CRH5A型動車組充電機中壓接地故障研究

[摘 要]為滿足城市化發展需要，越來越多的城鎮開通了動車及高鐵。同時，各種相關的運營故障也不可避免。文章介紹了CRH5A動車組充電機的技術參數和工作原理，充電機內部短路、接地故障，造成中壓母線短路、接地，輔助變流器保護封鎖，中壓擴展后仍然無法有效解決，導致了列車故障，重點分析了產生短路、接地問題的原因，制訂了有效的整治方案，并通過地面試驗和整車試驗驗證了本整治方案的可靠性和合理性。

[關鍵詞]充電機；變流器；IGBT；接地；短路保護

[中圖分類號]U266 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）12–0086–03

Research on the Medium Voltage Grounding Fault of CRH5A Type EMU Charging Machine

XU Huibing

[Abstract]In order to meet the needs of national urbanization development， more and more cities have opened high-speed trains and expressways. Meanwhile， various related operational failures are also inevitable. This article mainly introduces the technical parameters and working principle of the CRH5A high-speed train charger， as well as the occurrence of internal short circuits and grounding faults in the charger， resulting in medium voltage bus short circuits and grounding. The auxiliary inverter protection is blocked， and even after the medium voltage expansion， it still cannot be effectively solved， leading to train faults. The reasons for the short circuits and grounding problems are analyzed in detail， and an effective rectification plan is formulated. The reliability and rationality of this rectification plan are verified through ground tests and vehicle tests.

[Keywords]charger； inverter； IGBT； ground； short circuit protection

CRH5A動車組中，充電機是必不可少的低壓供電設備。同時，其還負責對輔助性的發電機的控制系統提供電壓。通常，電力機車、動車組、機車輔助回路的供電都由充電機組提供，一旦出現電源柜故障時，充電機組可充當備用電源，避免出現危險，保障系統正常運行。日常使用中，必須保證充電機并聯的蓄電池組儲存足夠的電能，以備不時之需。

近年來，CRH5A平臺動車組發生多起因充電機IGBT（絕緣柵雙極晶體管）接地、短路故障，導致輔變并網輸出失敗，多個輔助切除，變壓器切除，進而造成車輛停車晚點故障。

1 CRH5A型動車組充電機主要技術參數和工作原理

1.1 技術參數

CRH5A型動車組主要技術參數如下：電力半導體器件，IGBT；額定輸入電壓，400 V AC；額定頻率，50 Hz；蓄電池額定電壓，24 V DC；蓄電池浮充電壓，29 V DC；最大輸出電流，570 A；最大輸出功率，15 kW；最大輸出紋波電壓（峰峰值），3.5 V。

1.2 工作原理

充電機的工作原理如圖1所示。400 V、50 Hz的三相交流電由動車組的輔助變流器輸出到充電機，在充電機內部，經過三相濾波器濾波后送入三相整流橋，通過整流獲得中間直流電，然后經過三路并聯的 IGBT功率變換模塊逆變成高頻交流電，再經過高頻變壓器降壓，降壓后的交流電經過高頻二極管整流并經過濾波后輸出直流24 V。

1.3 充電機的主要功能

充電機按照一定的特性曲線為蓄電池充電，蓄電池電量低時采用恒流充電，當達到浮充狀態時，根據溫度采用相應的恒壓特性充電。充電機在20℃時的特性，顯示了最大輸出總電流，其中包括蓄電池充電電流。在0～+50℃時，充電機根據溫度補償蓄電池充電端電壓，蓄電池溫度每增加1℃電壓減少60 mV。超出0～+50℃時，充電端電壓恒定不變。每個充電機提供3路24 V直流電（B1+、+Lp、+B），各路直流電壓通過高頻隔離變壓器與輸入電壓隔離，分別供給車輛的低壓負載及本車蓄電池。充電機輸出B1+和+B之間，+B和+LP之間，B1+和+LP之間采用二極管隔離，并采用并聯支路方式連接。相反地，B1+和+B任何一路均提供給+Lp輸出。充電機輸出B1+和+Lp連接到低壓干線上，為普通負載及優先負載供電。

1.4 充電機結構特點

充電機整體采用模塊化設計，結構緊湊，強迫風冷冷卻方式，外形體積小，大幅減小了整機的占用空間。

2 CRH5A型動車組充電機中壓接地故障原因分析

2.1 輔助變流器短路保護邏輯

CRH5A平臺動車組輔助變流器相間短路和接地短路保護邏輯一致，既有輔助變流器短路保護邏輯分為三級：①一級。輸出電流瞬時值保護閾值950 A，持續200 μs。②二級。輸出電流瞬時值保護閾值1 050 A，持續100 μs。③三級。輸出電流有效值保護閾值650 A，持續500 μs。

若觸發短路保護后，輔助變流器封鎖脈沖，重啟5次后故障未消除則停機；短路保護和接地短路保護故障邏輯一致。該輔變停機后，車輛輔助擴展供電。

2.2 充電機短路主電路及保護邏輯

充電機輸入電路串聯中壓分配開關15QM01，用于故障后電路隔離。該開關通過閉合主控板上K7繼電器發出DO信號，使得17 KBS中間繼電器閉合，17 KBS繼電器的常開觸點串聯在15QM01開關的脫扣器線圈中，當17KBS繼電器閉合后，15QM01開關可斷開。

充電機直流回路設置電流傳感器TA1，當檢測到的電流值>55 A且持續5 ms，主控板報出輸入短路故障并發出斷開15QM01開關的脫扣指令，該指令為持續500 ms的低電平脈沖。

K7繼電器、17 KBS繼電器及15QM01開關脫扣器的動作時間約51 ms時，但因輔助變流器故障保護動作時間為百μs極別，其保護后停止400VAC輸出，充電機電源板ALIM沒有400VAC輸入停止輸出12 V電壓，導致充電機主控板控制電失電，無法正常完成15QM01開關的脫扣動作，即無法將故障充電機隔離，進而在其擴展供電后造成其他車輔助變流器故障。

CRH5A平臺動車組充電機現有主電路與車輛中壓母線無法斷開（充電機短路或接地如圖2所示），導致充電機內部母線故障后，會對車輛母線造成影響。

3 整治方案

3.1 方案說明

在充電機主電路輸入端增加輸入接觸器K1、中間繼電器KJ，采用自主化主控板替換原主控板，并修改充電機內部走線。當充電機發生短路故障時，由充電機主控板給出信號，通過中間繼電器KJ控制輸出接觸器K1斷開，隔離充電機與中壓供電母線。同時給主控板新增一路24 V供電，在400 VAC輸入停止后仍可持續向主控板供電，達到斷開接觸器的目的。新增接觸器和中間繼電器接線原理如圖3所示。

3.2 硬件改造

（1）新增接觸器K1、中間繼電器KJ。（2）使用自主化主控板。

3.3 軟件升級

充電機軟件增加短路檢測邏輯，在發生短路故障時斷開輸入接觸器，充電機內部記錄故障信息并上傳該故障信息至車上，再次上電時充電機內部進行自檢，若故障未消除，充電機輸入接觸器不吸合處于斷開狀態，防止影響前級的輔助變流器。

具體保護邏輯為在輸入短路故障發生后，即當TA1檢測到的電流值大于60 A延時80 μs時報出短路故障，該故障位可在DSP中一直保持存在并將標志信息寫入外部存儲芯片，保證控制電斷電后信息可以保留。主控板每次重新上電初始化時可從外部存儲芯片的相應地址讀取標志信息，以判斷之前是否發生過輸入短路故障，該外部存儲器芯片的相應地址內的數據只能通過上位機操作進行數據恢復。

3.4 地面方案驗證

根據方案進行主電路優化，針對改造方案可行性試驗驗證。選取1臺充電機進行改造，如圖4所示，在充電機輸入端增加輸入接觸器、中間繼電器，并將輸入接觸器、中間繼電器的狀態反饋接入到自主化主控板，同時給主控板新增一路24 V供電，在400 VAC輸入停止后仍可持續給主控板供電，達到斷開接觸器的目的。

在充電機中間直流回路并聯3個25Ω的電阻，模擬中間直流回路短路工況，啟動充電機后檢測是否發生短路過流保護并斷開輸入接觸器。

啟動充電機后，上位機報出“短路過流故障”，同時顯示中間繼電器、接觸器斷開。根據實際波形記錄，測試出從過流故障發生至斷開中間繼電器的DO信號發出為3.1 ms，從DO信號發出至中間繼電器斷開為29.7 ms。

3.5 測試結果

通過以上試驗測試、故障時波形的記錄、地面試驗和運行考核，自主化主控板方案在充電機直流回路短路工況下可通過斷開輸入接觸器隔離故障充電機。試驗結果表明整改措施具有可行性。

3.6 安全評估

整治前后不會影響充電機正常功能和整車的安全運營，整治后能有效降低內部短路故障影響，避免內部短路造成輔助變流器擴展失效，造成車輛牽引切除。

4 結束語

通過以上的問題說明及解決方案，可解決充電機的接地問題，后續在動車組運行和檢修時應關注充電機存在的不合理地方并及時反饋消除隱患。隨著信息數字化的發展與進步，未來，充電機會變得越來越智能化，控制系統也會更加地面向操作者而非機器本身，對于動車的控制也會增加更多的人機交互功能，不斷滿足更進一步的發展。

參考文獻

[1] 牛勇，張晉芳，李相鋒，等.CRH5型動車組充電機技術研究[J].鐵道機車與動車，2014（7）：12-15，19，5.

[2] 龐曉，王贊輝.淺談CRH5型動車組充電機原理及結構[J].華東科技（學術版），2014（4）：25.

[3] 韓冰，趙許強，林鵬，等.一種新型高速動車組充電機設計[J].鐵道機車車輛，2020，40（5）：29-32，51.