苗偉明 曾愷若 付小龍

(1.大連地鐵運(yùn)營有限公司 遼寧 大連 116021；2.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司 湖南 株洲 412001)

?

地鐵車輛充放電電阻燒損的原因與解決措施

苗偉明1曾愷若2付小龍2

(1.大連地鐵運(yùn)營有限公司 遼寧 大連 116021；2.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司 湖南 株洲 412001)

通過分析大連地鐵車輛主電路工作原理，找到了牽引系統(tǒng)充放電電阻燒損的原因，并提出了相應(yīng)的解決措施，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，措施簡單、有效。關(guān)鍵詞：牽引系統(tǒng)；充放電電阻；燒損

牽引系統(tǒng)是地鐵車輛的重要組成部分，在使用可靠性和可維修性方面有著較高的要求。大連地鐵車輛在調(diào)試期間曾經(jīng)發(fā)生牽引系統(tǒng)充放電電阻燒損故障，影響了正常的調(diào)試工作。

1 大連地鐵車輛簡介

大連地鐵車輛采用架空接觸網(wǎng)供電，受電弓受流，額定電壓為DC1 500 V。列車采用4動(dòng)2拖編組，編組形式為=Tc-Mp-M+M-Mp-Tc=。其中：Tc為帶司機(jī)室拖車，Mp為帶受電弓動(dòng)車，M為不帶受電弓動(dòng)車。

1.1 主電路工作原理

列車牽引系統(tǒng)采用VVVF逆變器-異步牽引電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的交流電傳動(dòng)系統(tǒng)，為車控方式。列車牽引系統(tǒng)主電路采用兩電平電壓型直-交逆變電路，由受電弓接觸受流輸入的DC1 500 V直流電經(jīng)牽引逆變器變換成頻率、電壓均可調(diào)的三相交流電，向異步牽引電動(dòng)機(jī)供電。牽引逆變器由2個(gè)逆變模塊單元組成，每個(gè)逆變器模塊驅(qū)動(dòng)2臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)，電阻制動(dòng)斬波單元與逆變模塊單元集成在一起。當(dāng)電網(wǎng)電壓在1 000～1 800 V之間變化時(shí)，主電路能正常工作，并方便地實(shí)現(xiàn)牽引-制動(dòng)的無接點(diǎn)轉(zhuǎn)換。動(dòng)車的主電路型式結(jié)構(gòu)完全相同，滿足列車的牽引及制動(dòng)特性的要求[1]。其中Mp車主電路原理圖如圖1所示。

1.2 高壓電氣箱組成

高壓電氣箱為地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)主電路的構(gòu)成部分，實(shí)現(xiàn)牽引系統(tǒng)的電路通斷和保護(hù)功能，主要器件有主隔離開關(guān)MQS、高速斷路器HB、差分電流傳感器LH、預(yù)充電接觸器KM2、短接接觸器KM1、充電電阻R1等。主隔離開關(guān)用于主電路的隔離以及通過機(jī)械連鎖開關(guān)將支撐電容器的兩端通過放電電阻連接后釋放能量；高速斷路器用于主電路的故障保護(hù)；差分電流傳感器用于檢測后續(xù)電路的接地故障；充電接觸器用于支撐電容器的預(yù)充電；短接接觸器用于電網(wǎng)直接向牽引逆變器供電。

1.3 高壓電氣箱工作原理

DC1 500 V 電源從受流器/受電弓經(jīng)熔斷器箱送到高壓電氣箱，經(jīng)過隔離開關(guān)MQS、高速斷路器HB、差分電流傳感器LH1、短接接觸器KM1、充放電電阻R1、充電接觸器KM2，將電源輸送到電抗器和牽引逆變器。MQS是手動(dòng)操作的閘刀式機(jī)械開關(guān)，用絕緣棒操作，同時(shí)，MQS設(shè)置有專門用于釋放牽引逆變器電容能量的放電開關(guān)MQS1，該開關(guān)與隔離開關(guān)主刀聯(lián)鎖，在確保斷電5 min后，通過絕緣棒操作。HB為主牽引高壓回路的保護(hù)開關(guān)，每個(gè)高壓電氣箱內(nèi)都設(shè)有一個(gè)單極高速斷路器，可以提供雙向通斷，給車上的牽引設(shè)備提供過流和短路保護(hù)。HB的斷開方式有2種：一種是通過牽引控制單元DCU來控制；另一種由過流和短路故障而引發(fā)器件本身的脫扣分?jǐn)?。差分電流傳感器LH是通過監(jiān)測牽引電路中輸入和輸出電流的差值，從而為主電路提供保護(hù)的設(shè)備，當(dāng)檢測到1 A漏電流時(shí)發(fā)出警告信號(hào)，檢測到50 A漏電流時(shí)則發(fā)出跳開HB信號(hào)。KM1、KM2為單極電磁型接觸器，它們與R1、MQS1一起組成電容器充放電單元，用于主電路支撐電容器的充、放電[2]。

圖1 大連地鐵Mp車牽引主電路

2 故障現(xiàn)象

2014年5月25日，首列車(0201)在調(diào)試時(shí)，其02012車和02015車均報(bào)充電不良故障，現(xiàn)場檢查后發(fā)現(xiàn)充電電阻R1和充電接觸器KM2燒損(見圖2)，電阻端部絕緣子有拉弧現(xiàn)象，同時(shí)變電站跳閘。從圖2可以看出電阻承受了能量沖擊，導(dǎo)致電阻釉面龜裂而掉落到柜體底部，充電接觸器KM2動(dòng)觸頭存在燒損情況。

圖2 充電電阻和充電接觸器燒損

3 故障原因分析

充電過程控制方式：充電接觸器KM2合3 s，DCU 進(jìn)行判斷：(1)0.5 s 時(shí)中間電壓需大于200 V，未達(dá)到則報(bào)充電超時(shí)故障；(2)2.8 s 時(shí)中間電壓需大于或等于85%網(wǎng)壓，或中間電壓大于800 V，未達(dá)到則報(bào)充電超時(shí)故障，連續(xù)2次報(bào)充電超時(shí)故障時(shí)DCU會(huì)鎖定故障。當(dāng)DCU沒有報(bào)充電超時(shí)故障時(shí)，短接接觸器KM1合1 s 后，斷開KM2[3]。

該首列車的試驗(yàn)線路約為1.2 km，當(dāng)司機(jī)手柄回零后，間隔120 s才會(huì)斷開KM1，所以如果存在2次連續(xù)充電的情況，2次連續(xù)充電間隔的最短時(shí)間為120 s(正常時(shí)的最短間隔時(shí)間)。充電的時(shí)間常數(shù)τ=RC=75×8.6×10-3=0.645(s)，根據(jù)以上描述的充電過程，可知2 s基本可以完成充電。在一次充電過程中，電阻上消耗的能量為1/2×C×U2=0.5×8.6×10-3×1 8002=13 932(J)(網(wǎng)壓取最高1 800 V)。

大連地鐵車輛高壓電氣箱使用的充電電阻標(biāo)稱阻值為75 Ω，額定功耗為300 W，表面溫升350 K，額定電壓150 V。由于故障現(xiàn)象中有充放電電阻燒損情況，因此對(duì)該型號(hào)電阻進(jìn)行電阻額定溫升試驗(yàn)，試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5729—2003/IEC 60115—1∶2001《電子設(shè)備用固定電阻器第1部分:總規(guī)范》第4.14條溫升進(jìn)行，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證當(dāng)環(huán)境溫度為29 ℃時(shí)，電阻表面最高點(diǎn)溫度為395 ℃，溫升為366 K，不滿足技術(shù)參數(shù)要求。

由于故障現(xiàn)象中電阻端部絕緣子有拉弧現(xiàn)象且接觸網(wǎng)斷電，故分析可能是由于電阻燒損造成絕緣子拉弧，致使接地故障發(fā)生，將充電接觸器觸頭燒損。發(fā)生故障后下載了當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)記錄(見圖3)，從中可以看出，在合主斷路器后進(jìn)行充電的過程中，支撐電容器兩端電壓先升高后中間電壓急劇跌落，最后降為零。中間直流電流在短時(shí)間內(nèi)迅速升高而后劇降為零，符合前面的分析，可能存在接地現(xiàn)象。

圖3 故障發(fā)生時(shí)的數(shù)據(jù)記錄

綜上分析，電阻燒損的原因主要是由于電阻溫升不滿足電阻自身參數(shù)要求，表面涂層材料耐高溫性能不夠且端子對(duì)安裝座絕緣易被破壞以致電阻在使用中釉面脫落，絕緣失效，造成損壞。另外，也有部分原因是由于現(xiàn)場調(diào)試工況，電阻較正常使用情況下負(fù)荷加重，累積能量沖擊造成電阻失效。

4 解決措施

采用較大容量電阻替換現(xiàn)有電阻，高壓電氣箱在設(shè)計(jì)時(shí)，中隔板上已預(yù)留了以往項(xiàng)目使用的充電電阻的安裝接口，因此改造便利。針對(duì)本次電阻使用中出現(xiàn)的問題，立即啟動(dòng)改造流程，將原先的1個(gè)電阻(型號(hào)為RX20-300W-75Ω±5%)換成2個(gè)電阻并聯(lián)(型號(hào)為RXQ-S 500W-150Ω±5%)，等效阻值一樣，對(duì)控制系統(tǒng)時(shí)間參數(shù)無影響，以徹底消除該電阻帶來的隱患(見圖4)。

5 結(jié)束語

按此解決措施對(duì)大連地鐵所有地鐵車輛的牽引系統(tǒng)高壓電氣箱進(jìn)行了整改，截至目前，車輛未再發(fā)生充放電電阻燒損故障，車輛運(yùn)行狀況良好，問題得到解決，也驗(yàn)證了該解決措施簡單、有效(見圖4)。

圖4 整改后的電阻

[1] 中車大連機(jī)車車輛有限公司.大連地鐵1、2號(hào)線一期工程車輛操作手冊(cè)[M].大連：中車大連機(jī)車車輛有限公司，2015.

[2] 中車大連機(jī)車車輛有限公司.大連地鐵1、2號(hào)線一期工程車輛維護(hù)手冊(cè)[M].大連：中車大連機(jī)車車輛有限公司，2015.

[3] 株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司.大連地鐵1、2號(hào)線充電電阻燒損分析報(bào)告[R].株洲：株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，2014.□

(編輯：林素珍)

·簡訊·

世界軌道交通裝備企業(yè)排行榜發(fā)布

舉世矚目的“德國柏林軌道交通展(Innotrans 2016)”上，世界著名咨詢公司德國 SCI Verkehr 公司發(fā)布了2015年度世界軌道交通裝備企業(yè)的排名，這一排名以軌道交通裝備企業(yè)的新造機(jī)車車輛的銷售額為標(biāo)準(zhǔn)，中國中車股份有限公司(以下簡稱中國中車)以超過220億歐元的銷售收入居于首位，毫無懸念地位居全球軌道交通裝備行業(yè)冠軍，且2015年的銷售收入大于第二名、第三名和第四名銷售收入的總和。

位居第二名至第十名的企業(yè)分別是加拿大龐巴迪、法國阿爾斯通、德國西門子、美國GE公司、美國三一工業(yè)公司、德國克諾爾公司、美國西屋制動(dòng)公司、日本日立鐵路系統(tǒng)、美國格林布萊爾公司(Greenbrier)。

(中國中車)

2095-5251(2016)06-0028-03

2016-05-25

苗偉明(1979-)，男，碩士研究生學(xué)歷，高級(jí)工程師，從事技術(shù)管理工作。

U270.38+1

B