CRH380CL型动车组主断路器闭合故障分析与解决方案

李　强　丁　勇　刘国梁

（中车长春轨道客车股份有限公司电气研发部，130062，长春∥第一作者，高级工程师）

主断路器用于动车组整车与接触网之间的主电路的断开和接通，同时具有过载和短路保护作用［1］。主断路器故障可分为2大类，即主断异常断开故障和主断闭合故障。主断异常断开故障可分为接触网侧异常、车辆负载侧异常、断路器本体故障、接收异常指令、其他故障等5类［2］。而主断闭合故障通常是由主断路器电磁阀或辅助触点硬件故障、气路不良、电气元器件质量等问题造成的［3］。

本文针对CRH380CL型动车组近期发生的网压异常导致主断断开，进而引起列车出分相区后主断无法自动闭合的问题，进行主断路器故障分析，并通过优化网络系统控制软件，加入延时和滤波的处理方式，解决主断异常断开及无法自动闭合的问题。

1　主断路器工作原理与故障诊断

1.1　动车组网压超出正常范围的保护

当CRH380CL型动车组在有电区运行时，其网压与牵引变流器输出功率百分比的关系如图1所示：①网压在22.5～29.0 kV时，牵引变流器可以输出额定功率；②网压在22.5～17.0 kV时，输出功率从最大值线性递减至0；③网压在29～31 kV时，输出功率从最大值线性递减至0。

在上述电压范围以外时，动车组网络系统立即发出命令将主断路器断开，使接触网停止向动车组供电，以保护各高压元器件。与此同时，司机室显示屏将报出故障代码2013（网压不在规定范围内导致主断断开）。

1.2　主断闭合使能信号

主断闭合使能开关量输出（DO）信号成立是发出主断闭合命令的前提条件。当司机手动将主断手柄扳至“闭合”位时，如果此时受电弓升起、变压器无故障、网压正常无过流发生等条件都具备，则主断闭合使能DO信号成立。该DO信号控制的继电器的辅助触点串联在主断闭合硬线电路中，最终控制主断闭合。当与该DO信号有关的条件之一不成立时，主断将自动断开，此时司机或机械师在解决相关故障之后，再手动闭合主断，该DO信号才能再次成立。即：出于安全原因考虑，在发生主断意外断开的故障后，即使故障情况复位，也需要司机手动操作发出主断闭合命令，主断才能被闭合。

1.3　进出分相区的主断控制

CRH380CL型动车组进出分相区的主断控制如图2所示。当网络系统检测到列车进入分相区信号时，发出主断断开的DO信号。该DO信号控制的继电器的辅助触点串联在主断断开硬线电路中，进而实现硬线电路的主断断开命令。此时主断的反馈状态是断开。当网络系统检测到列车出分相区信号时，发出主断闭合的DO信号，最终实现硬线电路的主断闭合命令。当出分相区后存在自动闭合主断命令DO时，但2 s内主断反馈状态仍是断开，则列车控制管理系统（TCMS）报出故障代码2020（主断闭合故障）。

2　主断闭合故障数据统计

2017年1月中旬至2月上旬，CRH380CL型动车组在沪汉蓉高速铁路的合宁段及合武段、甬温客运专线、胶济客运专线发生过若干次主断闭合故障。根据收集到的部分动车组故障记录和运行信息，整理得出的故障情况如表1所示。

CRH380CL型动车组批量运行之初，主要投入于京沪高铁线路。该线路为动车组专线，接触网距轨面高度为5 300 mm，受电弓与接触网接触情况良好，高压受流稳定，很少发生网压瞬间中断的情况。CRH380CL型动车组后续投入胶济客运专线、甬温客运专线及合宁客运专线运营。这些客运专线目前的速度等级是200 km/h，为客货混跑线路或升级改造的既有线路，其接触网距轨面高度为6 450 mm。CRH380CL型动车组在这些客运专线上运行，受电弓与接触网的接触情况劣于京沪高铁，因此，在某些固定的位置点上，有时会发生网压瞬间中断的情况。由表1的统计数据可知，网压恢复时间一般需要200～600 ms。

3　主断闭合故障原因分析

3.1　网压瞬间异常波动导致主断断开

图2　动车组进出分相区的主断控制流程

列车在有电区运行时，由于网压瞬间（200～600 ms）低于17 kV，导致主断断开，同时报出故障代码2013。具体诊断逻辑如图3所示。

按照该故障诊断逻辑，每次因网压过低导致主断自动断开时，都应该在司机室显示屏上报出故障代码2013，提示司机尝试手动闭合主断。虽然网压每次瞬间中断时主断都会自动断开，但司机室显示屏并未每次都报出故障代码2013。其原因在于：网压异常的持续时间过短，主断闭合使能DO信号（VCB-CLOSE-LOC1和 VCB-CLOSE-LOC2）在发出1个周期的脉冲信号时，网压已经恢复为正常范围，造成诊断逻辑在时序上遗漏了故障代码2013的诊断时机，使得司机未能直观发现某个主断已经处于断开状态，导致动车组在牵引总功率不足的条件下继续运行。

3.2　主断异常断开导致列车出分相后无法自动闭合

动车组网压中断与进出分相时序如图4所示。在t1时刻，网压异常中断导致主断断开时，如果动车组继续运行进入分相区（t3时刻），由于主断已提前断开，所以此时不会报出任何故障；在t4时刻检测到出分相信号时，发出出分相闭合主断DO信号，但由于主断是进入分相区前发生网压异常中断而导致断开的，故主断闭合使能DO信号一直处于不成立状态，主断不能被闭合，也即不能反馈闭合状态，最终导致报出故障代码2020。

表1　CRH380CL型动车组主断闭合故障统计数据

4　主断闭合故障解决方案

4.1　优化网压异常时的主断命令控制逻辑

网压异常时的主断命令原控制逻辑为：一旦发生网压过低，网络系统立即复位主断闭合使能DO信号，发出断开主断命令。

由于一些200 km/h速度等级既有客运专线的接触网距轨面较高，使得受电弓对接触网的接触力偏弱，导致网压瞬时值偶尔会出现低于17 kV的情况。因此，结合表1中网压低于17 kV持续时间的统计数据，将控制逻辑修改为：当网压≤17 kV发生且持续0.6 s后，才将主断断开。0.6 s的网压瞬间中断不会对高压部件的正常工作造成影响。

图4　动车组网压中断与进出分相区时序图

控制逻辑修改后，对于发生网压≤17 kV且持续不超过0.6 s的情况，能够保证主断不自动断开，即不会在有电区内由于网压瞬间过低导致主断自动断开，也使得动车组在进出分相区时，主断断开和闭合过程能够正常进行，不会因此发生主断闭合故障（故障代码2020）。

4.2　优化主断异常断开的诊断逻辑

由于网压异常的持续时间过短，在主断异常断开的诊断逻辑时序上，有时会遗漏了故障代码2013的诊断时机。为解决该问题，可在网压从17 kV以下又恢复到正常值时，增加2 s延时，之后再判断主断闭合使能DO信号是否变为0。此项优化可避免由于网压瞬间波动又恢复正常时，主断已经断开，但无法提示故障代码2013的情况。优化后的诊断逻辑见图5。

图5　优化后的故障代码2013诊断逻辑

经过上述优化，如果发生网压瞬时异常波动而导致主断断开，网络系统每次都能够通过司机室的显示屏进行声光报警，司机可以及时操作主断扳键，手动闭合主断。同时，也可避免动车组进入分相区前，由于司机没有发现网压瞬间过低而导致主断断开、出分相区后主断无法自动闭合的问题（故障代码2020）。

5　结语

为解决CRH380CL型动车组发生主断闭合故障问题，提出了对主断路器控制逻辑和诊断逻辑进行优化的解决方案。解决方案于2017年2月完成了网络系统的软件升级，同时完成了地面测试以及中国铁路总公司组织的软件变更评审，2017年5月完成了现车测试及运用考核。根据运用部门反馈的信息，优化后的网络系统软件没有再次发生主断闭合故障的问题，动车组运行状态良好。

［1］赵颖，董慧卿．机车真空断路器弹簧杆断裂故障分析及改进［J］.电力机车与城轨车辆，2017（3）：82.

［2］郑敏，翁依弟．CRH1型动车组运用中LCB异常断开的原因分析和处置方法［J］.铁道机车车辆，2016，36（1）：90.

［3］吴军沛．HXD1B电力机车BVAC.N99D型真空断路器闭合故障的判断与预防措施［J］.铁道机车车辆，2016，36（5）：98.