深圳地鐵2期工程B型車牽引系統數字輸入板燒損原因分析及改進方案

陳富東，宋 福

（深圳市地鐵三號線運營分公司 車輛部，廣東深圳518172）

深圳地鐵2期工程3號線列車選用標準B型車，是目前深圳軌道交通線網中唯一選用B型車的線路。列車6輛編組（4動2拖），牽引和電制動系統由韓國現代Rotem公司提供，采用交流傳動和動力分散控制技術。每個動車安裝有獨立的牽引逆變器及控制單元，各動車之間互不影響。深圳地鐵三號線高架段于2010-12-28開通試運營，初期車輛牽引系統整體表現良好，列車運行穩(wěn)定，但從2011-08開始，正線運營列車相繼發(fā)生多起牽引系統數字輸入板燒損故障，導致列車損失1／4動力，影響列車牽引和電制動性能，對運營秩序造成了一定的影響。因此如何消除該故障對運營秩序的影響，是必須要研究并解決的重要課題。

1 牽引系統數字輸入板燒損基本情況

通過對2011-08，2011-09，2011-10 3個月電客車的正線故障記錄統計、分析發(fā)現，3個月共發(fā)生11起牽引系統數字輸入板燒損故障，處理的方式均是對牽引逆變器控制單元內的數字輸入板（DIN板）進行更換。DIN板主要作用是收集列車DC110V控制信號（如列車牽引制動、列車方向、牽引系統高速斷路器、線路接觸器狀態(tài)等信號），將這些信號處理后傳送至牽引逆變器控制單元主處理器，主處理器判斷滿足工作條件后控制牽引逆變器工作。

2 牽引系統數字輸入板燒損原因分析

故障發(fā)生后立即進行了詳細分析，由于DIN板燒損后表現出的故障現象是列車牽引系統接觸器故障，首先對牽引系統主斷路器箱內的高速斷路器、線路接觸器及接線進行了檢查，均未發(fā)現異常，后檢查牽引逆變器控制單元上各電路板與外部通信的插接接頭，也未發(fā)現異常，最后對牽引逆變器控制單元的各板件進行檢查，發(fā)現控制單元中負責收集信號的DIN板部分降壓電阻燒損，更換燒損的DIN板后故障消失，由此可以確定引起牽引系統接觸器故障的原因是DIN板發(fā)生了燒損。

對牽引系統數字輸入板燒損故障數據統計發(fā)現，DIN板燒損并非只發(fā)生在某個車組上，而是帶有一定的隨機性，因此可以排除是單個車組牽引系統質量或工藝裝配缺陷造成，初步懷疑是板件設計缺陷引起的普遍故障。同時對上線運營的所有車組的牽引逆變器控制單元DIN板檢查，發(fā)現板件降壓電阻附近均有由于受熱不同程度顏色變深的現象，且投入運營時間較長的列車DIN板顏色較運營時間短的車深。通過觀察DIN板變色和燒損的部位發(fā)現，所有車組DIN板燒損和受熱變色均位于同一部位，即列車110V信號常帶電區(qū)域（列車緊急環(huán)路信號、列車方向信號、列車牽引制動信號、列車斷路器閉合等信號）。

鑒于上述現象，我們初步判斷以下兩種原因可能導致故障發(fā)生。

（1）牽引逆變器控制單元DIN板降壓電阻參數選擇錯誤，降壓電阻額定容量小于實際工作容量，超負荷工作引起電阻燒損；

圖1 局部發(fā)生變色的DIN板

圖2 發(fā)生燒損的DIN板

（2）牽引逆變器控制單元DIN板降壓電阻排列不合理，沒有有效散熱空間，工作時產生的熱量無法及時散發(fā)，長期積累，最終導致DIN板燒損。

針對以上可能的原因進行深入分析，以確定引起故障的最終原因，徹底杜絕該類故障的發(fā)生，保證列車運行質量。

2.1 降壓電阻參數分析

根據電路原理圖及實際工作電壓計算降壓電組實際工作容量：

現有DIN板上選用的R2、R98額定容量為1W，是實際工作容量的3.5倍；

（2）R3、R4、R99、R100、R101、R102實際工作容量計算

（1）R2、R98實際工作容量計算

現有 DIN 板上選用的R3、R4、R99、R100、R101、R102額定容量為1W，是實際工作容量的3.7倍。

通過計算可知，DIN板降壓電阻額定容量是實際工作容量的3.5倍以上，因此排除由于降壓電阻額定容量小于實際工作容量，超負荷工作而引起電阻燒損的可能。

圖3 DIN數字輸入板燒損部分電路原理圖

2.2 降壓電阻排列方式分析

為了驗證是否由于DIN板降壓電阻排列不合理，缺乏有效散熱空間，熱量積累導致板件燒損，我們選取兩塊相同的DIN板，將其中一塊DIN板的電阻間隙人為增大，保證試驗室恒溫（25℃）的情況下，在兩塊DIN板1～4頻道（列車DC110V常帶電區(qū)域）分別輸入DC110V電壓約3h，待環(huán)境溫度飽和后對板件溫度進行測量（圖4）。從紅外相機拍攝的照片以及溫度測量數據能夠發(fā)現，相同條件下，降壓電阻間隙大的DIN板較降壓電阻小的DIN板相對溫升低約10℃，由此說明增大DIN板降壓電阻的間隙可以減少熱量積累，降低板件溫度。

但如何選取一個相對合理的電阻排列方式，還需要驗證單一電阻阻值與溫度的關系。選取圖3中DIN板輸入單元電路的43kΩ和10kΩ降壓電阻，保證試驗室恒溫（25℃）的情況下，在電阻兩端分別直接施加DC110V電壓約3h，待環(huán)境溫度飽和后對單一電阻溫度進行測量（圖5）。從紅外相機拍攝的照片以及溫度測量數據能夠發(fā)現，相同條件下，電阻發(fā)熱量與阻值的大小有關，阻值小的電阻較阻值大的電阻發(fā)熱量大。因此，可以將發(fā)熱量大的電阻與發(fā)熱量小的電阻交叉排列，以減少熱量的集中。

圖4 DIN板電阻溫升試驗

圖5 單一電阻溫升試驗

通過以上試驗可知改變DIN板上降壓電阻排列方式，可以減少熱量累積，降低板件表面溫度。因此可以判斷現有DIN板降壓電阻的排列結構對DIN板的散熱不利，DIN板工作時降壓電阻產生的熱量無法及時散發(fā)，長期累積，導致DIN板燒損。

3 牽引系統控制單元DIN板改進及效果

找到引起DIN板燒損的原因后，聯合廠家對現有DIN板進行了改進。首先在滿足工作容量的前提條件下，將現有的柱狀電阻更換為體積較小的片式電阻，以增大散熱空間，同時對電阻的排列結構進行了改進，將發(fā)熱量較大的電阻與發(fā)熱量小的電阻交叉排列，以避免熱量集中。

改進后的DIN板在試驗室進行相關性能和型式試驗，2011-10-12 12塊新型DIN樣板到達深圳3號線車輛段，我們按每兩塊一組將其分成6組安裝在6組電客車上進行裝車試驗，主要目的是在實際工作條件下對其進行性能和穩(wěn)定性測試，并對其散熱能力進行檢查。試驗30天未發(fā)生任何故障，同時觀察改進后的DIN板，未發(fā)現有受熱變色的現象出現。經過試驗室及現場驗證，認為新型的DIN板滿足深圳地區(qū)工作環(huán)境要求。目前深圳地鐵3號線列車上已全部安裝了改進后的DIN板，運行至今未再發(fā)生有燒損的現象。

此次牽引逆變器控制單元數字輸入板頻繁燒損故障的處理對運營及設計單位都提供了很好的借鑒實例。在新車設計時對各種因素要考慮充分，以減少運營后帶來的嚴重影響及損失；運營車輛日常維護中要拓寬思路，全面考慮，找到真正的故障原因，進行及時有效地處理，保證列車質量，降低對正線運營的影響。

圖6 改進前的DIN板（柱狀電阻）

圖7 改進后的DIN板（片式電阻）

［1］（美）Louis Scheffer.集成電路系統設計、驗證與測試［M］.北京：科學出版社，2008.

［2］金東明，韓丁珠.深圳地鐵3號線電客車牽引逆變器控制單元DIN板燒損研究報告［R］.2011，10.

［3］金東明，林章均.深圳地鐵3號線電客車牽引逆變器維修手冊［R］.韓國現代樂鐵股份有限公司.2009.12.

［4］何宗華，汪松滋，何其光.城市軌道交通車輛運行與維修［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.