CR200J动车组DC110V漏电误报故障分析研究

CR200J动车组DC110V漏电误报故障分析研究

孙利苹 ,王守斌,，刘司宇

【摘要】：本文对CR200J动车组DC110V漏电误报故障进行了原因分析，制定问题解决方案。通过更换车下电源EMI滤波器、通过软件升级将现车漏电判断时间由3秒改为5秒的方法消除部分误报故障;并通过优化开发数字电路的漏电流传感器全面解决DC110V漏电误报故障问题。研究结果对于保障CR200J动车组的安全可靠运行具有非常重要的意义。

【关键词】：动车组  EMI滤波器  共模干扰  漏电误报

0引言

为加快推进铁路装备现代化，充分利用既有线路和机、客车的检修资源，提高既有线铁路运输服务品质，满足中国铁路总公司运输和经营发展要求，自2015年开始，在中国铁路总公司和中国中车统一指挥下，全路各机车厂、客车厂及科研院所组建联合团队，共同开展了时速160公里动力集中电动车组（后定型为CR200J动车组）关键技术研究及样车研制工作。

2019年1月，首列CR200J动车组正式运营。截至2021年12月底，共计生产了39列长编和178列短编动车组，并运用于北京、上海、广州、沈阳等13个铁路局。

在CR200J动车组运用过程中，暴露了一些问题。针对表现出来的源头质量整治问题，采用产学研相结合的形式，全面调研，系统解决。通过分析和故障再现，查找确认故障根本原因，针对故障原因制定切实有效的问题整改方案。具体方案确定以后，通过样件试制、试装，必要的情况下进行样件的试运考核，确保整改方案切实有效。

在生产的CR200J动车组中，有10列动车组（4列短编，6列长编）发生了单车DC110V漏电报警故障。针对此项问题，中国国家铁路集团有限公司机辆部要求主机厂组织专家组开展了专项研究。

本文针对CR200J动车组单车DC110V漏电报警故障问题进行了分析研究，并提出了解决措施。

1问题现象描述

在运行中发现漏电流检测空开脱扣，断端门、集便器、车厢控制器等空开故障复现；断单相逆变器空开故障未出现，恢复单相逆变器后运行一段时间后，故障复现。故障时，电气控制柜触摸显示屏显示DC110V漏电值31-65mA左右，但进入车辆段后多次测试正常无漏电。该车入库修程期间更换单相逆变器模块后，试运途中故障再次复现。

2 单车DC110V漏电报警故障原因分析

2.1漏电检测原理

拖车DC110V车辆级绝缘检测，使用比流器（JK14）对比单车DC110V支线流入与流出电流差值，计算漏电电流，当漏电电流值超过设定值时，车辆综合柜报漏电流超标故障。DC110V正负电源线同时穿过漏电流传感器，当没有漏电发生时，任何时刻正负线的电流相等，方向相反，总电流矢量和为0，此时漏电装置不会发生跳闸故障。

其原理为将车辆的DC110V 正、负线同时穿过漏电检测传感器线圈，根据洛伦兹定律和右手定则可知电线中有电流经过时会产生电磁场，若两线的电流相等则电磁场会相互抵消，若两线电流不相等则会产生抵消后剩余电磁场，经过磁电转换成相应的电信号传输出去。当产生漏电流时，两线电流不等，漏电流检测传感器将检测到的漏电流数值（-150mA～+150mA）变换为电压（-5～+5V），传输到绝缘检测装置；绝缘检测装置再将数值传至控制柜PLC（PLC只能识别电压信号0～+10V）；PLC 进行模拟量转换将电压信号变为漏电流（mA），在显示屏显示并进行逻辑判断用于输出控制。如果正线或负线存在较大的共模电流，则会导致漏电流检测值较大。

2.2 原因分析

2.2.1 DC110V 系统内相关EMI 滤波器介绍

车下DC600V电源装置共包括两个箱体：客车空调逆变电源和充电器箱。充电器箱又包括充电机模块和单相逆变器。

其中，单相逆变器模块的主输入DC110VEMI滤波器，后端连接的IGBT器件，功率相对大一些，对系统影响相对较大。其余控制电源的EMI滤波器功率较小，后端连接的是小功率电源板及相关的控制插件、传感器等。正常情况下，车下电源的电力电子高频变换会在DC110V电源叠加高频谐波干扰，选择合适参数的EMI滤波器，该干扰可以通过EMI滤波器吸收降低幅度。

2.2.2 共模电流的影响因素

滤波器的截止频率：

漏电流定性分析：

图1 共模电流回路示意

图1为共模电流回路示意图，其中Vc 为共模电压，L1 为EMI 滤波器的共模电感，C2 为EMI 滤波器的对地电容，共模电压Vc 经过共模电感再经对地电容与地形成回路，而其中未经对地电容吸收从L1 和C2之间泄露出去的Vcom 即为引起漏电流的泄露信号。

电容容抗与电容值成反比，公式如下：

电感的感抗与电感值成正比，公式如下：

假设共模信号的电压为Vc，频率为fc，则共模电流Ic 即可计算为：

由此可见，Vc 产生的共模电压，在共模电压一定的情况下，若想减小共模电流，需要增大电感的感抗和电容的容抗，也就是需要增大共模电感量和减小Y 电容值。

2.2.3仿真分析测试结论

对于当杂散电容来自DC110V干线时，电源输出滤波器电感越大、Y电容越小，则漏电流检测值越小，而其杂散电容来自电源内部对漏电流检测影响较小。

因此，建议对充电机的输出EMI参数加大电感及减少电容。

3 解决方案

3.1现车解决方案

3.1.1方案

现车采取了如下解决方案：

1）更换车下电源EMI滤波器等方案目前正在部分车辆进行试验验证；

2）现车漏电判断时间由3秒改为5秒。

3.1.2 实施效果

此方案解决了8列动车组的误报问题，但仍有两列车偶发漏电误报故障。

3.2 持续优化方案

为彻底解决问题，进行了进一步的深入研究。

3.2.1仿真分析

3.2.1.1误报车辆漏电流高精度测试

通过监测数据，可得到如下结论：

1）正对地电压与负对地电压明显波动，正负线间电压稳定，说明DC110V母线对地存在共模干扰；

2）高精度电流传感器测得电流，伴随DC110V正负母线对地电压变化而波动，说明单车漏电流为共模电压产生的共模电流；

3）现车漏电流传感器输出结果与高精度传感器检测结果不一致，现车漏电流传感器输出发生了偏移。

3.2.1.2已消除误报车辆干扰采集分析

对已消除误报车辆的DC110V母线上的共模干扰进行复测（该车已完成滤波器更换），测试结果显示，仍然存在2.5-4.4kHz频率的共模干扰。

3.2.1.3车辆特定频率阻抗对比测试

根据DC110V共模干扰电压电流得到的频谱，使用阻抗分析仪，对DC110V母线和车体间进行1kHz-10kHz扫频。选取的列车为正常列车和漏电列车的车厢。

通过测试数据，可得到如下结论：

正常车辆在2.5k—4.5kHz的范围内，DC110V回路对地阻抗约为30-40欧姆；报警车辆，对地阻抗约为4-10欧姆。阻抗较高车辆未出现误报，结果符合共模电流导致误报的原理分析。

3.2.1.4网压网流测试

采用西南交通大学的广域分布式电能质量在线监测系统，对机车网压和网流进行了全程监控。

谐波对应的基频为50Hz，谐波频率=基波频率X谐波次数，50-70次谐波对应的频率为50X50=2.5kHz-50X70=3.5kHz。

对比漏电报警时漏电流传感器输出波动较大时刻、输出平稳时刻的数据，发现漏电传感器输出波动时刻网压存在2.5-3.5kHz频率谐波。

3.2.2优化方案

从以上分析可以看出，漏电流传感器误将双向交流的共模电流检测为单向直流是导致DC110V漏电误报故障的根本原因。

为提升传感器抗交流干扰的能力，过滤交流分量的干扰，将传感器中模拟检测电路更换为高频识别能力更高的数字电路。结合现车测得漏电时刻共模干扰及共模电流数据，制定了数字传感器改进方案：通过更改采样磁环材料及优化算法，使传感器能够识别0-10kHz的交流干扰电流，避免误报。

3.2.3优化措施验证情况

车辆共模干扰频率下DC110V线路对地阻抗较小的方法效果明显，发生误报的10列车，通过此方法解决了8列车DC110V漏电误报问题。

通过软件优化升级，将漏电判断时间由3s改为5s的方法对于改善此问题效果明显。

使用优化升级的数字电路的漏电流传感器提升了漏电流传感器抗干扰能力。

4 结论

本文针对CR200J动车组的DC110V系统漏电误报故障进行了研究，提出了通过更换车下电源EMI滤波器、通过软件升级将现车漏电判断时间由3秒改为5秒的方法消除部分误报故障，并通过优化开发数字电路的漏电流传感器全面解决DC110V漏电误报故障问题。研究分析方法对于今后铁路客车故障分析处理具有借鉴意义。

参考文献：

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