徐逸煌，彭 飛

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031；2.重慶市軌道交通(集團(tuán))有限公司，重慶 401120)

1 故障概況

重慶十號(hào)線屬于As型地鐵列車，適用于山地環(huán)境，具有爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、載客量大等特點(diǎn)[1]。重慶十號(hào)線自開(kāi)通運(yùn)營(yíng)以來(lái)，輔助逆變器在初次上電啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)生多起過(guò)流故障，造成地鐵列車無(wú)法出庫(kù)，影響列車的行車調(diào)度安排和車輛的正常運(yùn)行。

2 輔助逆變器過(guò)流故障的原因分析

2.1 輔助電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及并聯(lián)技術(shù)方案

2.1.1 輔助電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

重慶十號(hào)線輔助電源系統(tǒng)整車配置4臺(tái)輔助逆變器(SIV)，分別位于Mp1/2車和M1/2車，各逆變器之間采用并網(wǎng)運(yùn)行，系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性高，冗余度大[2,3]。輔助逆變器的主電路采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、維護(hù)方便。

2.1.2 輔助電源系統(tǒng)并聯(lián)技術(shù)方案

輔助電源系統(tǒng)采用并網(wǎng)供電方式進(jìn)行工作，主要控制邏輯分為網(wǎng)絡(luò)正常和網(wǎng)絡(luò)不正常兩種工況。本文主要介紹在網(wǎng)絡(luò)正常工況下的并網(wǎng)供電工作模式。

在TCMS系統(tǒng)正常的情況下，由TCMS系統(tǒng)控制各輔助系統(tǒng)啟動(dòng)順序。通常情況下，輔助變流器進(jìn)行分步啟動(dòng)，全部啟動(dòng)后在三相母線下并行運(yùn)行。主要過(guò)程如下：

(1)投入蓄電池的初始時(shí)刻，TCMS系統(tǒng)發(fā)禁止啟動(dòng)命令，各輔助系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)。

(2)TCMS系統(tǒng)指定某一臺(tái)輔助系統(tǒng)為主系統(tǒng)，并發(fā)送允許啟動(dòng)命令；主系統(tǒng)啟動(dòng)正常后，輸出接觸器吸合，控制器會(huì)發(fā)送啟動(dòng)完成狀態(tài)給TCMS系統(tǒng)；此時(shí)TCMS會(huì)按一定順序、依次間隔2s、1s、1s向其余3臺(tái)輔助系統(tǒng)發(fā)允許啟動(dòng)命令；每臺(tái)從逆變器啟動(dòng)完成后，其輸出接觸器吸合，并連至母線網(wǎng)絡(luò)上。系統(tǒng)全部啟動(dòng)后，會(huì)在AC380V三相母線下正常運(yùn)行。當(dāng)某一臺(tái)輔助系統(tǒng)30s后尚未啟動(dòng)，則該系統(tǒng)被隔離。

(3)當(dāng)主系統(tǒng)允許啟動(dòng)命令發(fā)出后6s，TCMS尚未收到啟動(dòng)完成狀態(tài)，則該系統(tǒng)被隔離；TCMS指定另一臺(tái)輔助系統(tǒng)為主系統(tǒng)，向其發(fā)送啟動(dòng)命令，并在收到其啟動(dòng)完成狀態(tài)后，再按一定順序，依次間隔2s、1s、1s向其他輔助系統(tǒng)發(fā)送允許啟動(dòng)命令。

2.2 故障原因分析

針對(duì)輔助逆變器過(guò)流故障問(wèn)題，查看發(fā)生故障列車的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和故障記錄，發(fā)現(xiàn)在輔助逆變器初次啟動(dòng)過(guò)程中的故障現(xiàn)象和情況一致，所以將這種在初次啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)生在不同列車上的過(guò)流故障歸為一個(gè)問(wèn)題。本文分析故障數(shù)據(jù)時(shí)，以10009車為案例進(jìn)行故障原因分析。

圖1為基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的故障時(shí)輔助逆變器啟動(dòng)信號(hào)和接觸器狀態(tài)，從圖中可以看出，Mp1車、M1車、M2都是分別以主機(jī)單獨(dú)啟動(dòng)完成，主機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)都只給一臺(tái)逆變器發(fā)送一個(gè)低電平有效的啟動(dòng)命令，因此啟動(dòng)過(guò)程中始終都只有一臺(tái)逆變器在工作。

圖1 輔助逆變器啟動(dòng)信號(hào)和接觸器狀態(tài)

圖2為Mp1車輔助逆變器故障記錄數(shù)據(jù)，M1/2車輔助逆變器的故障數(shù)據(jù)現(xiàn)象與Mp1車一致，在此不一一贅述。逆變器都是在輸出電壓峰值為311V左右、頻率為50Hz，即輸出正常以后報(bào)出的故障。在故障時(shí)刻輸出電流增大，輸出電壓被拉低，母線電流同時(shí)增大且方向?yàn)檎?從網(wǎng)側(cè)流入逆變器)，輸出電壓和電流幾乎同相位，由此說(shuō)明輸出功率為正，即輔助逆變器對(duì)外輸出功率，且輸入功率跟隨輸出功率，最大功率點(diǎn)達(dá)到200kW。計(jì)算輸入功率和輸出功率，兩者相差不大，表明逆變器箱體內(nèi)部沒(méi)有如此大的功率損失，所以逆變器箱體內(nèi)部沒(méi)有造成功率這么大的故障點(diǎn)。由于輸出功率最大達(dá)到了200kW，且逆變器能實(shí)時(shí)跟蹤輸入功率，說(shuō)明逆變器箱體外部存在故障點(diǎn)，導(dǎo)致SIV輸出功率激增，AC380V中壓母線或負(fù)載側(cè)存在異常，導(dǎo)致輔助輸出功率瞬間增大，發(fā)生過(guò)流觸發(fā)故障保護(hù)。

(a)接觸器后端電流

2.3 調(diào)查論證

為查找故障原因，去現(xiàn)場(chǎng)列車上做了輔助逆變器啟動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)車輛為10010車，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中空壓機(jī)均未啟動(dòng)。試驗(yàn)過(guò)程中，均是一升弓就啟動(dòng)空調(diào)以模擬故障時(shí)刻司機(jī)的實(shí)際操作。該工況下只要輔助逆變器主機(jī)啟動(dòng)完成，空調(diào)通風(fēng)機(jī)就會(huì)運(yùn)行，實(shí)際故障發(fā)生時(shí)均為這種工況。全列車每個(gè)客室有2臺(tái)空調(diào)，每臺(tái)空調(diào)有2個(gè)通風(fēng)機(jī)，全列車客室空調(diào)共有24臺(tái)通風(fēng)機(jī)。測(cè)量每列車空調(diào)柜的進(jìn)線端，主機(jī)啟動(dòng)完成后，空調(diào)只有通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行，該方法測(cè)出的電流相當(dāng)于4臺(tái)通風(fēng)機(jī)的電流。

在10010車上做第一次啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，Mp1車空調(diào)啟動(dòng)電流峰值為52A(1臺(tái)通風(fēng)機(jī)平均啟動(dòng)電流峰值為13A)，此時(shí)Mp1車輔助輸出電流為232A，試驗(yàn)波形如圖3所示。

圖3 10010車第一次啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)波形

接著，又降弓做了兩次啟動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)波形分別如圖4和圖5所示。圖4中Mp1車空調(diào)啟動(dòng)電流均為43A左右，Mp1車輔助輸出電流峰值為170A。圖5中Mp1車空調(diào)的啟動(dòng)電流均為41A左右，Mp1車輔助輸出電流峰值均為170A。

圖4 10010車第二次啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)波形

圖5 10010車第三次啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)波形

綜合網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、故障記錄以及試驗(yàn)采集的波形，可以得出如下結(jié)論：

(1)空調(diào)通風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)特性不一致，特性較差，通風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)電流幾乎都超過(guò)了額定電流的4～7倍；

(2)逆變器啟動(dòng)輸出過(guò)流故障的原因確定為，在只有一臺(tái)輔助逆變器運(yùn)行時(shí)，空調(diào)通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)電流沖擊過(guò)大，超出了單臺(tái)逆變器的承受范圍，進(jìn)而觸發(fā)過(guò)流故障進(jìn)行保護(hù)。

3 解決措施

針對(duì)空調(diào)通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)特性較差，啟動(dòng)電流沖擊過(guò)大導(dǎo)致的逆變器過(guò)流故障，在空調(diào)通風(fēng)機(jī)控制方面將空調(diào)通風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)方式變?yōu)閮蓚€(gè)單元錯(cuò)時(shí)啟動(dòng)，即將全列車空調(diào)中的24臺(tái)通風(fēng)機(jī)分為兩個(gè)單元，每次啟動(dòng)每節(jié)車中的2臺(tái)空調(diào)通風(fēng)機(jī)，那么一次啟動(dòng)了一個(gè)單元的12臺(tái)通風(fēng)機(jī)，全列車空調(diào)通風(fēng)機(jī)分為兩次啟動(dòng)，兩個(gè)單元之間啟動(dòng)間隔為3s。通過(guò)上述方法升級(jí)空調(diào)控制程序后，重慶十號(hào)線列車未再發(fā)生過(guò)因空調(diào)通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)特性差導(dǎo)致的輔助逆變器過(guò)流故障。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)重慶十號(hào)線輔助逆變器(SIV)在啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)生過(guò)流故障問(wèn)題，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，分析了過(guò)流故障的原因，并針對(duì)該問(wèn)題制定了合理的整改措施，有效地解決了該故障，保證了重慶十號(hào)線列車的正常運(yùn)營(yíng)。