高速动车组电制动失效分析及改进措施

王呈辰

摘要：高速动车组的电制动系统通常在接触网网压29kV以下、列车速度10～200km/h的工况下工作。在电分相区段,高速动车组依靠制动电阻器消耗牵引电机产生的能量进行电制动(只有在速度高于35km/h且需要电制动时可用,一旦激活可以在10km/h时应用)。电阻制动器每列车安装5个,分别安装在1号、2号、4号、7号、8号车的车顶上。电制动能够有效降低高速动车组的空气制动闸片磨耗量,并延长闸片的使用寿命。经现场测量发现,电制动失效时,高速动车组动轴制动闸片最高温度超过600℃,而长时间的高温环境容易造成车下相关设备的损坏。本文通过对铁路兰新线高速动车组电制动失效的分析,确定故障原因,制定有效的改进措施以降低电制动失效对车辆产生的影响。

关键词：高速动车组；电制动失效；改进措施

高速动车组功率大、单项整流负荷，因此冲击性大，且具有不对称性。高速动车组运行速度和重量以及功率的配置要求制动系统必须具备良好的制动性能，才能更好地为高速动车组提供动力，进而保证安全稳定运行。由于高速动车组在运行中遇到的路况是不一样的，尤其是面临较大的坡道时，长时间会处于再生制动状态，并且再生制动情况也经常发生在列车驶入车站时，因此研究高速动车组再生制动时对电网低能质量的影响具有科学的实践价值和研究意义。

1网压采集原理

1.1网压/网流检测装置

高速动车组通过集成仪表箱或集成检测装置采集接触网网压和网流,即通过电路将网压转换为7路模拟信号输出至5辆动车牵引控制单元(TCU)和本地牵引控制模块(CLT),将网流转换为2路模拟信号输出至CLT。

1.2网压信号采集

TCU采集3号或6号车网压/网流检测装置发送的网压信号,用于TCU内部逻辑运算。

CLT采集3号或6号车网压/网流检测装置发送的网压和网流信号,用于列车网络控制系统(TCMS)内部逻辑运算。由于TCMS采集网压信号时经过多次数据转换,故通过TCMS监控到的网压值与CLT设备和TCU监控的网压值存在一定误差。

2电制动失效条件

高速动车组电制动失效的条件如下:①当动车组在制动状态时逆变器关闭;②当动车组在电制动状态下,输出功率小于预设电制动功率的50%时,延时3s电制动失效;③制动变阻器的温度超过600℃;④互锁阀故障;⑤牵引辅助变流器冷却液超过70℃。

根据时速250km动车组技术条件和设计要求；高速动车组在TCU软件中设定了接触网网压与输出功率的关系曲线,网压在29.0～31.5kV间输出功率线性下降至零,此时动车组逆变器停止工作,牵引电机不再输出功率。同时,根据电制动故障条件,当动车组在电制动状态,输出功率小于预设电制动功率50%时,延时3s电制动失效。

3电制动失效故障典型案例分析

3.1故障现车排查

2015年5月25日,兰新线动车组在运行时发生电制动丢失情况。维保人员随后对兰州西—嘉峪关南区间承担D2741、D2742次列车交路的动车组进行了全面监控检查,具体检查结果如下:

(1)下载TCU数据,分析变流器在电制动失效时段的故障数据,结果未发现任何故障数据记录,仅有状态数据记录(如接触网网压大于29kV的记录)。

(2)检查电制动切除按钮线路供电状态及相关控制板卡,结果未发现异常。

(3)检查故障车辆的互锁阀,发现互锁阀均能正常动作。

(4)检查故障车辆TCU数据记录中的冷却液温度,结果均在正常范围内(低于70℃)。

(5)检查制动变阻器的外观状态,结果未发现异常情况。

3.2动车组数据分析

中央控制单元(MPU)数据如图1所示,TCU数据如图2所示。数据显示TCU采集的接触网网压为29.08kV。

图1MPU故障数据显示界面

通过对故障动车组的TCMS数据及TCU数据进行分析,发现故障发生时,TCMS数据记录为“TCU检测到电制动故障”,在电制动失效区段,TCU记录的接触网网压超过29kV。

3.3兰新线网压调查

对观花台牵引变电所27.5kV母线电压情况进行检测,结果发现T线接触网电压为28.8kV;同时对观花台牵引变电所330kV电压进行检测,结果发系统A、B、C电压分别为364.5kV、365.3kV、364.9kV。

图2TCU数据显示界面

通过兰州—嘉峪关南区间接触网网压监控波形(见图3)可以看出:09:35:57—09:42:50时间段网压持续大于29kV,持续时间近7min;09:43:51—09:53:55时间段网压持续大于29kV,持续时间10min;10:00:34—10:08:34时间段网压持续大于29kV,持续时间8min。

图3高速动车组兰州—嘉峪关南区段供电网压监控记录

根据接触网网压调查可知,兰新线兰州西—嘉峪关南区间部分区段接触网网压大于29kV,且持续时间大于5min。

4网压超限对动车组的影响

4.1牵引工况下的影响

牵引工况下,接触网网压超限对动车组的影响主要表现在:

(1)网压在22.5～29.0kV间牵引功率保持在额定功率范围内;

(2)网压在22.5～19.0kV间牵引功率线性下降至额定功率的84%;

(3)网压在19.0～17.5kV间牵引功率线性下降至零,辅助设备应正常工作;

(4)网压在29.0～31.0kV间牵引功率线性下降至零,辅助设备应正常工作。

TCU监控显示,当网压超过29kV时,列车处于减功率运行(正常牵引功率为550kW)状态,牵引力减小。

4.2制动工况下的影响

MPU监控显示,当接触网网压超过29kV,且牵引制动手柄处于制动位时,为防止电制动进一步提升网压,此时禁止电制动施加,而采用空气制动进行补偿,但这会导致制动盘温度过高。

5改进措施

为解决兰新线高速动车组经常出现由于网压偏高导致电制动失效问题,使高速动车组更好地适应兰新线网压高和长大坡道多状况,通过长期试验后,提出了以下网压适应性参数调整优化方案:将TCU中网压限制电制动力阈值配置参数提高,由29kV提升至30.5kV。参数调整可有效改善电制动丢失导致的制动摩擦副过度磨耗问题。

通过牵引制动工况下牵引力和电制动力限制的测试,可以确认参数调整后,网压对牵引力限制仍为31kV,对电制动力限制变为30.5kV。软件修改可以提高网压对电制动力输出的限制判定阈值,且对其他无影响。

结论

当接触网网压大于29kV且持续时间大于5min,TCU检测到接触网网压为29.0～31.5kV,牵引电机输出功率线性下降至零。根据电制动故障条件,车组在电制动状态下,输出功率小于预设电制动功率50%时,延时3s电制动失效。由于恒速功能通过电制动调节,故当电制动失效时动车组的恒速功能同样失效。

根据电制动失效的运行情况分析,采用调整网压限制电制动力阈值的配置参数,能够有效保证电制动力的正常使用,降低制动摩擦副过度磨耗问题,保证高速动车组的运行可靠度,在安全可靠的前提下拓宽网压的有效应用范围。

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