HXD3型电力机车ATP惩罚制动故障分析及改进措施

黄玉贤,杜明忠,高 原

(中国北车集团 北京二七轨道交通装备有限责任公司 技术中心,北京100072)

以保证运行安全为目的,以监测运行速度为手段对列车进行控制的系统称为列车自动保护系统(简称ATP)。列车运行监控记录装置简称监控装置,是保证列车运行安全为主要目的的列车速度控制装置,采用计算机智能处理对列车运行速度进行安全监控,实现ATP功能。就HXD3型机车ATP惩罚制动电路的构成和工作原理进行简单介绍,对运行中出现的典型故障进行分析说明并提出改进措施。

1 问题的提出

西安铁路局安康机务段配属的HXD3 0741号电力机车在运用过程中多次无故出现列车管减压,制动系统显示屏(LCDM)报ATP惩罚制动,即LKJ2000型监控记录装置没有记录发出惩罚制动指令,而机车制动系统的微处理器(IPM)却显示收到信号从而发出相应控制指令,致使机车实施惩罚制动,严重影响了机车的正常使用。

2 ATP惩罚制动电路构成及工作原理

2.1 AT P惩罚制动电路构成

HXD3型机车 ATP惩罚制动电路构成如图1所示。主要由3部分构成:①监控装置。监控装置工作的主要过程包括采集列车和线路状态参数,获取运行指令并确定指令目标处的速度控制值,对照指令目标处的速度值计算出列车运行当前必须限定的速度值(限速值),将采集的实际运行速度与限速值进行比较判断,对实际运行速度达到限速值的情况进行报警,切除牵引或制动等控制指令进行速度控制。在实现安全速度控制的同时,采集并记录与列车安全运行有关的各种机车运行状态信息。电路中对应发出惩罚制动指令的为LKJ2000型监控主机;②电缆传输线。电路主要由监控输出线J152和机车配线840构成;③制动系统。主要包括继电器接口模块(RIM)、(IPM)、制动显示屏(LCDM)、电空控制单元(EPCU);RIM是微处理器IPM与机车控制系统和安全装置(ATP)之间通信的继电器接口;IPM主要处理机车制动系统的各种任务,并通过LCDM进行故障记录和状态显示,通过LON网络传送制动指令给EPCU以执行制动命令;EPCU主要由电空阀和空气阀组成,它是制动系统的执行部件。

图1 ATP惩罚制动电路图

2.2 ATP惩罚制动监控装置电路工作原理

监控装置内部对应的惩罚制动输出电路图如图2所示。HXD3型电力机车上的惩罚制动信号为监控主机常用制动输出继电器的常开触点控制;正常状态下,监控装置在列车运行速度超过允许的限制速度时输出卸载指令,而当卸载不能使列车减速,此时由监控装置发出制动指令使列车实施常用制动,迫使列车减速。即在满足监控装置输出制动指令的条件下,监控主机会发出惩罚制动的指令GF'(关风),使对应的继电器RL4得电动作,RL4继电器常开触点闭合,从而使J152(GFO)输出110 V的高电平信号,信号通过840传输给制动系统,同时在监控记录上会记录发生惩罚制动指令时机车的运行状态;制动系统IPM在接收到该信号后通过LON网络传送指令给EPCU执行相应命令来控制机车空气管路的压力,实施惩罚制动,并且在制动系统对应的显示屏LCDM上记录下该故障信息为“ATP惩罚制动”。

图2 监控装置输出电路

3 影响ATP惩罚制动故障的因素

根据ATP惩罚制动电路的工作原理可知产生该误动作的信号并不是由监控装置正常发出的,故结合机车惩罚制动的电路组成进行故障分析,可知能够造成ATP惩罚制动误动作故障主要有3种情况:(1)监控主机硬件故障;(2)制动系统故障;(3)监控主机到制动系统的信号传输通道故障。

3.1 监控主机硬件故障

监控主机本身硬件故障即监控主机内部对应的惩罚制动输出继电器 RL4线圈串电,造成继电器得电动作或者是继电器RL4的常开触点部分由于干扰受大电流击穿而闭合,造成惩罚制动指令的输出,制动系统得到惩罚制动的信号后,执行机车惩罚制动动作。即误动作的状态是由于没有经过监控装置的条件控制,直接因硬件故障而造成的,所以在监控装置上既无文件记录也无任何提示。

3.2 制动系统存在问题

制动系统本身存在问题一种是IPM设备所允许的门槛电压值偏低;IPM设备对应的惩罚制动输入电压的门槛值正常为32 V,如果故障机车的IPM设备所允许的门槛电压值偏低,当干扰来临时,超过了设备所允许的门槛电压值,从而引起装置误动作。另一种是IPM上电源和地线处理的不好,110 V电源和地线的干扰进入装置而使装置误动作造成的故障。另外制动系统的IPM设备输入端口的抗干扰能力弱,不能有效滤除线路中的干扰信号,则设备也会受到外部干扰,从而影响到系统的正常运行,造成装置误动作。

3.3 监控主机输出到IPM的信号通道上存在问题

此通道上存在问题有两种可能,一种是机车上的该输出线路存在串电;监控到制动系统的配线主要包括监控装置的J152和机车外部配线840号线,此线路存在串电,即此线路与其他线路之间绝缘存在问题,使得机车在运行过程中,与其他线路接触,引起误动作;另一种则是监控装置的输出接口与IPM的输入接口设计的不完善,使得该线路易受到机车上110 V以上强电信号的干扰,使IPM误判有惩罚制动信号而输出相应的指令给EPCU,从而实施惩罚制动。

通过对监控主机与制动系统的信号通道进行分析发现,现车采用电缆直接连通LKJ2000惩罚输出信号到IPM,而且LKJ2000的监控主机为继电器常开触点输出控制,在无输出时此线为悬空状态;由于机车上使用的大功率设备比较多,特别是一些大的感性负载启停时会给机车电气系统造成严重污染,使得机车电压有较大幅度的涨落。而在信号线840无输出时,常开触点控制的信号线相当于一个具有天线功能的元件,而且该信号线的走向是经微机柜连接器后沿侧墙走线盒到制动控制柜,走线路径比较长,期间在走线盒中与一些接触器的配线相邻;当机车通过分相区时,一些感性负载的启停,很容易使干扰信号耦合到线路上,引起大的干扰。当干扰来临时可能会出现一个高于IPM门槛值的电压,从而引起机车惩罚制动。

4 解决ATP惩罚制动故障的措施与效果

分析以上可知针对监控装置本身硬件故障和制动系统IPM门槛电压低的故障,通过更换监控主机和更换出现问题的IPM和RIM进行解决;对IPM整机的电源和地线处理不当引起的误动作,通过重新布置电源线和地线进行故障处理;如果外部线路存在串电的情况,通过绝缘检查,以排除840与其他线路存在串电的可能。

结合HXD3 0741机车在线运用过程中发生ATP惩罚制动故障处理的具体情况,认为导致ATP惩罚制动误动作的主要原因是监控装置输出到IPM的输入通道接口设计不完善和制动系统输入端口抗干扰能力弱造成的。具体解决措施可从以下两方面考虑:

(1)提高制动系统设备的抗干扰能力

由于机车上的110 V上有众多的大电感负载,如接触器线圈、继电器线圈等,电路接通和断开电感负载时,产生瞬间干扰往往严重妨碍系统的正常工作,干扰信号也会通过多个途径耦合到用电设备中,为此在设备的电源部分要有电涌吸收电路,能够吸收电涌电压以保证设备的正常工作。而在设备的信号输入电路部分,建议在IPM设备的信号输入端口上合理的采取滤波措施;滤波是为了抑制噪声干扰,所以合理使用滤波器,可以削弱或抑制干扰,从而保护后级电路。

(2)在信号传输通道上加装下拉电阻

由于此信号采用的是监控装置的继电器常开触点控制,惩罚制动无输出时为悬空状态,为高阻态;为减小导线的输入阻抗,减少干扰,在惩罚制动输出信号线上,靠近IPM一侧增加一个1.5 kΩ/25 W的下拉电阻R,增加下拉电阻后电路图如图3所示。增加电阻后,惩罚制动无输出时,此信号线不再为悬空状态,确保惩罚制动信号线对蓄电池负极电压为0,当信号线受到外界干扰时,通过此下拉电阻提供一个连续到地的电流通路,来吸收导线上传播的能量,即将干扰信号通过该电阻引入地,为干扰信号提供一个释放通道,从而有效消除原惩罚制动信号线对IPM输入端的外部干扰。

图3 加装下拉电阻后ATP惩罚制动电路

LKJ2000内部输出继电器的负载能力约300 mA的电流,在惩罚输出信号线上增加的电阻吸收电流约74 mA,IPM在惩罚制动信号输入有效时所需电流不足10 mA,故增加的电阻不会对LKJ2000的负载输出造成影响,而且由于电阻是并联在IPM的输入上的,因此对IPM的有效输入电压也不存在影响。故增加该下拉电阻不会对整个线路造成不良影响。缺点就是在电阻上消耗功率,存在电阻发热耗能。鉴于现车改造方便,目前在HXD3 0741号机车上就是采取加装下拉电阻方案。

5 结束语

自2010年4月在HXD3 0741号机车上增加下拉电阻以来,该车运用效果良好,未再出现由于线路干扰造成的ATP惩罚制动故障。通过加装该下拉电阻可以有效地减少由于线路干扰造成的制动系统误动作,同时也对制动系统IPM输入端口的干扰起到一定的抑制作用。

在通过 HXD3 0741号机车验证加装效果后,我们对配属西安铁路局安康机务段的30台HXD3型电力机车全部加装了下拉电阻,目前运行情况很好。

[1] 张曙光.HXD3型电力机车[M].北京:中国铁道出版社,2009.

[2] 杨志刚.LKJ2000型列车运行监控记录装置[M].北京:中国铁道出版社,2003.

[3] 齐富彬,钱 京,黄国超.7GDF型机车电气系统的电磁干扰问题研究[J].机车电传动,2006,(3):23-27.