时速160公里动力集中动车组FXD1-J型动力车复合传感器烧损故障溯源

时速160公里动力集中动车组FXD1-J型动力车复合传感器烧损故障溯源

韩雷 

中车株洲电力机车有限公司   湖南省株洲市   412000

1.摘要

从时速160公里动力集中动车组动力车（FXD1型）发生多次6A系统走行部复合传感器击穿烧损故障的现状出发，进行了故障溯源分析，同时综合改造优化成本，提出了一种便于执行的电路优化方案。

关键词：FXD1型动力车；6A传感器；接地电抗器

2.引言

多年以来，时速160公里动力集中动车组动力车（FXD1型）饱受6A系统走行部复合传感器击穿烧损问题的困扰，该故障长时间、多频次的出现严重影响了列车运行质量。经过对故障件的拆解、分析，发现被高压击穿的复合传感器出现壳体绝缘不合格、内部器件电源输出不合格，部分传感器分解后有肉眼可见烧损的现象，严重影响时速160公里动力集中动车组运行质量。

图 1 传感器内部器件被烧损

通过对时速160公里动力集中动车组的2020年~2023年故障情况的梳理，其主要情形如下：

1)转向架1轴故障统计了80次：其中1位出现了25次，2位3次，3位9次，4位9次，5位2次，6位27次，7位5次。

2)转向架2轴故障统计了50次：其中1位出现了4次，2位6次，3位9次，4位20次，5位2次，6位6次，7位3次。

3)转向架3轴故障统计了16次：其中1位出现了1次，2位3次，3位3次，4位5次，5位0次，6位3次，7位1次。

4)转向架4轴故障统计了12次：其中1位出现了2次，2位1次，3位3次，4位2次，5位0次，6位2次，7位2次。

3.故障溯源分析

3.1.复合传感器电路结构

复合传感器的检测电路数据传输链路与接地方案如下图所示。

图 2 走行部检测子系统接地电路结构

复合传感器屏蔽地（线缆屏蔽层）、信号地（复合传感器内电路板）在车下并未接地，而是通过贯通引线连接至车内6A柜处接地。但复合传感器金属外壳则是与底架或电机地相连。由于故障件复合传感器故障现象表现为高压击穿烧损，直接原因可能是传感器壳体与内部芯片之间产生较大电势差，关键因素是找到壳体与芯片之间的电动势压差来源。

3.2.检测机理

复合传感器探头的类别是分压电阻式电压信号采集探头。复合传感器引线至车内6A系统主机内的走行子系统板卡。

测试时，6A系统走行部子系统的电源地与主机壳体相连（在主机端），主机壳体与通过6A机柜与车体地相连。传感器内部电路将传感器壳体与传感器电源地的电压信号衰减1/1000，处理转换后向主机输出，主机对传感器传输过来的电压信号进行采集，进而检测出传感器壳体与主机端的电压差。

[韩1]

图 3 检测原理示意图

3.3.检测结果

测试动力车的电机、轴箱、齿轮箱等不同测点的壳体电压，通过对示波器检测波形、采集数据样本进行综合分析，获取对应测点的电压信号。

图 4 测点点位示意图

当列车处于静态停车状态下，检测到的过电压数据为0～100V；而在运行过程中，检测到的过电压最大可达到960V。而根据《TJ/JW 001F - 2018：机车车载安全防护系统（6A系统）机车走行部故障监测子系统技术条件》标准，仅对走行子系统的主机模块提出了耐压等级不低于500V的要求，却未对车下传感器的耐压等级进行规定。

4.优化措施探讨

复合传感器探头烧损是综合电磁辐射和接地系统的综合因素引起的典型故障，以下从电磁辐射和接地系统两个方面进行详细故障原理分析。

4.1.电磁辐射

FXD1型动力车采用DC3600V等级中间电压的主变流回路，相比于HXD1C型机车、HXD1D型机车及HXD1型机车等车型均为DC1800V中间电压的主变流回路，FXD1型动力车的车下电磁环境更为复杂和苛刻。

按照电磁兼容理论，通过电场强度公式“E=U/d”进行估算，电压等级越高，产生的电场强度越大。而相较于HXD1型机车，FXD1型动力车主变流器中间电压的抬升，造成牵引变压器牵引绕组和内部二次谐振回路电抗的电压等级同步抬升，均在一定程度上影响了车下电磁环境，使其更加复杂化。

4.2.接地系统

FXD1型动力车不仅抬升了中间回路电压，同时还在接地电路上新配置了接地电抗器，目的是将主电路高压回流地和车体地通过该电抗器进行电气隔离，避免主电路回流地与车体地之间可能的潜在相互干扰的风险。

动力车接地电路与接地电抗配置如下图所示：动力车主电流回流电流在车内回流地回流母排（通过支撑绝缘子与车体隔开）汇聚并通过接地线回流至轮对轴端接地装置进行回流；车体地汇聚了车内电气设备屏蔽地和安全防护地，车体地通过该接地电抗器后连接至汇流母排， 同时，车体地通过接地线连至3轴轴端接地装置进行回流。

图 5  动力车接地电路图示

正常情况下，车体电流通过3轴连接至大地。然而实际运行中，受到钢轨与轮对之间的接触状态影响、撒砂影响、钢轨间的接缝影响、铁路沿线回流设施的影响，在上图中绿线所在轴的轮对与轨面接触电阻存在瞬间变化或增大的情况，由于接地电抗器的续流作用，使得车体电压被短时抬高，该部分能量在车体释放，产生瞬态的电动势突变。

假定流经电抗器的电流为1A或5A，在轮对接触电阻抬高的接触器电阻为1Ω、10Ω、100Ω，对应产生的瞬态电压抬升尖峰电压如下表：

依据动力车网侧负载电流核算，正常情况下，四根轴都接地连接良好时，线缆电阻不高于10mΩ，接地电抗电感量为0.56mH（工频电抗为170mΩ），计算可得，最大功率工况下（网侧电流256A），接地电抗电流最大约为5A。当其他轴回流状态不良的情况下，也将造成3轴电流增加，增大瞬态电压。由于车体并非均匀良导体，在局部产生瞬态过电压后，造成距离相对较远的两个车体地点之间存在压差。经上章节计算，干扰电压水平可达900V以上，严重影响了复合传感器的绝缘水平。

5.优化方案实践

为实现时速160公里动力集中动车组6A系统走行部复合传感器在改进“减轻电磁辐射”与“接地系统优化”的待优化方向，提出了以下改造方案：

1)严格转向架、电机与车体构架接地线安装和检查要求，保证各接地点接地线连接可靠；

2)取消接地电抗器，将车体地直接连接至接地汇流排

5.1.试验测点

同时为验证改造方案的实际效果，在地面试验台上进行了以下试验：

1．电磁干扰检测试验：

1)检测动力车低速通过时的车下电磁干扰情况；

2)在“短接”接地电抗器后，重复检测项点1）。

2．静态工况试验：

1)取消接地电抗器；

2)从复合传感器探头固定座上金属部分引出测量点位，在测点与车内6A柜接地点连接示波器，测试动力车上高压，分合主断，抱闸给测试轴施加牵引力（功率发挥不超过5%），记录试验结果；

3)连接电压传感器（与前文一致的测试方案），测试动力车上高压，分合主断，抱闸给测试轴施加牵引力（功率发挥不超过5%），记录试验结果。

3．动态工况试验：

1)取消接地电抗器；

2)从复合传感器探头固定座上金属部分引出测量点位，在测点与车内6A柜接地点连接示波器，测试在最大牵引手柄级位从0速开始加速到60km/h，稳定在60km/h左右约5s，并最大电制动手柄级位降速到5km/h以下，记录试验数据；

3)连接电压传感器（与前文一致的测试方案），测试在最大牵引手柄级位从0速开始加速到60km/h，稳定在60km/h左右约5s，并最大电制动手柄级位降速到5km/h以下，记录试验数据。

5.2.试验结果

5.2.1.电磁干扰检测试验

图 6  设置电抗器的车下电磁干扰波形

图 7  动短接电抗器的车下电磁干扰波形

5.2.2.静态工况试验

表1  静态试验软件峰值电压

5.2.3.动态工况试验

表2  动态试验采样峰值电压

5.3.验证结论

相较于设置接地电抗器，在取消接地电抗器后，车下电磁辐射幅值明显降低3～4dB；静态工况下采样基础电压约为12.4V，最高冲击电压约为380V；动态工况下采样基础电压约为14.3V，最高冲击电压约为430V。相较于未取消接地电抗器的最高冲击电压（900V以上）下降明显。

综合以上分析，取消接地电抗器可有效降低6A走行部复合传感器壳体与6A柜体间的电势差，是有效解决复合传感器探头击穿烧损问题的重要措施。

[韩1]更改框图