李 斌, 劉衛(wèi)平, 周 博, 張希明, 王文軍, 王兆楓

(1.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 基礎(chǔ)研發(fā)部, 長(zhǎng)春130062; 2.吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院, 長(zhǎng)春130061)

0 引 言

動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)[1]作為協(xié)調(diào)各車載子系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)平臺(tái), 對(duì)動(dòng)車組高速安全運(yùn)行起到關(guān)鍵作用, 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的功能主要包括通信、 控制[2], 狀態(tài)監(jiān)控及故障信息的傳輸和記錄。 若控制系統(tǒng)發(fā)生故障可能造成列車運(yùn)行事故, 危及行車安全[3]。

CRH3 型動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主要包括中央控制單元[4], 智能終端, 監(jiān)視器, 顯示屏等, 各系統(tǒng)相互配合, 發(fā)揮最大的效能。 中央控制單元負(fù)責(zé)其牽引單元內(nèi)的車輛控制[5], 該單元由列車總線讀取信息,并向多功能車輛總線發(fā)送命令, 在控制動(dòng)車組牽引與制動(dòng)的同時(shí), 控制采暖、 通風(fēng)和空調(diào)等輔助用電設(shè)備, 其主要功能是通過(guò)數(shù)字量與模擬量的輸入與輸出控制診斷監(jiān)視, 動(dòng)車組列車子系統(tǒng)[6]是通過(guò)多功能車輛總線與中央控制單元進(jìn)行通信, 穩(wěn)定運(yùn)行控制, 保障行車的可靠性與安全性; 智能終端主要負(fù)責(zé)列車各種信號(hào)的采集, 控制列車通信[7]接口, 并將采集到的信號(hào)通過(guò)通信協(xié)議傳輸?shù)街醒肟刂茊卧?/p>

動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)主要包括主電路、 控制電路、 輔助電路[8], 輔助電路部分是由電線路、 電氣從屬設(shè)備、 輔助電源組成; 供電輔助系統(tǒng)為動(dòng)車組的高速運(yùn)行提供保障[9], 為乘客的出行提供便捷, 為乘務(wù)人員工作提供支持。 動(dòng)車組車頭車前大燈、 車內(nèi)空調(diào)、 電子屏、 LED(Light Emitting Diode)燈具、 語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)等均是輔助供電系統(tǒng)的負(fù)載, 同時(shí)該系統(tǒng)也是整車控制系統(tǒng)的主要監(jiān)控、 控制對(duì)象, 如空調(diào)溫度、 車內(nèi)外實(shí)時(shí)溫度、 燈亮度、 車內(nèi)空氣濕度都受控制系統(tǒng)調(diào)控。

為了快速找出致使車頭照明燈熄滅不能重新自啟的故障原因, 筆者綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)控制、 變頻調(diào)壓、 傳感器測(cè)量等技術(shù), 結(jié)合上位機(jī)控制, 搭建成一套測(cè)試系統(tǒng)。

1 故障分析

在動(dòng)車組行車過(guò)程中, 如果照明系統(tǒng)發(fā)生故障[10], 則車前大燈會(huì)出現(xiàn)熄滅的情況, 而按照國(guó)標(biāo)要求, 這種情況必須零發(fā)生。 前探照燈是夜間、 霧天、 雨天及惡劣天氣行車的必備要素, 如若出現(xiàn)熄滅的狀況會(huì)迫使動(dòng)車組[11]臨時(shí)急停, 造成嚴(yán)重后果。 在CRH3 型動(dòng)車組運(yùn)行過(guò)程中, 如果出現(xiàn)輔助電源部分?jǐn)嗦菲鱗12]跳閘, 則將使部分功能不能正常工作, 從而造成嚴(yán)重故障。

輔助電源保護(hù)電路中的前端瞬變電壓抑制二極管[13](TVS: Transient Voltage Suppressor), 是一種專用于限制過(guò)壓的電器件[14], 它與正常穩(wěn)壓管相比, 反應(yīng)時(shí)間更快, 鉗位至某規(guī)定范圍值僅需1 ps; 瞬態(tài)功率大[15], 10 / 1 000 μs 測(cè)試下典型值為400 W、600 W、1 500 W、 3 000 W, 軍用等級(jí)可達(dá)更大功率; 并且鉗位電壓比較容易控制。 其主要作用是吸收浪涌[16], 當(dāng)DI 正負(fù)極間輸入電壓大于前端保護(hù)TVS 管工作電壓時(shí),TVS 管能憑借其速度優(yōu)勢(shì)瞬間將阻抗值降到很小, 同時(shí)吸收瞬間的大電流, 鉗位管兩端電壓至設(shè)計(jì)額定范圍內(nèi), 保護(hù)后級(jí)電路及元件, 使其免遭瞬時(shí)高壓脈沖的破壞。

由于110 V/ 24 V-DC / DC 開(kāi)關(guān)電源容量較小, 投切大型負(fù)載, 或投切負(fù)載頻繁、 電弓側(cè)母線電壓出現(xiàn)雜波時(shí), 110 V 直流母線會(huì)出現(xiàn)較大電壓波動(dòng)以及很大浪涌電流, 瞬時(shí)能量的大幅增加可造成空開(kāi)斷路器由通態(tài)變斷態(tài)。

2 空開(kāi)斷路器跳閘及TVS 管擊穿原理

2.1 空開(kāi)斷路器跳閘原理

IDPN-A9P08606 是一種小型斷路器, 經(jīng)查Schneider 產(chǎn)品手冊(cè), 該斷路器符合IEC 60947-2 標(biāo)準(zhǔn)。斷路器的限流通過(guò)觸頭兩級(jí)相互排斥并且能快分?jǐn)鄬?shí)現(xiàn)。當(dāng)供電線路出現(xiàn)短路并超過(guò)極大電流值或電流波動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)電流限制時(shí), 斷路器中的電磁系統(tǒng)很快使觸頭發(fā)生動(dòng)作響應(yīng), 達(dá)到限制短路電流的目的。限流效果如圖1 所示。 小型斷路器限流原理及其保護(hù)功能目的是防止熱應(yīng)力以及動(dòng)應(yīng)力毀壞電導(dǎo)體和電氣設(shè)備。 根據(jù)焦耳定律, 能量積分公式為

由式(1)可以看出, 流過(guò)空開(kāi)的能量取決于流過(guò)其的瞬時(shí)電流和時(shí)間, 若需要斷開(kāi)動(dòng)作響應(yīng)更快, 則應(yīng)盡量降低能量沖擊, 即電流要小、 分?jǐn)鄷r(shí)間要快。 IDPN 小型斷路器限流曲線如圖2 所示。

圖1 預(yù)期短路電流和實(shí)際限流后電流對(duì)比示意圖Fig.1 Comparison of expected short circuit current and actual current after current limit

圖2 IDPN 型限流曲線Fig.2 IDPN type current limiting curve

正常工況下斷路器工作電流較小, 發(fā)生短路時(shí)短路點(diǎn)的短路電流總是由正常工作電流連續(xù)上升至短路電流值, 其值可能達(dá)十幾千安, 電流上升過(guò)程需要一定的時(shí)間。 小型斷路器特點(diǎn)是動(dòng)作快, 一般會(huì)在電流上升到最大值前將斷路器斷開(kāi)。 限流能力好壞由斷路器反應(yīng)的速度、 分?jǐn)嗟碾娏鳌?斷路器瞬間吸收能量確定。

2.2 TVS 擊穿原理

利用PN 結(jié)的反向擊穿性, 再輔助其他技術(shù), 設(shè)計(jì)出能快速響應(yīng)的TVS 管, 并在擊穿時(shí)不能損壞二極管, 同時(shí)要求在TVS 能承受的能量級(jí)別內(nèi), 以避免P-N 結(jié)過(guò)熱而燒毀。 雙向瞬態(tài)抑制二極管的伏安特性曲線可視為兩只單向瞬態(tài)抑制二極管“背靠背” 組合, 其正反兩個(gè)方向上具有相同的箝位特性和雪崩擊穿特性, 且正反兩面啟動(dòng)電壓的對(duì)稱關(guān)系可用0.9≤VB(正) /VB(反)≤1.1 表示, 當(dāng)在其兩端的雷電過(guò)電壓超過(guò)箝位電壓VC時(shí), 瞬態(tài)抑制二極管就會(huì)立刻動(dòng)作, 將雷電過(guò)電壓泄放入地, 雙向TVS 在交流回路應(yīng)用十分方便。 P-N 擊穿有兩種重要機(jī)制: 隧道效應(yīng)和雪崩倍增。 對(duì)于硅管和砷化鎵管, 擊穿電壓小于4Eg4/ q(Eg為禁帶寬度,q為電荷量), 或大于6Eg4/q時(shí), 是雪崩擊穿。 雪崩擊穿電壓隨溫度增加而增加。溫度較高導(dǎo)致晶格強(qiáng)烈震動(dòng), 其和相應(yīng)載流子碰撞損失的能量大大增加, 進(jìn)而減慢了其從電場(chǎng)積累能量的速度, 導(dǎo)致需要更高的碰撞電離及雪崩倍增能量。 當(dāng)能量足夠大, TVS 管發(fā)生永久性損壞。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

3.1 斷路器狀態(tài)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)方法: 用示波器記錄斷路器斷開(kāi)時(shí)的電壓電流波形, 在110 V 直流電源測(cè)分別加三角波、 正弦波、 方波模擬110 V 母線電壓劇烈波動(dòng)工況, 改變波動(dòng)持續(xù)時(shí)間、 幅值、 頻率, 持續(xù)燒機(jī)時(shí)間在2 h 以上對(duì)斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results

3.2 浪涌測(cè)試

浪涌電流是電源接通的瞬間或當(dāng)電路出現(xiàn)非正常工況時(shí)產(chǎn)生的相當(dāng)于穩(wěn)態(tài)電流數(shù)十倍的峰值電流;它很可能使電路在浪涌的一瞬間燒壞。

浪涌測(cè)試至關(guān)重要, 因?yàn)樗俏ㄒ豢梢哉业睫D(zhuǎn)向絕緣弱點(diǎn)的測(cè)試。 高于被測(cè)設(shè)備的額定工作電壓時(shí)發(fā)現(xiàn)的絕緣弱點(diǎn)是嚴(yán)重故障和電機(jī)停機(jī)的先兆。 浪涌測(cè)試也用于發(fā)現(xiàn)硬短路和繞組及線圈中的許多其他錯(cuò)誤。

過(guò)壓浪涌常常發(fā)生于大功率發(fā)電機(jī)起動(dòng)與關(guān)斷發(fā)動(dòng)機(jī)引擎、 機(jī)載大功率負(fù)載及感性負(fù)載的突然開(kāi)起與關(guān)閉等情況。 為了使各類機(jī)載電子設(shè)備能安全穩(wěn)定地運(yùn)行, 需按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn): GB / T24338.4-2009。

實(shí)驗(yàn)方法: 將浪涌騷擾信號(hào)加到待測(cè)TVS 管, 試驗(yàn)電壓由低級(jí)逐步增加, 由1 000 V 逐步增加到4 000 V, 浪涌60 s 內(nèi)施加一次。 浪涌測(cè)試必須先做模擬仿真, 仿真原理圖如圖3、圖4 所示。 TVS 鉗位仿真結(jié)果如圖5 所示。 圖5 中高幅度曲線為TVS 管兩端電壓, 低幅度曲線為流過(guò)其電流經(jīng)電流鉗轉(zhuǎn)換得到的。

可見(jiàn)當(dāng)輸入幅值300 V 三角波時(shí), SMAJ130CA 瞬變電壓抑制管可將其兩端電壓鉗位在130.434 V,加快頻率至100 μs 級(jí), TVS 管仍能快速響應(yīng), 這是由于其內(nèi)部特殊的PN 結(jié)結(jié)構(gòu)和電流控制方案, 使其能長(zhǎng)時(shí)間承受毫秒級(jí)的脈沖, 同時(shí)還能觀察到鉗位瞬間TVS 管對(duì)大電流的吸收效果。 實(shí)際管型選擇及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

圖3 SMCJ130CA 仿真原理圖Fig.3 Simulation schematic of SMCJ130CA

圖4 帶變壓器型TVS 仿真原理圖Fig.4 Schematic diagram of transformer-type TVS simulation

圖6 TVS 管對(duì)應(yīng)正弦輸入時(shí)的響應(yīng)圖Fig.6 Response diagram of TVS tube corresponding to sinusoidal input

圖5 TVS 管的三角波鉗位電壓圖Fig.5 Triangle wave clamp voltage diagram of TVS tube

表2 TVS 管選型及測(cè)試Tab.2 TVS tube selection and testing

4 分析與整改方案

1) 針對(duì)于小型斷路器IDPN-A9P08606 實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 三角波、 方波、 正弦波對(duì)于110 V 直流母線影響不盡相同, 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出, 相同外界環(huán)境下, 對(duì)于同一種實(shí)驗(yàn)波形(具有相同頻率、 周期), 幅值越大,對(duì)直流母線造成波動(dòng)越大, 越容易使斷路器跳閘; 同一種波形(幅值同, 頻率不同), 頻率越快, 對(duì)母線影響越大; 不同波形周期內(nèi)有效值越大對(duì)直流母線的影響越大, 越易使空開(kāi)跳閘。

整改方法: 停止使用C6斷路器, 選用熔斷電流值較大的斷路器, C10或C16。

2) 針對(duì)浪涌實(shí)驗(yàn), 同封裝同額定電壓TVS 管, 各生產(chǎn)廠家TVS 管浪涌抑制能力差異不大; 同廠家同功率等級(jí), 額定反壓越大, 浪涌抑制能力越強(qiáng); 同廠家同封裝同額定反壓等級(jí), 功率等級(jí)越大這有略強(qiáng)的防浪涌抑制能力。

整改方法: 選擇SMCJ200CA 管, 盡可能降低TVS 管損壞對(duì)電路的影響。 降低動(dòng)車組出意外故障次數(shù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)110 V 母線電壓、 母線斷路器, 以及外圍電路元件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析, 查找出致使車前大燈突然斷電的具體原因, 通過(guò)加大斷路器容量、 改善110 V/ 24 V 外圍電路、 重新選擇瞬變電壓抑制二極管TVS等措施, 大大降低了由于輔助電源系統(tǒng)自身問(wèn)題造成的意外故障率, 方案可行性較高, 現(xiàn)實(shí)意義廣泛。