地鐵車(chē)輛電氣系統(tǒng)中牽引與輔助系統(tǒng)故障與檢修

黃文斌

（中車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司，湖南株洲 412001）

1 電氣牽引與輔助系統(tǒng)

1.1 牽引系統(tǒng)的特點(diǎn)

電氣牽引與控制是通過(guò)車(chē)控實(shí)現(xiàn)的。每輛動(dòng)車(chē)上的4臺(tái)電機(jī)是利用1C4M式高壓電路中的VVVF（Variable Voltage and Variable Frequency，可變電壓、可變頻率）逆變器實(shí)現(xiàn)供電的；利用無(wú)速度傳感器的矢量有效控制交流牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，以速度推算方式為基礎(chǔ)進(jìn)行滑行控制；電制動(dòng)要滯后于再生制動(dòng)，隨著再生制動(dòng)吸收條件的改變，電制動(dòng)和再生制動(dòng)之間靈活轉(zhuǎn)換；在地鐵車(chē)輛中設(shè)置母線斷路器與貫通式高壓母線線路，以保證地鐵可以安全的通過(guò)每一處空線電分段區(qū)。整個(gè)電氣系統(tǒng)充分利用地鐵車(chē)輛的黏著條件，在地鐵車(chē)輛空載與超負(fù)荷區(qū)域內(nèi)進(jìn)行有效調(diào)整，保證地鐵車(chē)輛在超負(fù)荷與空載狀態(tài)時(shí)能穩(wěn)定加速。此外，還需兼顧滑行控制與空轉(zhuǎn)控制功能。

1.2 牽引系統(tǒng)的構(gòu)成

主要包括高速斷路器、線路濾波元件、牽引逆變器、接地故障檢測(cè)系統(tǒng)等。高速斷路器被安裝于逆變器中，作用是對(duì)短路、接地等引發(fā)的過(guò)流問(wèn)題進(jìn)行有效保護(hù)，保護(hù)范圍需與變電所的保護(hù)相互協(xié)調(diào)；線路濾波器是為平滑輸入電流，對(duì)車(chē)輛與接觸網(wǎng)間的相互干擾進(jìn)行抑制，可對(duì)雷擊故障或變電所斷路器斷開(kāi)造成的瞬時(shí)行波等進(jìn)行保護(hù)，在突發(fā)接地故障時(shí)可保護(hù)牽引系統(tǒng)的其他設(shè)備不受損壞；牽引逆變器是由過(guò)壓保護(hù)電阻、支持電容、制動(dòng)斬波相、逆變橋、GDU（Graphics Display Units，圖形顯示單元）、DUC（Data Utilization Center，數(shù)據(jù)使用中心）控制板以及其他輔助元件等組成，在實(shí)際應(yīng)用中需經(jīng)過(guò)冷卻處理，多采用熱管散熱器進(jìn)行冷卻。

1.3 輔助系統(tǒng)的構(gòu)成

輔助系統(tǒng)分為蓄電池組、DC/AC逆變器組和DC/AC變換器組。蓄電池組是由多個(gè)電池單元組成，蓄電池保護(hù)方式有：與接觸器分?jǐn)?，使蓄電池與負(fù)載處于隔離狀態(tài)；隔離充電器與蓄電池，充電過(guò)程進(jìn)行過(guò)流與過(guò)壓保護(hù)；充電器控制充電電壓。DC/AC逆變器也可稱(chēng)為輔助逆變器，通過(guò)將接觸網(wǎng)架空來(lái)給其供電，以達(dá)到輔助電源的目的。變換器也稱(chēng)為蓄電池充電器，通常蓄電池充電器組應(yīng)≥2個(gè)電池單元，如果其中一個(gè)出現(xiàn)問(wèn)題，其他的可繼續(xù)工作，以免影響車(chē)輛運(yùn)行。

2 牽引故障分析與檢修

2.1 故障分析

（1）非正常運(yùn)行狀態(tài)。地鐵車(chē)輛在正常運(yùn)行過(guò)程中，常會(huì)發(fā)生啟動(dòng)和制動(dòng)的狀態(tài)，該現(xiàn)象將會(huì)對(duì)地鐵車(chē)輛的正常運(yùn)行造成很大影響。此外，在上下班高峰期，地鐵常處于過(guò)載狀態(tài)，此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)因車(chē)輛制動(dòng)而引起的電流、電壓不穩(wěn)定等現(xiàn)象（類(lèi)似短路情況），有可能造成繼電器保護(hù)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)作，而對(duì)地鐵車(chē)輛電網(wǎng)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響。

（2）非金屬性短路故障。它是在非金屬狀態(tài)下出現(xiàn)的短路故障，多發(fā)生在雨雪等狀況，例如，軌道被雨雪覆蓋，此時(shí)雨雪將是供電系統(tǒng)傳播電流的導(dǎo)體，三軌是將整個(gè)絕緣支座固定在道床上，與接地扁銅有著可靠的絕緣關(guān)系。但隨著地鐵使用時(shí)間的延長(zhǎng)，車(chē)輛的支撐體就會(huì)出現(xiàn)老化或污穢的情況，導(dǎo)致電流泄漏，這些電流絕緣支座傳向接地扁銅，再通過(guò)變電所傳回負(fù)極。因此，應(yīng)對(duì)支撐體進(jìn)行定期保養(yǎng)，以免上述故障發(fā)生。此外，電弧短路也較為常見(jiàn)，它是因?qū)w接觸到了帶電體而造成的短路。

（3）金屬性故障。它是三軌與鋼軌間發(fā)生了接觸而導(dǎo)致的故障，或因接地扁銅被擊穿失去了絕緣性能，使三軌與接地扁銅間出現(xiàn)短路等情況。如檢修人員將金屬工具遺漏在三軌與鋼軌之間，在送電時(shí)三軌與鋼軌間就會(huì)造成直接短路。

2.2 故障檢修

（1）故障仿真分析是檢修中最常用的手段。因?yàn)榈罔F車(chē)輛電氣牽引系統(tǒng)故障的位置，多處于供電臂遠(yuǎn)離牽引變電所的遠(yuǎn)端，利用仿真分析，得出遠(yuǎn)近端路點(diǎn)的饋線電流，根據(jù)電流穩(wěn)態(tài)值的變化可以得出隨著故障距離的減小電流穩(wěn)態(tài)值逐步降低，且距離故障末端越近，電流變化越快，根據(jù)這一點(diǎn)可以判斷出直流牽引網(wǎng)電壓的變化情況。

（2）為了避免牽引變電站的子模型在最初階段處于暫態(tài)的狀態(tài)，可通過(guò)以下實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真分析，即設(shè)置一輛地鐵在0.05 s內(nèi)啟動(dòng)，在0.11 s時(shí)分別在距離3 m與5 m處設(shè)置故障，以此來(lái)模擬短路故障。通過(guò)分析直流饋線電流仿真結(jié)果可得出接近于指數(shù)的函數(shù)，與接觸網(wǎng)末端的距離越近，電流的變化越快，其穩(wěn)態(tài)值就越高。通過(guò)故障仿真分析，可以根據(jù)直流饋線的電流變化，準(zhǔn)確得出牽引系統(tǒng)是否發(fā)生故障。

3 輔助系統(tǒng)的故障與檢修

3.1 故障分析

（1）電容器故障。鋁電解電容器處于逆變器內(nèi)部，作用是穩(wěn)定車(chē)輛的運(yùn)行電壓。因電容工作時(shí)極易對(duì)氧化膜造成破壞，雖然氧化膜可以自行愈合，但自愈速度遠(yuǎn)小于損壞速度，因此僅依賴(lài)氧化膜自愈是無(wú)法滿(mǎn)足修補(bǔ)要求的，不僅會(huì)出現(xiàn)氧化膜破損，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)被擊穿，使電容器失效。

（2）電力半導(dǎo)體器件故障。對(duì)逆變器來(lái)說(shuō)，一旦電力半導(dǎo)體失效，就會(huì)造成逆變器失效。因?yàn)殡姎庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中未對(duì)電力半導(dǎo)體器件采取一定的保護(hù)措施，所以容易造成其失效。

（3）半導(dǎo)體器件故障。逆變器內(nèi)部的多個(gè)弱電半導(dǎo)體單元直接關(guān)系著逆變器能否正常工作，一旦某個(gè)部件出現(xiàn)故障，逆變器的整體功能將會(huì)受到影響，進(jìn)而對(duì)逆變器的整體性能帶來(lái)危害。逆變器失效原因可分為內(nèi)部原因與外部原因。內(nèi)部原因是逆變器固有特性發(fā)生了改變，外部原因是外界影響造成的故障。

3.2 故障檢修分析

（1）創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。就是將輔助系統(tǒng)的故障采集數(shù)據(jù)一一輸入到未經(jīng)訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)當(dāng)中，然后在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中對(duì)故障采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的ANN（Artificial Neural Networks，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）訓(xùn)練，與此同時(shí)還可在訓(xùn)練過(guò)程中找出解決問(wèn)題的最佳辦法，以便獲得與之相對(duì)應(yīng)的診斷網(wǎng)絡(luò)。其中，診斷網(wǎng)絡(luò)是對(duì)故障進(jìn)行檢修的重要前提，必須通過(guò)診斷系統(tǒng)找出故障原因，才可有效的對(duì)故障進(jìn)行檢修。

（2）對(duì)網(wǎng)絡(luò)的診斷，主要是通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的一個(gè)過(guò)程，既是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)輸入診斷出輔助系統(tǒng)故障原因與故障點(diǎn)的過(guò)程，也是提取與處理故障點(diǎn)的過(guò)程。完成故障診斷則可按照輔助系統(tǒng)的信息樣本進(jìn)行故障處理，最后在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中做好相應(yīng)的檢查工作，這一點(diǎn)很重要，以免前功盡棄。

4 結(jié)語(yǔ)

電氣牽引與輔助系統(tǒng)是保證地鐵系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保障，在保證地鐵車(chē)輛正常運(yùn)行中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。為此，應(yīng)以科學(xué)技術(shù)為指導(dǎo)，認(rèn)真研究并分析地鐵牽引與輔助系統(tǒng)的故障原因，然后根據(jù)故障特點(diǎn)合理采取檢修措施，以實(shí)現(xiàn)高效處理牽引與輔助系統(tǒng)故障問(wèn)題，不斷提高檢修水平，為地鐵車(chē)輛的安全運(yùn)行提供可靠保障。

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