邱磊 陳曉 方鵬飛

摘 要：武漢地鐵21號線電動客車牽引系統(tǒng)由株洲時代電氣有限公司提供，動車牽引主回路出現(xiàn)接地故障會導(dǎo)致車輛損失三分之一牽引力，對車輛的安全準(zhǔn)點運行造成較大影響，本文介紹了牽引主回路各部件主要功能，分析了武漢地鐵21號線牽引主回路接地故障的產(chǎn)生原因，制定了對應(yīng)的處理措施，并就后續(xù)優(yōu)化檢修標(biāo)準(zhǔn)和故障預(yù)防提供了建議，以期為地鐵車輛牽引主回路接地故障的處理和預(yù)防提供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛;牽引系統(tǒng);接地短路;故障

0 引言

現(xiàn)今地鐵日益普及，已成為構(gòu)成大中城市公共交通不可或缺的一部分，極大地改變了人們的出行方式[1]。而安全和準(zhǔn)點是地鐵運營的首要目標(biāo)，武漢地鐵21號線自2017年12月起運營，采用A型車，牽引系統(tǒng)由株洲時代電氣有限公司提供，牽引電傳動系統(tǒng)作為地鐵車輛的主要部件，其性能和可靠度直接關(guān)系到地鐵運營的核心指標(biāo)，武漢地鐵21號線牽引系統(tǒng)整體運行平穩(wěn)，但仍難以避免出現(xiàn)故障。其中較為典型的牽引主回路接地故障將導(dǎo)致車輛損失部分牽引力，對車輛的安全準(zhǔn)點運行造成較大影響，為此，有必要針對地鐵車輛牽引主回路故障的分析與處理進(jìn)行探討。

1 牽引主回路接地故障分析

1.1 故障現(xiàn)象

2020年1月23日7點58分，正線U15車司機報智能顯示設(shè)備HMI上彈出4項故障提示：M2車DCU模塊元件總故障、M2車DCU模塊C相上管故障、M2車DCU模塊B相下管故障及M2車DCU差分電流大于50A。武漢地鐵21號線為4節(jié)編組，兩動兩半動，全車共有12臺牽引電機，動車的兩個轉(zhuǎn)向架均為動力轉(zhuǎn)向架，各帶有2臺牽引電機，兩節(jié)動車分別提供全車三分之一的牽引力;半動車的1位側(cè)為無動力轉(zhuǎn)向架，2位側(cè)為動力轉(zhuǎn)向架，動力轉(zhuǎn)向架帶有2臺牽引電機，兩節(jié)半動車則分別提供全車六分之一的牽引力，由于株洲時代電氣有限公司提供的牽引系統(tǒng)控制方式為車控，因而該故障會封鎖M2車變流器模塊控制脈沖，該動車的4臺牽引電機全部停止工作，車輛整體將損失三分之一的動力。

1.2 牽引主回路主說明

地鐵列車牽引系統(tǒng)主電路采用兩電平電壓型直-交逆變電路，牽引主回路電路如圖1所示，經(jīng)受流器輸入的1500V直流電通過充電回路、濾波回路及變流器模塊處理后驅(qū)動牽引電機。當(dāng)線網(wǎng)電壓在1000V-1800V之間變化時，牽引主電路能夠正常工作，可靠地實現(xiàn)牽引制動工況轉(zhuǎn)換。

列車電制動包括再生制動和電阻制動，再生制動能量可以回饋電網(wǎng)供線網(wǎng)上其他地鐵車輛使用。常用制動采取電制動優(yōu)先的模式，當(dāng)電制動不足時使用空氣制動補足，而緊急制動則僅使用空氣制動。

牽引主回路各部件主要作用如下：

（1）支撐電容充電回路：充電回路由短接接觸器KM1、充電接觸器KM2、充電電阻R1組成。當(dāng)司控器的方向手柄置于非零位時，閉合充電接觸器KM2，高壓電源經(jīng)充電電阻R1給后端支撐電容C充電，當(dāng)支撐電容C兩端電壓達(dá)到線網(wǎng)電壓的85%時，短接接觸器KM1閉合，充電接觸器KM2隨即斷開，支撐電容充電過程完成。

（2）濾波回路：濾波回路由線路電抗器L和支撐電容C組成。線路電抗器與支撐電容組成的濾波單元可用來限制直流側(cè)的電壓波動，同時濾除高次諧波，抑制供電側(cè)電壓突變對二次側(cè)電氣設(shè)備的損害。

（3）逆變單元：變流器模塊中的逆變單元是整個牽引主回路的核心部分，完成了將直流電變換為三相交流電這一關(guān)鍵過程。逆變單元為兩電平逆變電路，由6個帶無功反饋二極管的IGBT組成，工作時由DCU發(fā)出控制脈沖，通過控制IGBT的順序?qū)P(guān)斷，將直流電變換為電壓頻率可調(diào)的三相交流電。另外，當(dāng)牽引電機工作在發(fā)電機狀態(tài)時，逆變單元可反向?qū)崿F(xiàn)整流功能，將三相交流電整流為直流電后回饋電網(wǎng)。

（4）制動斬波單元：地鐵車輛在下坡或制動過程中，牽引電機工作在發(fā)電機狀態(tài)，其產(chǎn)生的反力矩使得列車減速，而當(dāng)產(chǎn)生的電能不能夠被線網(wǎng)吸收時，將使得支撐電容端電壓升高，此時制動斬波單元發(fā)揮作用，IGBT導(dǎo)通由制動電阻吸收這部分電能。此外，當(dāng)線網(wǎng)電壓波動超過閾值時，為了防止支撐電容端電壓過高，制動斬波回路也將導(dǎo)通，來降低過電壓，保護(hù)相關(guān)設(shè)備。同時，制動斬波單元還具有快速放電功能，作為常規(guī)放電回路的補充，極大的縮短了斷電后的放電時間，給予檢修安全雙保險。

（5）牽引電機：三相交流異步牽引電動機，其轉(zhuǎn)子為鼠籠式結(jié)構(gòu)，定子為無機殼結(jié)構(gòu)，懸掛方式為架承式全懸掛，絕緣等級為200級，冷卻方式為帶內(nèi)風(fēng)扇自通風(fēng)，額定功率為190kW。

（6）檢測元件：檢測元件包括正線直流輸入電流傳感器LH1、負(fù)線直流輸入傳感器LH2、牽引電流傳感器LH3及LH4、斬波電流傳感器LH5、線網(wǎng)電壓傳感器VH1、支撐電容電壓傳感器VH2，以上均為霍爾傳感器。

1.3 故障分析

牽引控制單元DCU與列車網(wǎng)絡(luò)控制和診斷系統(tǒng)之間通過MVB網(wǎng)絡(luò)方式交換數(shù)據(jù)，通信單元可以將符合MVB協(xié)議格式的數(shù)據(jù)包傳輸給列車網(wǎng)絡(luò)控制和診斷系統(tǒng)，同時能接收網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的數(shù)據(jù)，接受VCM的調(diào)度，并將變流器的運行狀態(tài)和故障情況反饋給VCM。

牽引控制單元DCU具有記錄波形數(shù)據(jù)的功能，在故障發(fā)生前后的一段時間里，對相關(guān)電氣參數(shù)（模擬量和數(shù)字量）的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并存儲到FLASH里保存，以便維護(hù)工程師進(jìn)行后續(xù)故障分析。DCU的保護(hù)分為硬件保護(hù)和軟件保護(hù)兩種，其中，硬件保護(hù)功能由FPGA實現(xiàn)，主要包括IGBT元件故障保護(hù)、逆變輸出過流保護(hù)及硬件過壓保護(hù)等;軟件保護(hù)功能由OMAP芯片實現(xiàn)，各種保護(hù)參數(shù)可通過軟件靈活設(shè)置，主要包括牽引電機過熱保護(hù)、充電超時保護(hù)及欠壓保護(hù)等。

牽引控制單元DCU通過獲取電流傳感器LH1和LH2的采集值，經(jīng)計算處理后實現(xiàn)永久性監(jiān)控牽引主回路正線輸入電流和負(fù)線輸入電流的差值，當(dāng)該差值超過50A的預(yù)設(shè)值時，牽引控制單元DCU將會上報VVVF嚴(yán)重故障并在智能顯示設(shè)備HMI上彈出相應(yīng)故障提示DCU模塊差分電流大于50A，同時封鎖故障變流器模塊控制脈沖，避免設(shè)備損失進(jìn)一步擴(kuò)大。

使用維護(hù)軟件PTU查看事發(fā)時故障數(shù)據(jù)快速波形，數(shù)據(jù)顯示正線直流輸入傳感器LH1采集到故障發(fā)生時正線輸入電流峰值約1500A，負(fù)線直流輸入電流傳感器LH2采集到故障發(fā)生時負(fù)線輸入電流峰值約-900A（正常情況下，正線輸入電流與負(fù)線輸入電流基本相等，約為200A），兩者瞬時差值遠(yuǎn)超50A，表征牽引主回路出現(xiàn)嚴(yán)重接地短路故障。

DCU模塊C相上管故障和DCU模塊B相下管故障同時報出，說明因檢測元件故障從而誤報管故障的概率較小，此故障應(yīng)是變流器模塊內(nèi)部出現(xiàn)短路情況或牽引主回路其他部位短路故障引起變流器模塊內(nèi)IGBT燒損所致，DCU模塊元件總故障是牽引控制單元DCU故障診斷功能的結(jié)果。

1.4 故障排查

針對該故障，進(jìn)行了以下排查[2，3]：

（1）檢查車下牽引主回路線纜、牽引逆變器箱體外觀，觀察是否存在明顯的接地點，未發(fā)現(xiàn)異常情況;

（2）檢查變流器模塊周圍及內(nèi)部有無炸裂、燒損、銹蝕等痕跡，未發(fā)現(xiàn)異常情況;

（3）檢查牽引逆變器箱體內(nèi)接觸器、傳感器、電阻等元件是否有燒損、銹蝕等痕跡，檢查銅排狀態(tài)，對銅排緊固螺栓進(jìn)行力矩校驗，未發(fā)現(xiàn)異常情況;

（4）檢查牽引逆變器接線箱及航插，接線箱內(nèi)緊固螺栓標(biāo)記線無偏移，未發(fā)現(xiàn)縮針、虛接情況，測量正極銅排對地電阻約100kΩ，均未發(fā)現(xiàn)異常;

（5）對電抗器進(jìn)行清潔后，檢查電抗器表面及周圍線纜，完好未見燒損;

（6）檢查牽引電機接線盒，防護(hù)良好、內(nèi)部潔凈，電機定子繞組進(jìn)行直流2500V絕緣測試，測量阻值結(jié)果為無窮大;

（7）檢查車下過渡接線盒，可見顯著燒損痕跡，M8螺栓已松動，如圖2所示。

2 結(jié)論及措施

武漢地鐵21號線此次牽引主回路接地故障是因為車下過渡接線盒內(nèi)M8固定螺栓松動（工藝標(biāo)準(zhǔn)力矩10Nm），且地鐵車輛運行過程中難以避免振動，導(dǎo)致前后端線纜的接觸電阻顯著增大，引起局部過熱從而損傷線纜絕緣，線纜絕緣性能日益下降，最終在高壓下絕緣被擊穿并引起主回路接地短路。

故障修復(fù)工作過程如下：燒損的過渡接線盒需整體更換，牽引電機側(cè)線纜無余量需整體更換，牽引逆變器箱側(cè)線纜設(shè)計時留有余量，剪短10cm后表面未見燒損或氧化，且絕緣測試和耐壓測試通過，經(jīng)處理后可繼續(xù)使用。鑒于該螺栓松動后果嚴(yán)重，因此有必要組織對所有車下過渡接線盒進(jìn)行普查，調(diào)整優(yōu)化檢修周期，同時進(jìn)一步細(xì)化年修規(guī)程中關(guān)于車下接線盒的檢查技術(shù)要求及工藝規(guī)范，并在定修修程中考慮加入力矩校驗項目。

3 結(jié)語

武漢地鐵21號線牽引主回路接地故障對正線行車產(chǎn)生了較大影響，本文介紹了牽引主回路各部件主要功能，針對牽引主回路接地故障的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，制定了對應(yīng)的處理措施，并就后續(xù)優(yōu)化檢修標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)防提供了建議，為后續(xù)此類故障的處理提供了依據(jù)，確保地鐵車輛的安全可靠運行。

參考文獻(xiàn)

[1] 熊潔，龐友闈.武漢地鐵3號線車輛牽引電傳動系統(tǒng)的研究[J].中國科技縱橫，2017（23）：42-43.

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[3] 李明陽.地鐵電氣系統(tǒng)中牽引與輔助系統(tǒng)的故障檢修[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018（2）：126.