高速動車組中央控制單元抗電磁干擾能力研究分析

周月忠，傅雙波，王永剛，張 華

（中國鐵路上海局集團有限公司，上海 200071）

1 引言

中央控制單元（以下簡稱“CCU”）是高速動車組網絡控制系統核心部件之一，可以實現列車重要設備的管理、運行信息的采集、運行狀態的監視和故障診斷等功能。按照當前的保護策略，偶發的主CCU停機故障會引發主斷路器自動斷開，從而影響高速列車運營秩序。CCU機箱內共裝有13塊板卡，相當于13個功能模塊，其主要板卡為網關板卡、CPU板卡、通信板卡、電源板卡、濾波板卡，其中濾波板卡主要用于保護CCU，防止不可接受的高電壓干擾與跨接短時間的過渡電壓負荷。據統計，從2016年1月至2022年3月期間全路累計發生CCU失效故障669件，其中由電磁干擾造成的故障共計291件，占比高達43%。本文將對CCU及其濾波板卡的結構原理、故障分布進行分析，并通過實驗室測試CCU的抗電磁干擾能力，從而提出改進建議和措施。

2 CCU 結構原理

2.1 主動切換原理

每列動車組每個牽引單元有2個CCU，分別為主CCU和從CCU。正常情況下2個CCU都處于熱啟動狀態，但只有主CCU上的網關參與列車總線（WTB）和車輛總線（MVB）的通信，而從CCU上的網關此時不被激活也不參與通信。列車每次斷開蓄電池或復位CCU空開都會觸發一次CCU的主從切換，另外，主CCU失效也會觸發一次主從切換。

2.2 濾波原理

CCU 濾波板卡（G103）主要作用為濾除部分線與線之間的差模干擾、線與地之間的共模干擾，吸收部分正負線之間的浪涌能量，將電源線中的尖峰脈沖幅度降低，轉化為平坦波形輸出。濾波板卡上的主要元器件包括差模電感、瞬態電壓抑制二極管（TVS）、儲能電容、泄放電阻以及4個Y電容。

如圖1所示，L100為濾波扼流圈（差模電感），用于抑制CCU母線上通過傳導和輻射出的差模干擾；V100為TVS，用于吸收浪涌等瞬時沖擊； C102為儲能電容，用于抑制CCU母線電源電壓的突降或暫斷，降低電源的紋波電壓，提高電源供電的穩定性；R101為與C102配套的泄放電阻；C103-C106為4個Y電容，從輸出端分別對地并接，對共模干擾起旁路作用。

圖1 濾波板卡電路圖

2.3 故障現象

CCU收到電磁干擾后可能會發生失效，故障按照發生在主控端還是非主控端、單個CCU失效還是2個CCU同時失效表現出不同的故障現象，具體如表1所示。

表1 CCU失效故障現象

3 CCU 故障分析

CCU屬于敏感器件，易受到外部電磁干擾。干擾源可能來自于外部環境，也可能來自于動車組內部設備。電磁干擾達到一定程度后會觸發CCU板卡看門狗程序，使CCU進入監控模式，不再對列車實施控制并報出故障代碼。本研究根據動車組管理信息系統（EMIS）中的故障統計數據，從車型差異、配屬局差異、年份及季節差異等維度對因電磁干擾造成的CRH380B 及CRH380C平臺動車組291件CCU失效故障進行分析。

3.1 按車型統計

如圖2所示，CRH380B型動車組發生故障116件，百萬公里故障率為0.09；CRH380BG型動車組發生故障100件，百萬公里故障率為0.17；CRH380BL型動車組發生故障47件，百萬公里故障率為0.1；CRH3C型動車組發生故障28件，百萬公里故障率為0.1。從百萬公里故障率統計看，CRH380BG高寒動車組故障率較其他車型高。

圖2 CCU失效故障（按車型統計）

3.2 按配屬局統計

對配屬局CCU發生故障件數和百萬公里故障率進行統計。如圖3所示，發生故障件數最多的為沈陽局（68件），其次為上海局（64件）。按百萬公里故障率由高到低依次為哈爾濱局（0.19）、沈陽局（0.18）、蘭州局（0.17）、西安局（0.17）。總體而言，CCU百萬公里故障率與地域有一定的關聯性，地處北方鐵路局故障率高于南方或華中地區鐵路局。

圖3 CCU失效故障（按配屬局統計）

3.3 按發生日期統計

如圖4所示，故障率最高的為1月份，其次為3月、12月及2月，這4個月發生的故障總件數150件，占比達到53%。故障的發生表現出明顯的季節性特點，即冬季時故障率較高。

圖4 CCU失效故障（按月統計）

3.4 故障分布規律總結

因電磁干擾引起的CCU失效故障表現出較為明顯的規律性，一是有明顯的地域分布規律，北方局故障率高于南方局；二是CRH380BG高寒動車組高于其他車型；三是冬季故障率高于其他季節。

4 電磁干擾因素分析

4.1 動車組內部干擾因素

動車組的CCU是敏感元器件，容易受到動車組內部其他部件的電磁干擾。由于干擾源隨著距離的增加而減少，故動車組內部能夠影響CCU正常工作的干擾源主要來自與CCU距離較近的司機室設備，從歷史故障統計情況看，距離CCU較近的雨刷器和頭燈是2個典型引起CCU故障的干擾源。

（1）由雨刷器引起電磁干擾的原因為雨刷電機電源與CCU電源使用同一匯流排，雨刷器電機碳刷及清潔換向器在長期工作中的接觸不良會產生打火現象，形成浪涌耦合到CCU供電電路中，對CCU電源形成共模干擾。

（2）由頭燈電源引起電磁干擾的原因為動車組氙氣大燈的24 V母線經過CCU箱體內部，在氙氣大燈氣動過程中伴隨著高電壓，容易形成線路的干擾，耦合到CCU的電氣回路中形成干擾，造成CCU失效故障。

（3）其他設備引起的電磁干擾，如主斷路器、牽引變流器等大功率器件開閉。

4.2 外部環境干擾因素

電氣化鐵路供電系統由接觸網、軌道交通車輛牽引主電路、軌道和變電所形成一個整的回路并在主電路產生一個很大的諧波電流，并且隨著牽引功率的增大，干擾越大，尤其在冬季接觸網覆冰后造成弓網離線及鋼軌覆冰導致輪軌接觸不良時，這種干擾可能超過車內敏感設備的承受能力。

（1）接觸網受流不穩。冬季接觸網覆冰會加劇動車組弓網接觸不良。正常情況下，受電弓與接觸網良好接觸并獲取電流，當兩者由于各種因素做分離運動時，接觸面積急劇減小，接觸點處的電流密度增大，同時由于接觸面剛分離時產生的間隙非常小，電場強度很大，在達到一定條件后，空氣發生擊穿，從而引起氣體放電形成電弧。動車組運行速度提升時，弓網耦合振動加劇，弓網離線產生的電磁輻射更加劇烈，會對CCU造成干擾。受電弓離線電弧在動車周圍產生了較強的電磁場輻射。在動車頂面邊沿位置由于感應電荷密度較大，電場與磁場強度也相對較大。由車頂向下，隨著距車頂距離的增加，橫截面上的場強總體上逐漸減小。動車組運行在接觸網受流不穩的線路上，產生的電磁干擾不僅對自身電氣設備的正常工作產生影響，在2列動車組交匯時因線路條件相似可能都存在接觸網網流不穩，電磁干擾會相互影響，產生疊加效果干擾更明顯。

（2）軌道回流不暢。動車組在冬季運行，容易發生鋼軌附著冰雪，動車組經過時如同鋼軌上存有絕緣點，會導致車輪和鋼軌接觸不良，發生燃弧放電現象，一旦發生放電現象，可類比車組和軌道之間存在一個由放電電流I和擊穿后的冰雪R組成的一個電動勢ε=I×R，該電動勢將改變車體對地電勢差。車體作為所有系統（高壓AC25kV、中壓AC380V、低壓DC110V和信號DC5V） 的共用地，車體電勢的改變將影響車上各系統的接地點電壓。另外，隨著列車速度增加，車輪和軌道的耦合加劇，輪軌之間產生的放電燃弧也會形成電磁輻射，影響車上敏感電氣元件工作。

5 電磁抗擾度性能分析

為了驗證電磁干擾對CCU功能失效的影響，搭建試驗平臺開展測試，對濾波板卡進行外觀及參數靜態對比測試、電快速瞬變脈沖群試驗、浪涌抗擾度試驗、接地異常時抗干擾模擬試驗，并對其測試數據進行檢測分析。

5.1 外觀及參數靜態測試

選取發生CCU失效故障的濾波板卡及相同版本型號的新舊板卡進行外觀狀態對比。如圖5所示，從左到右依次為舊板卡、故障板卡、全新板卡。其中故障板卡整體發黃，說明其使用時間最長。

圖5 板卡外觀狀態對比

利用數字電橋和數字萬用表，對3塊濾波板上元器件性能參數及重要元器件進行對比測試，除Y電容和差模電感外，其他元器件的參數在線測量結果無明顯差異。

本研究對4個Y電容進行了容值、D值（損耗角正切值）、Q值（品質因數）的測量，其中編號為C103的Y電容檢測結果如表2所示，其他3個Y電容檢測結果情況類似。根據測試數據可知，故障板卡的容值、D值、Q值性能均低于其他2塊板卡。

表2 Y電容（C103）檢測結果 nF

本研究對差模電感進行了電感值（L）的測量。如表3所示，在主要參考頻率1 000 Hz下，故障板卡的電感值明顯低于新板卡與舊板卡，說明故障板卡差模電感的差模抑制性能出現顯著下降。

表3 差模電感檢測結果 mH

5.2 電快速瞬變脈沖群試驗

動車組在過分相、前照燈開啟、雨刮器啟動等工況時，CCU 110V供電存在形似電快速瞬變脈沖群（EFT）的脈沖干擾，因此對濾波板卡進行EFT抗擾度試驗。將待測試的濾波板卡安裝于CCU機箱中，并在其DC110V輸入端中耦合高頻脈沖信號，試驗標準參照GB/T 24338.4-2018 《軌道交通電磁兼容 第3-2部分：機車車輛設備》和GB/T 17626.4-2018《電磁兼容試驗和測量技術電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗》進行設置。測試過程中CCU工作狀態良好，無鎖閉或宕機等情況，取輸入輸出的多脈沖周期平均幅值并計算其濾波性能，檢測結果如表4所示。

表4 電快速瞬變脈沖群試驗結果

在EFT抗擾度測試中，新板卡表現穩定，1 kV～4 kV干擾等級濾波百分比在81%左右浮動。故障板卡表現最差，在1 kV等級下相較于新板卡存在31.5%的濾波性能衰減，4 kV等級下存在 17.7%的性能衰減，2 kV和3 kV等級性能衰減相對較小10%左右。

5.3 浪涌抗擾度試驗

浪涌等級最高施加到1 kV，耦合方式為L-PE（正線-地）及N-PE（負線-地），試驗結果如表5所示，0.5 kV（1級干擾）時，3張板卡的抗浪涌性能無明顯差異；1 kV（2級干擾）時，故障板卡與舊板卡正負線震蕩幅度為87～89 V，明顯高于新板卡的67 V，說明新板卡抗浪涌干擾性能優于故障板卡和舊板卡。另外，故障板卡在1 kV（2級干擾）時中心電壓偏離標準地3 V左右，大于舊板卡與新板卡的2 V偏差，抗共模干擾能力相對較弱。

表5 浪涌抗擾度試驗結果 V

5.4 接地異常模擬試驗

動車組CCU、人機交互界面（HMI）等電氣部件內的數字地、模擬地、電源地、機殼地都是與車體直接連通的，當動車組接地回流不暢時，會直接影響電氣部件工作性能。本文第3章節已經說明動車組在北方冬季時表現出明顯性能劣化規律，為驗證其性能退化是否由于冰雪天氣導致軌道接地回流不暢，進行了接地異常模擬試驗。

濾波板卡地線通過螺栓與面板相連，并通過面板與機殼地連接，同時通過拆除面板更換為線夾的方式來增加接地電阻并降低其接地可靠性。通過1 kV到3 kV的EFT抗擾度試驗來測試板卡濾波性能。在接地可靠和接地異常2種工況下，對故障板卡、舊板卡和新板卡輸出的幅值脈沖電壓進行統計（取多脈沖周期平均幅值），具體數據如表6所示。

表6 EFT抗擾度試驗數據 V

對比接地可靠和接地異常的數據，3張板卡在接地異常時對比各自接地良好的情況存在較大的性能劣化，接地異常后濾波性能顯著下降，脈沖幅值成倍提升。新板卡的劣化程度相對較小僅有8.6%～17.4%，故障板卡表現最差，在2 kV與3 kV等級性能劣化高達96.8%～99.4%，可以視為基本失去濾波功能。

5.5 測試及試驗結果分析

通過3張濾波板卡（故障板卡、舊板卡、全新板卡）上的各電器元件參數測量及相關性能試驗對比，可以得出以下結論。

（1）濾波板卡隨著使用時間的延長，其Y電容及差模電感等元器件性能逐步衰減，其中Y電容主要作用為抑制共模干擾，差模電感主要作用為抑制差模干擾，因此板卡濾波性能呈逐漸下降趨勢。

（2）濾波板卡良好接地時，脈沖幅值濾除能力依次為新板卡、舊板卡、故障板卡。濾波板卡接地異常時，無論是故障板卡、舊板卡，還是新板卡，濾波性能與接地正常時相比出現明顯劣化，特別是故障板卡在2 kV、3 kV等級下基本失去濾波功能。

6 建議和措施

綜合上述分析，本文從CCU濾波板卡高級修及板卡性能升級等方面提出以下建議。

（1）動車組高級修規程對于CCU板卡的檢修規定：三級修不下車檢修，僅做外觀檢查和功能測試；四級修增加了CCU電池更換；五級修增加冷卻風扇更換及整機性能測試（包括導通絕緣耐壓測試和板卡的功能測試）。本次選取進行試驗的故障板卡使用時間為7年，走行里程約383萬km，還未進入五級修。因此，建議三級修時增加對濾波板卡的在線測試，選一定數量板卡進行檢測，摸索規律，建立檢測標準和規范，其中濾波板卡需要測試其濾波電容的容值，并對其進行浪涌抗擾度和EFT抗擾度試驗，同時進一步研究四級修時更新濾波板卡的必要性。

（2）對于共模干擾，濾波板卡僅有Y電容進行過濾；對于差模干擾，僅有差模電感進行過濾；對于浪涌電壓，僅有一個TVS進行抑制。對于不同的電磁干擾形式，濾波板卡的濾波手段都比較單一，這也是CCU容易受到電磁干擾的一個重要因素。因此，建議對濾波板卡進行適當的升級改造，提高其濾波性能，如增加以壓敏電阻和氣體放電管構成的浪涌吸收電路作為第一級吸收電路，并增加第二級浪涌吸收電路，由差模電感、線間壓敏電阻和共模電感組成，進一步抑制共模干擾和差模干擾；加大支撐電容，抑制DC110V電源電壓的突降或暫斷，降低電源的紋波電壓，提高電源供電的穩定性。

7 結束語

本文針對動車組CCU受到電磁干擾后失效的故障，通過對故障原理的研究，提出了在高級修及源頭設計環節的建議措施，可以有效提升CCU抗電磁干擾能力，大幅降低CCU故障率，為動車組運行安全提供有力保障。