受电弓控制电路分析及其故障处理

论文题目受电弓控制电路分析及其故障处理摘要随着高速铁路事业不断的飞速发展，对其运输的安全性的要求越来越高。为电力机车提供能量的主要部件之一是受电弓，受电弓控制系统是高速动车组牵引供电系统的核心技术之一。在高速动车组运行过程中，受电弓控制系统既要为动车组获取电能，又要对受电弓弓网接触压力进行实时有效地调节。受电弓的滑板的表面直接与接触导线接触，滑板表面和导线之间构成了一对特别的摩擦副，当滑板磨耗超限、弓头倾斜和羊角缺失等典型故障出现的时候，都可能会引发严重交通事故，危及行车安全，受电弓与接触网接触作用的好坏也对列车受流质量、设备的使用寿命以及列车的正常运行速度和安全将会产生直接影响。所以，本文介绍了相关研究背景以及受电弓的控制原理，并着重分析了CRH2型动车组受电弓控制电路的故障及其处理分析，具有一定的现实意义。关键词：CHR2A；受电弓；检修流程

目录1绪论 71.1研究背景 71.2研究目的及意义 72受电弓相关理论综述 72.1受电弓的种类及工作原理 72.1.1受电弓的定义 72.1.2受电弓的主要种类 72.1.3受电弓的工作原理 82.2动车组受电弓控制原理分析 92.2.1受电弓气路控制原理 92.2.2受电弓电路控制原理 93CHR2型动车组受电弓控制电路故障分析 113.1CRH2型动车组受电弓控制电路分析 113.1.1选择从非操纵端供电 113.1.2升弓 113.1.3升弓互锁 113.1.4升弓自保持 113.1.5降弓 123.1.6受电弓与VCB的关系 123.2故障分析与处理 123.2.1受电弓气动原理 123.2.2故障分析与处理 124结论 15参考文献 16

1绪论1.1研究背景高速铁路在中国的蓬勃发展，对中国的社会和经济产生了深刻影响，国家在2004年颁布、2008年调整铁路中长期发展规划，如今已经初步形成；2011年底开通的京沪高铁已经对高铁沿线的社会和经济发展带来了深刻的影响，而且这种影响正在不断地发展壮大。列车在高铁线路上行驶，必须获得源源不断的动力。受电弓，作为列车从接触网上获得电力的主要设备，对列车的正常稳定行驶有着重要的影响。列车通过受电弓获得的电力，经过列车的主变压器，降压整流逆变后，为牵引电机提供电力，而牵引变压器作为受流后的第一个配电设备，对输入的电源有着严格的要求，当列车的速度很高时，若受电弓受流不好，离线率高，轻则列车丢失牵引，列车速度无法提高，重则引起列车牵引供电设备故障，导致列车故障。不仅如此，受电弓的稳定受流对列车通信有着重大的影响，当受电弓受流不良时，弓网之间动态接触力不稳定，受电弓离线率增大，火花率也随之提高，不仅浪费了能源，而且产生的强大电磁干扰，会对通讯产生干扰，影响列车安全运行。1.2研究目的及意义由于高速动车组的复杂性以及相关系统的不完善，我国至今装配运行的高速动车组（时速300km/h及以上）的受电弓都采用了国外的进口受电弓，其控制系统也是由国外设计制造维护，而且其控制程序一直严格保密，其内部的实现原理，以及故障判断逻辑控制等一直处在保密状态。虽然国内也有一些厂商生产受电弓，而且其产品在许多的机车和动车上都得到了应用，而且运营情况良好，但这些受电弓的运营速度不高，而且受电弓控制系统也是简单的升弓、降弓的气动控制，不具有主动控制功能；对弓网的接触压力只局限于某一定值，弓网间的动态接触力不能随着速度的变化而变化：而且适应性较差，不能满足在不用速度等级下，以及不同类型接触网及线路条件下的运行，通用性、互换性差。所以，在这样大背景下，研制具有广泛适应性的受电弓控制系统无疑具有重要意义。2受电弓相关理论综述2.1受电弓的种类及工作原理2.1.1受电弓的定义受电弓（Pantograph）也称集电弓，有人还称之为输电架，是让电气化铁路车辆从高架电缆取得电力的设备的统称。一般可分为单臂弓和双臂弓两种，均由集电头、上框架、下臂杆（双臂弓用下框架）、底架、升弓弹簧、传动气缸、支持绝缘子等部件组成。2.1.2受电弓的主要种类1.双臂式双臂式受电弓乃最传统的受电弓，也可称“菱”形受电弓，因其形状为菱形。因保养成本较高，加上故障时有扯断电车线的风险，目前部分新出厂的铁路车辆，已改用单臂式受电弓；有部分铁路车辆从原有的双臂式受电弓，改造为单臂式受电弓。2.单臂式除了双臂式，其后也有单臂式的受电弓，也可称为“之”（Z）（ㄑ）字形的受电弓。单臂式受电弓比双臂式噪音为低，故障时也较不易扯断电车线，为较普遍的受电弓类型。依据各铁路车辆制造厂的设计方式不同，在受电弓的设计上会有些许差异很。3.垂直式有某些受电弓是垂直式设计，也可称成“T”字形（还叫作翼形）受电弓，其低风阻的特性特别适合高速行驶，以减少行车时的噪音。所以垂直式受电弓主要用于高速铁路车辆。由于成本较高，垂直式受电弓逐渐被单臂式替代（日本新干线500系改造时由垂直式受电弓改为单臂式受电弓）。2.1.3受电弓的工作原理受电弓的工作过程分为升弓、降弓、牵引运行和受电弓自动降弓（ADD）过程。升弓过程：空气压缩机的压缩的空气经过缓冲阀进入驱动气缸，气缸活塞克服阻力移动，在升弓弹簧作用下致使下臂顺时针转动，同时上臂在上导杆的作用下逐渐上升至规定位置；降弓过程：压缩空气从驱动气缸经缓冲阀排除，复位弹簧压力释放气缸活塞，并将其推向右方，带动下导杆向右移动，强制下臂作逆时针转动而迫使上臂回落至规定位置。碳滑板：受电弓在升起的情况下与接触网相接处而而导通，构成通路进行受流，内部装有自动降弓装置来检测气路，当碳滑板磨损达到规定范围时或者遭异物击打破损时时，自动降弓装置检测气路进行排气，并触发自动降弓。受电弓自动降弓（ADD）：当受电弓自动降弓功能处于开启状态且受电弓处于升起状态时，如果动车组在运行过程中碳滑板破裂或磨损到限，将会导致碳滑板ADD装置检测气路发生漏气，当压力低于设定正常工作的下限时，控制管路内的压缩空气经碳滑板破损处排出，导致气压下降并控制快速排气阀打开，安全气囊内的压缩空气直接经过J决速排气阀排出，从而使得受电弓快速下降，实现弓网故障发生时的快速降弓，避免使得受电弓进一步受到破坏。牵引运行时：受电弓将接触网AC25KV单相工频交流电经过高压电气设备传输至牵引变压器，对其降低压后输出1500V单相交流电至牵引变流器，脉冲整流器再将单相交流电转化成直流电，经过中间直流电流将DC2600-3000V的直流电输出给牵引逆变器，牵引逆变器输出电压/频率可调的三相交流电源（电压：0-2300V；频率：0-220Hz）从而驱动牵引电动机，牵引电动机带动齿轮变速箱齿轮，从而驱动列车车轮转动，实现电能到动车组机械能之间的转换。2.2动车组受电弓控制原理分析2.2.1受电弓气路控制原理动车组受电弓气路控制部分主要由升弓电磁阀、ADD电磁阀、调压阀和气囊等组成，为受电弓的机械结构提供控制压力，从而控制受电弓的升降，并根据控制需求对气路系统的空气压力进行调节，以调整弓网之间的动态接触力。受电弓气路控制原理图如图2-1所示。图2-1受电弓气路控制原理图司机通过操纵升降弓开关，控制升弓电磁阀完成一定动作来实现受电弓的升弓和降弓。当动车组需要进行升弓操作时，司机操纵升降弓开关发送升弓指令，升弓电磁阀得电而使得气路导通，列车管内压力空气首先进入过滤器进行过滤，然后通过升弓电磁阀和调压阀到达气囊，实现升弓动作；当动车组需要进行降弓操作时，司机操纵升降弓开关发送降弓指令，使得升弓电磁阀失电而隔断列车管与气囊之间的气路，气囊中的压力空气经升弓电磁阀排风口排至大气，受电弓在自身的重力作用下实现降弓动作。2.2.2受电弓电路控制原理动车组受电弓电路控制部分主要由中央控制单元（CCU）、司机室显示屏（HMI）、多功能车辆总线（MVB）和网络接口模块等组成，为受电弓的控制系统提供通信、逻辑和监控诊断等功能。受电弓电路控制原理图如图2-2所示。受电弓的工作状态通过MVB传输给CCU，CCU再经MVB发送给HMI；HMI接收到CCU传输过来的信号后，根据预先设置好的模式曲线，反馈控制气动调节器，对受电弓与接触网间的接触力进行调整。图2-2受电弓电路控制原理图受电弓作为动车组的受流装置，集取接触网上电流后经主断路器送至车内以供使用。受电弓只用于受流，本身没有灭弧装置，不具备分断大电流的能力，而主断路器可用于将主电路断开和连通，同时具有保护电路的作用，它有灭弧装置，可以分断大电流。受电弓及主断路器控制电路示意图如图2-3所示。图2-3受电弓及主断路器控制电路示意图21－K75继电器是在升弓发生故障时，由21－A01检测到升弓失败后闭合触点，使21－K75继电器闭合。21－K12继电器是在紧急断电环路建立后（21－K61闭合），同时升弓没有检测到故障，通过网络命令触发24－T01．42或24－T02．42触点闭合使21－K12得电。当网络接收到由司机发出的升弓信号，网络就会闭合24－T01．42或24－T02．42触点。21－K10是时间继电器，其触点延时20s断开，当有升弓控制信号发出后（21－K12继电器闭合），就开始计时20s，在这20s内必须升起受电弓，21－K62得电，假如受电弓不能正常升起，可能是受电弓管路有漏风现象。3CHR2型动车组受电弓控制电路故障分析本章是通过对CRH2型动车组受电弓控制电路和升降弓气动原理进行分析，查找需要解决的问题，给出受电弓在动车组运行过程中的故障类别、故障原因分析及处理方法。3.1CRH2型动车组受电弓控制电路分析3.1.1选择从非操纵端供电确保只有一个主控端。通过110#，对EGS（接地保护开关）的状态进行检测，因为在升弓之前EGS应是断开的，防止受电弓接地。通过111#，对VCB（主断路器）的状态进行检测，因为在升弓之前VCB也是断开的，避免带载升弓，产生拉弧现象，损害接触网。3.1.2升弓首先要先选择主控端，以一车主控升六车受电弓为例来讲。1车主控，那么一车的ФMCR（主控制器）得电，对应的MCR常开触点闭合，在主控端互锁电路中就可以看到，8车的ФMCRR（主控辅助继电器）就会得电，8车的MCRR常开触点闭合。如果此时VCB和EGS是断开的，那么它们的常闭触点仍为常闭。1车ФEGSR与ФVCBRR得电，对应的常开触点闭合。如果此时在一车按下PanUS（受电弓升弓开关），将PanCGS（受电弓转换开关）打到106X（升6弓）。因为此时没有进行受电弓切除，ФUR04不得电，对应的常闭触点仍为常闭，此时没有进行降弓操作，ФPanDWAR不得电，常闭触点仍为常闭。此时电流从102#→PanN→MCR→VCBRR→EGSR→PanUS→PanCGS→106X→UR04（远程切除继电器）→PanDWAR（受电弓降弓命令辅助继电器）→PanIR→ФPanUR（受电弓升弓继电器）→100D4-GS接地。（线路2）3.1.3升弓互锁受电弓在运行时只能升单弓运行，严禁两弓同时升起，防止将接触网短路。所以当6车升弓时，4车无法升弓。3.1.4升弓自保持因为PanUS是一个自复位开关，它在闭合1-2秒后就会断开，那么线路2整条线路在得电1-2秒后就又会失电，但当线路2中当我们的ФPanUR得电后，对应的PanUR常开触点闭合，这时从102#→PanUVN（受电弓升弓电磁阀断路器）→PanDWR（受电弓降弓继电器）。3.1.5降弓当受电弓升起时，是通过线路5进行自保持的，PanUS自复位开关已经恢复断开，即如果此时操作降弓时是没有升弓指令的。如果此时降弓，需要按下PanDS（受电弓降弓开关），当按下降弓开关时，如果此时VCB是断开的，那么1车的ФVCBRR就会得电，对应的常开触点闭合，此时从102#下来的电就会同时给8号线与107#供电，107号线就是降弓命令线，如果此时VCB是闭合的，那么连接在111#上的VCB的常闭触点就会断开，从8车下来了电就无法通过111#给1车的ФVCBRR供电，它的常开触点仍然保持常开，那么降弓命令线107#就无法得电，进行降弓，此时从102#下来的电会通过PanDS给8号线供电，8号线联锁到VCB的控制电路，是VCB的断开线，8号线一旦得电，2、6车的VCB都会断开。VCB断开后，1车的ФVCBRR才能得电，触点闭合，102#下来的电就能给降弓命令线107#进行供电。具体的降弓电路。3.1.6受电弓与VCB的关系通过对受电弓电路的分析，得到这样的一个结论：即受电弓无论是进行升弓还是降弓操作，VCB都要先断开。3.2故障分析与处理3.2.1受电弓气动原理受电弓升弓原理是通过压缩空气通过电控阀，经过过滤器进入精密调压阀，精密调压阀用于调节受电弓接触压力，输出压力恒定的压缩空气，单向节流阀用于调节升弓时间。如果精密调压阀出现故障，安全阀会起到保护气路的作用。适合的压缩空气单向节流阀供给到升弓装置就可以驱动受电弓升起。自动降弓装置原理是通过调压后的压缩空气进入到带有风道的碳滑板，如果滑板出现空气泄露，达到一定的压力差值后，快速降弓阀动作，升弓装置中的气体会从快速降弓阀中迅速排出，从而实现自动降弓。3.2.2故障分析与处理（1）升弓电路无电①VCB处于闭合状态：在MON屏上进行确认，然后进行VCB断开操作②EGS处于闭合状态：在MON屏上进行确认，然后进行EGS断开操作。③该车受电弓被远程切除：在MON屏上进行确认，进行受电弓远程切除恢复操作。④动车组未供电：插入主控钥匙，将BV手柄打到运行位和快速位之间。⑤升弓电路上的断路器或继电器断开：对升弓电路上有关的断路器开关，继电器进行闭合处理。⑥4.5车端连接器置于开位：将4、5车车端连接器置于联位。⑦106线断开或电压不正常：确认106X或者106Y电压是否正常，106C电压是否正常，在司机室通过台配电柜接线板，4、6车运行配电柜接线板测106X或106Y线电压，在4、6车运行配电柜接线板测106X，106Y，106C线电压。（2）运行时，受电弓自动降下原因分析：①弓头三通阀进气口处气管遭异物打击破裂，漏气，造成接触压力过低（68N），随着运行速度提高阻力加大，当阻力大于升弓压力时，受电弓降下。②速度提高，破裂处扩大，漏气量超过ADD阀动作值，受电弓降下。（3）停车后受电弓又自动升起原因分析：①受电弓因气路故障降下后，司机未进行降弓操作，受电弓控制电路仍处于升弓状态，升弓电磁阀扔得电，气路仍有压缩空气供给。②停车后，阻力降低，气路虽然有轻微漏气，未达到ADD阀动作值，受电弓重新升起。以上2.2.2、2.2.3项故障处理：运行途中受电弓损坏不大，降弓后能够保证安全运行时，切除受损的受电弓，换弓运行，若发生此类降弓事件，随车机械师应立即下车检查受电弓状态，确认受电弓损伤程度不影响列车运行安全后，可通知司机升起另外一组受电弓受运行，动车组回库剪断气管断裂部分，重新连接风路，恢复正常。以后再库内检修时，加强受电弓气路检查，杜绝因气管老化，细小裂纹等慢性因素造成受电弓故障。（4）气路泄露、压力不足升弓气路或主风管泄露，压力不足：启动辅助空气压缩机为受电弓升弓装置打风，待“准备未完”灯熄灭，重新进行升弓操作。（5）升弓装置泄露升弓气囊破裂：①在始发前对故障受电弓远程切除，更换另一架受电弓工作。②在库停检修时进行气囊更换处理。（6）受电弓按下降弓按钮，受电弓降下后又升起。原因分析：106E#上的PanUR触点发生粘连，即使ФPanUR失电，该触点无法断开。当按下降弓按钮，ФPanDWR得电，常闭触点断开，ФPanUV失电，受电弓会降下，但降弓按钮是个自复位按钮，闭合1-2秒后又会断开，ФPanDWR得电1-2秒后又会失电，触点又恢复常闭。但因为PanUR触点粘连，升弓自保持电路又重新得电，受电弓又重新升起。故障处理：①来到6车，将PanUVN（受电弓升弓电磁阀断路器）开关手动断开。②在司机室的MON屏上对该车的受电弓进行切除操作。（7）受电弓按下降弓按钮，受电弓无动作。原因分析：106E#与106D#上的PanDWR触点发生粘连，即使ФPanDWR得电，该触点无法断开。当按下降弓按钮，ФPanDWR得电，常闭触点无法断开，ФPanUV无法失电，升弓仍然进行自保持，受电弓不会降下故障处理：①来到6车，将PanUVN（受电弓升弓电磁阀断路器）手动断开。②在司机室的MON屏上对该车的受电弓进行切除操作。注：①“Ф”符号表示线圈，例：ФPanUV表示受电弓升弓电磁阀的线圈，PanUV表示受电弓升弓电磁阀的触点。②“#”符号表示线，例：106#表示的是106线。PAGEPAGE164结论受电弓是动车组从接触网接触导线上集取电流的一种受流装置。通过绝缘子安装在动车组的车顶上，当受电弓升起时，其滑板与接触网导线直接接触，从接触网导线上集取电流，并通过车顶母线或电缆传送到动车组内部，供动车组使用。受电弓的检查、维护及检修一般需要在一级修的时间内完成。为确保动车组受电弓的控制只有一个主控端，选择从非操纵端供电，无论是进行升弓还是降弓操作，VCB都要先断开，然后分析受电弓升弓、互锁、自保持、降弓等控制电路，为查找受电弓故障原因，找到受电弓故障处理的最佳方案打下基础。受电弓的升降动作及动作时间都是由控制压缩空气的压力值来实现的，升降弓的气路、风管、气囊等均要保持正常的工作状态。本文收集CRH2型动车组受电弓运用检修过程中的七个故障类别，从控制电路、风管路及易老化部件入手逐一分析其故障原因，查找最佳处理办法，为受电弓运用检修提供工作策略。

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