动车组辅助电源装置故障分析与试验研究

李 斌, 刘卫平, 周 博, 张希明, 王文军, 王兆枫

(1.中车长春轨道客车股份有限公司 基础研发部, 长春130062; 2.吉林大学 仪器科学与电气工程学院, 长春130061)

0 引 言

动车组网络控制系统[1]作为协调各车载子系统正常工作的基础平台, 对动车组高速安全运行起到关键作用, 网络控制系统的功能主要包括通信、 控制[2], 状态监控及故障信息的传输和记录。 若控制系统发生故障可能造成列车运行事故, 危及行车安全[3]。

CRH3 型动车组网络控制系统主要包括中央控制单元[4], 智能终端, 监视器, 显示屏等, 各系统相互配合, 发挥最大的效能。 中央控制单元负责其牵引单元内的车辆控制[5], 该单元由列车总线读取信息,并向多功能车辆总线发送命令, 在控制动车组牵引与制动的同时, 控制采暖、 通风和空调等辅助用电设备, 其主要功能是通过数字量与模拟量的输入与输出控制诊断监视, 动车组列车子系统[6]是通过多功能车辆总线与中央控制单元进行通信, 稳定运行控制, 保障行车的可靠性与安全性; 智能终端主要负责列车各种信号的采集, 控制列车通信[7]接口, 并将采集到的信号通过通信协议传输到中央控制单元。

动车组辅助供电系统主要包括主电路、 控制电路、 辅助电路[8], 辅助电路部分是由电线路、 电气从属设备、 辅助电源组成; 供电辅助系统为动车组的高速运行提供保障[9], 为乘客的出行提供便捷, 为乘务人员工作提供支持。 动车组车头车前大灯、 车内空调、 电子屏、 LED(Light Emitting Diode)灯具、 语音播报系统等均是辅助供电系统的负载, 同时该系统也是整车控制系统的主要监控、 控制对象, 如空调温度、 车内外实时温度、 灯亮度、 车内空气湿度都受控制系统调控。

为了快速找出致使车头照明灯熄灭不能重新自启的故障原因, 笔者综合运用计算机控制、 变频调压、 传感器测量等技术, 结合上位机控制, 搭建成一套测试系统。

1 故障分析

在动车组行车过程中, 如果照明系统发生故障[10], 则车前大灯会出现熄灭的情况, 而按照国标要求, 这种情况必须零发生。 前探照灯是夜间、 雾天、 雨天及恶劣天气行车的必备要素, 如若出现熄灭的状况会迫使动车组[11]临时急停, 造成严重后果。 在CRH3 型动车组运行过程中, 如果出现辅助电源部分断路器[12]跳闸, 则将使部分功能不能正常工作, 从而造成严重故障。

辅助电源保护电路中的前端瞬变电压抑制二极管[13](TVS: Transient Voltage Suppressor), 是一种专用于限制过压的电器件[14], 它与正常稳压管相比, 反应时间更快, 钳位至某规定范围值仅需1 ps; 瞬态功率大[15], 10 / 1 000 μs 测试下典型值为400 W、600 W、1 500 W、 3 000 W, 军用等级可达更大功率; 并且钳位电压比较容易控制。 其主要作用是吸收浪涌[16], 当DI 正负极间输入电压大于前端保护TVS 管工作电压时,TVS 管能凭借其速度优势瞬间将阻抗值降到很小, 同时吸收瞬间的大电流, 钳位管两端电压至设计额定范围内, 保护后级电路及元件, 使其免遭瞬时高压脉冲的破坏。

由于110 V/ 24 V-DC / DC 开关电源容量较小, 投切大型负载, 或投切负载频繁、 电弓侧母线电压出现杂波时, 110 V 直流母线会出现较大电压波动以及很大浪涌电流, 瞬时能量的大幅增加可造成空开断路器由通态变断态。

2 空开断路器跳闸及TVS 管击穿原理

2.1 空开断路器跳闸原理

IDPN-A9P08606 是一种小型断路器, 经查Schneider 产品手册, 该断路器符合IEC 60947-2 标准。断路器的限流通过触头两级相互排斥并且能快分断实现。当供电线路出现短路并超过极大电流值或电流波动远远超过电流限制时, 断路器中的电磁系统很快使触头发生动作响应, 达到限制短路电流的目的。限流效果如图1 所示。 小型断路器限流原理及其保护功能目的是防止热应力以及动应力毁坏电导体和电气设备。 根据焦耳定律, 能量积分公式为

由式(1)可以看出, 流过空开的能量取决于流过其的瞬时电流和时间, 若需要断开动作响应更快, 则应尽量降低能量冲击, 即电流要小、 分断时间要快。 IDPN 小型断路器限流曲线如图2 所示。

图1 预期短路电流和实际限流后电流对比示意图Fig.1 Comparison of expected short circuit current and actual current after current limit

图2 IDPN 型限流曲线Fig.2 IDPN type current limiting curve

正常工况下断路器工作电流较小, 发生短路时短路点的短路电流总是由正常工作电流连续上升至短路电流值, 其值可能达十几千安, 电流上升过程需要一定的时间。 小型断路器特点是动作快, 一般会在电流上升到最大值前将断路器断开。 限流能力好坏由断路器反应的速度、 分断的电流、 断路器瞬间吸收能量确定。

2.2 TVS 击穿原理

利用PN 结的反向击穿性, 再辅助其他技术, 设计出能快速响应的TVS 管, 并在击穿时不能损坏二极管, 同时要求在TVS 能承受的能量级别内, 以避免P-N 结过热而烧毁。 双向瞬态抑制二极管的伏安特性曲线可视为两只单向瞬态抑制二极管“背靠背” 组合, 其正反两个方向上具有相同的箝位特性和雪崩击穿特性, 且正反两面启动电压的对称关系可用0.9≤VB(正) /VB(反)≤1.1 表示, 当在其两端的雷电过电压超过箝位电压VC时, 瞬态抑制二极管就会立刻动作, 将雷电过电压泄放入地, 双向TVS 在交流回路应用十分方便。 P-N 击穿有两种重要机制: 隧道效应和雪崩倍增。 对于硅管和砷化镓管, 击穿电压小于4Eg4/ q(Eg为禁带宽度,q为电荷量), 或大于6Eg4/q时, 是雪崩击穿。 雪崩击穿电压随温度增加而增加。温度较高导致晶格强烈震动, 其和相应载流子碰撞损失的能量大大增加, 进而减慢了其从电场积累能量的速度, 导致需要更高的碰撞电离及雪崩倍增能量。 当能量足够大, TVS 管发生永久性损坏。

3 实验及结果

3.1 断路器状态测试

实验方法: 用示波器记录断路器断开时的电压电流波形, 在110 V 直流电源测分别加三角波、 正弦波、 方波模拟110 V 母线电压剧烈波动工况, 改变波动持续时间、 幅值、 频率, 持续烧机时间在2 h 以上对断路器状态监测。 实验结果如表1 所示。

表1 测试结果Tab.1 Test results

3.2 浪涌测试

浪涌电流是电源接通的瞬间或当电路出现非正常工况时产生的相当于稳态电流数十倍的峰值电流;它很可能使电路在浪涌的一瞬间烧坏。

浪涌测试至关重要, 因为它是唯一可以找到转向绝缘弱点的测试。 高于被测设备的额定工作电压时发现的绝缘弱点是严重故障和电机停机的先兆。 浪涌测试也用于发现硬短路和绕组及线圈中的许多其他错误。

过压浪涌常常发生于大功率发电机起动与关断发动机引擎、 机载大功率负载及感性负载的突然开起与关闭等情况。 为了使各类机载电子设备能安全稳定地运行, 需按照标准进行测试。

试验标准: GB / T24338.4-2009。

实验方法: 将浪涌骚扰信号加到待测TVS 管, 试验电压由低级逐步增加, 由1 000 V 逐步增加到4 000 V, 浪涌60 s 内施加一次。 浪涌测试必须先做模拟仿真, 仿真原理图如图3、图4 所示。 TVS 钳位仿真结果如图5 所示。 图5 中高幅度曲线为TVS 管两端电压, 低幅度曲线为流过其电流经电流钳转换得到的。

可见当输入幅值300 V 三角波时, SMAJ130CA 瞬变电压抑制管可将其两端电压钳位在130.434 V,加快频率至100 μs 级, TVS 管仍能快速响应, 这是由于其内部特殊的PN 结结构和电流控制方案, 使其能长时间承受毫秒级的脉冲, 同时还能观察到钳位瞬间TVS 管对大电流的吸收效果。 实际管型选择及实验结果如表2 所示。

图3 SMCJ130CA 仿真原理图Fig.3 Simulation schematic of SMCJ130CA

图4 带变压器型TVS 仿真原理图Fig.4 Schematic diagram of transformer-type TVS simulation

图6 TVS 管对应正弦输入时的响应图Fig.6 Response diagram of TVS tube corresponding to sinusoidal input

图5 TVS 管的三角波钳位电压图Fig.5 Triangle wave clamp voltage diagram of TVS tube

表2 TVS 管选型及测试Tab.2 TVS tube selection and testing

4 分析与整改方案

1) 针对于小型断路器IDPN-A9P08606 实验结果, 三角波、 方波、 正弦波对于110 V 直流母线影响不尽相同, 从实验结果可看出, 相同外界环境下, 对于同一种实验波形(具有相同频率、 周期), 幅值越大,对直流母线造成波动越大, 越容易使断路器跳闸; 同一种波形(幅值同, 频率不同), 频率越快, 对母线影响越大; 不同波形周期内有效值越大对直流母线的影响越大, 越易使空开跳闸。

整改方法: 停止使用C6断路器, 选用熔断电流值较大的断路器, C10或C16。

2) 针对浪涌实验, 同封装同额定电压TVS 管, 各生产厂家TVS 管浪涌抑制能力差异不大; 同厂家同功率等级, 额定反压越大, 浪涌抑制能力越强; 同厂家同封装同额定反压等级, 功率等级越大这有略强的防浪涌抑制能力。

整改方法: 选择SMCJ200CA 管, 尽可能降低TVS 管损坏对电路的影响。 降低动车组出意外故障次数。

5 结 语

通过对110 V 母线电压、 母线断路器, 以及外围电路元件进行实验分析, 查找出致使车前大灯突然断电的具体原因, 通过加大断路器容量、 改善110 V/ 24 V 外围电路、 重新选择瞬变电压抑制二极管TVS等措施, 大大降低了由于辅助电源系统自身问题造成的意外故障率, 方案可行性较高, 现实意义广泛。