5.1.3 更改防凍排空啟動(dòng)條件

通過(guò)電腦連接動(dòng)車組，使用DCUTerm 軟件強(qiáng)制修改TCMS內(nèi)部參數(shù)，將斷電后防凍排空的啟動(dòng)條件進(jìn)行更改，如將蓄電池電壓由100.5V 改為80V，將環(huán)境溫度由15℃改為0℃，以提高防凍排空的啟動(dòng)條件。每次車輛斷電后進(jìn)行一次強(qiáng)制信號(hào)。

具體更改指令如下：

Btn0Line0=;修改防凍排空啟動(dòng)電壓為80V（1V＝100）

Btn0Line1=op GLSCLP10/8000/.

Btn5Line0=;恢復(fù)防凍排空啟動(dòng)電壓至100V

Btn5Line2=op GLSCLP10/10000/.

Btn0Line0=;修改防凍排空啟動(dòng)溫度為0℃（1℃＝10）

Btn0Line1=op KSDRWP15/0/.

Btn0Line0=;恢復(fù)防凍排空啟動(dòng)溫度至15℃

Btn0Line1=op KSDRWP15/150/.

若執(zhí)行此方案，每次過(guò)夜車組斷電后均須進(jìn)行重新修改。

5.1.4 斷開網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制電源

通過(guò)斷開動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)供電，截?cái)喾纼雠趴罩噶顐鬏敚苊廛囕v自動(dòng)激活防凍排空。具體操作為：每次斷電后分別將1、8車的計(jì)算機(jī)單元網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)供電斷路器C.K1.26 斷開，同時(shí)斷開1、2、3、6、7、8 車直流柜內(nèi)應(yīng)急照明供電斷路器（編號(hào).10 和.11，每個(gè)車兩個(gè)）。激活動(dòng)車組前恢復(fù)相應(yīng)操作。

若執(zhí)行此方案，斷開網(wǎng)絡(luò)控制電源斷路器C.K1.26 后車組會(huì)自動(dòng)起應(yīng)急照明且不會(huì)自動(dòng)熄滅，因此需要同時(shí)斷所在單元的應(yīng)急照明供電斷路器，涉及操作的斷路器較多，且每次斷電后、激活前都要操作一次。

5.1.5 關(guān)閉全列車空調(diào)緊急通風(fēng)逆變器電源

由于動(dòng)車組失活后并斷蓄電池前，動(dòng)車組會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)空調(diào)緊急通風(fēng)，緊急通風(fēng)逆變器將蓄電池DC 110V 電壓逆變成AC 220V 電壓給緊急通風(fēng)機(jī)供電，此過(guò)程將會(huì)消耗大量蓄電池電壓能量，通過(guò)前述測(cè)試表明，關(guān)閉緊急通風(fēng)逆變器電源對(duì)預(yù)防蓄電池虧電有一定效果，因此可在動(dòng)車組結(jié)束運(yùn)營(yíng)后提前關(guān)閉全列車空調(diào)緊急通風(fēng)逆變器電源（QF15）。

若執(zhí)行此方案，在動(dòng)車組開始運(yùn)營(yíng)前需閉合全列車空調(diào)緊急通風(fēng)逆變器電源以確保空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)急通風(fēng)工作；即使不閉合亦不影響空調(diào)正常制冷、加熱。

5.2 應(yīng)急處置方案

5.2.1 更改電壓保護(hù)值

當(dāng)發(fā)生動(dòng)車組因防凍排空而虧電時(shí)，應(yīng)急使用電腦連接動(dòng)車組，通過(guò)DCUTerm 軟件強(qiáng)制修改蓄電池系統(tǒng)保護(hù)電壓，可將原設(shè)定值95V 改為83V，保證車組激活后蓄電池接觸器1 不會(huì)保護(hù)斷開，此時(shí)操作升弓按鈕，利用剩余蓄電池電壓升起受電弓受流，車組正常激活。

具體指令修改如下：

Btn0Line0=;修改蓄電池系統(tǒng)保護(hù)電壓

Btn0Line1=op GL1BCP13/8300/.

Btn0Line2=op GL1BCP14/8400/.

Btn0Line0=;恢復(fù)蓄電池系統(tǒng)保護(hù)電壓

Btn0Line1=op GL1BCP13/9500/.

Btn0Line2=op GL1BCP14/9600/.

若執(zhí)行此方案，需安排專人值守，隨時(shí)做好應(yīng)急準(zhǔn)備。

5.2.2 配備CRH1A 型動(dòng)車組應(yīng)急升弓裝置

為預(yù)防CRH1A 型動(dòng)車組虧電時(shí)受電弓無(wú)法正常升起的情況，研究適用于CRH1A 型動(dòng)車組的便攜式應(yīng)急升弓裝置，隨車配備或在過(guò)夜站點(diǎn)配備，在動(dòng)車組發(fā)生虧電故障時(shí)可立即使用應(yīng)急升弓裝置給輔風(fēng)缸供電，輔風(fēng)缸工作并向受電弓供風(fēng)升起受電弓受流，可以確保應(yīng)急有備。

6 長(zhǎng)期解決方案

6.1 升級(jí)CRH1A 型動(dòng)車TCMS 軟件

通過(guò)升級(jí)CRH1A 型動(dòng)車TCMS 軟件，優(yōu)化軟件控制策略，在自動(dòng)防凍排空指令執(zhí)行后禁止TDS CCU 重啟，徹底消除動(dòng)車組重復(fù)自動(dòng)啟動(dòng)的情況；只有當(dāng)蓄電池電壓上升到110V 后，方允許TDS CCU 自動(dòng)重啟。

6.2 結(jié)合高級(jí)修更新蓄電池

針對(duì)蓄電池壽命問(wèn)題及老化較普遍的情況，可結(jié)合高級(jí)修修程，一是提高三、四級(jí)檢修蓄電池檢查檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)單體容量進(jìn)行循環(huán)充放電測(cè)試，要求電池容量須高于新品容量的90%，達(dá)不到要求進(jìn)行更新；二是結(jié)合五級(jí)檢修修程，將CRH1A 型動(dòng)車組蓄電池全部更新，以消除蓄電池老化問(wèn)題。

7 結(jié)論

通過(guò)對(duì)CRH1A 型動(dòng)車組防凍排空相關(guān)控制原理及控制缺陷問(wèn)題的深入研究，提出了提前介入預(yù)防方案、應(yīng)急處置方案及長(zhǎng)期解決方案，采取物理隔斷、軟件修改參數(shù)、軟件升級(jí)、蓄電池更新等各種手段進(jìn)行防控，可以大大減少問(wèn)題發(fā)生機(jī)率，縮短故障處置時(shí)間，提高應(yīng)急處置效率，降低運(yùn)輸影響，為高鐵更安全、穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。