地鐵輔助逆變器200%過載故障的原因分析及解決措施

王煙平

(長沙市軌道交通運營有限公司, 長沙 410133)

2016年8月至2017年7月，長沙地鐵1號線地鐵車輛在正線運行過程中，陸續發生多起輔助逆變器交流輸出200%過載故障。

1　故障情況

車輛輔助逆變器發生200%過流故障后，失去三相交流AC 380 V及直流DC 110 V供電，造成空壓機無法打風、空調無法正常工作、車載蓄電池無法充電，嚴重影響車輛正常運行，見表1。

2　輔助逆變器過流的故障原因分析

2.1　故障情況說明

通過解析表1中7起故障波形及事件記錄儀數據分析，電網電壓在故障前后均較穩定，無明顯異常；故障現象為200%輸出過載，前級變壓器原邊電流(IGBT模塊輸出)波形有同步增大趨勢；部分波形在故障保護時刻前輸出電壓有異常畸變現象；現場處理對風機控制接觸器進行預防性處理，故障發生后，并未更換風機；故障發生時刻，伴隨著風機控制接觸器的轉換動作。其中，6起故障發生在K12閉合，1起發生在K12斷開；200%過流保護時大電流的持續時間約為200 us。

2.2　故障原因初步分析

對其中1起故障記錄進行解析分析，故障波形如圖1。

故障出現在風機由高速切換為低速檔過程中。控制箱發出K12閉合指令，24 ms后，收到200C故障反饋指令(V、W相過流)，隨后4 ms收到K12閉合狀態反饋指令。從發出K12閉合指令到收到閉合反饋指令，時間共28 ms。此過程中，K11控制指令及反饋指令為高電平(K11閉合)，K13控制指令及反饋指令為低電平(K13斷開)。

根據故障波形對故障進行分析，故障發生在風機控制接觸器K12吸合過程中，風機控制部分電路原理圖見圖2。分析風機控制邏輯如下：

(1) DCU控制單元上電初始化完成3 s后，閉合K11、K12接觸器，K13不閉合。

(2) 當交流輸出額定電流Ie>100 A，持續5 s，斷開K12，檢測到K12斷開狀態后，延時3 s，閉合K13。

(3) 當交流輸出額定電流Ie<100 A，持續5 s，斷開K13，檢測到K13斷開狀態后，延時3 s，閉合K12。

因K12K13之間存在電氣互鎖，且有3 s延時，風機的控制邏輯合理。通過與星三角風機的典型控制電路進行比對，此處風機控制電路在原理上與典型電路一致，該電路形式已在深圳地鐵1號線、南京寧天城際、長沙地鐵1號線、南昌地鐵1號線等使用。

結合故障數據，在K12動作過程中，出現交流輸出200%過載短路現象。可能存在風機原因或者接觸器在切換過程中出現短路情況。

表1　車輛輔助逆變器交流輸出200%過載故障統計表

圖1　200%過載典型故障波形

圖2　風機全速半速控制電路

2.3　試驗室故障模擬分析

2.3.1接觸器頻繁切換試驗

按照現場的風機控制邏輯，在負載功率約90 kVA的條件下，修改控制軟件以27 s為周期反復進行風機高、低速的轉換控制。試驗時間為30 min，并將K11、K12、K13接觸器更換為現場故障返回品，未發生200%過載故障。試驗波形如圖3所示。

圖3　接觸器切換試驗波形

為確認風機切換延遲的時間足夠，排除風機在星-三角切換過程發生磁場的突然變化，測試風機斷電后的電壓，波形如圖4所示，電壓完全掉電的時間為300 ms，未見明顯異常。

圖4　風機斷電后剩余電壓波形

2.3.2網壓跳變試驗

以27 s為周期反復進行風機高、低速的轉換控制，輔助逆變器工作并進行風機轉換，同時進行輸入電壓突變試驗(電壓突變312.5 V)，未重現200%故障。試驗波形如圖5所示。

圖5　接觸器切換試驗波形

2.3.3三相輸出負載短路試驗

風機切換過程中，將三相輸出負載短路。該試驗的目的是模擬風機轉換過程三相輸出負載出現短路。其故障記錄波形如圖6所示，明顯與現場故障波形不同。

2.3.4修改風機保護閥值試驗

空載條件下設置200%過載保護閥值60 A，使觸發保護電流值遠低于正常程序保護值((945±50) A)，極大提高觸發保護的概率，在運行約15 min左右上報200%過載故障，多次試驗情況類似，200%過載故障發生在控制接觸器(K12,K13)動作時刻，且試驗故障波形與現場故障波形類似。

典型故障記錄波形如圖7所示。

圖6　故障波形

圖7　故障記錄波形

2.3.5電源地干擾試驗

采用圖8高低速切換邏輯，輔助逆變器空載運行，200%過載故障保護閥值設置60 A。

試驗過程中發現從控制單元DIO板發出的逆變模塊24 V驅動脈沖存在被干擾的現象，測得24 V電源波形如圖9所示。由于控制單元24,15,5 V電源都是共地的，可能地電位被干擾從而導致24 V電源異常。試驗將控制單元面板上的24,15,5 V電源地均外接至機箱接地柱，試驗依舊觸發200%過載故障。

2.3.624 V電源干擾

風機內部設置有24 V的超溫保護信號，由于該24 V 超溫信號線與風機380 V供電線采用同一根多芯電纜傳輸，懷疑在風機切換時，電纜上電流的變化干擾24 V電源，從而影響24 V脈沖信號。試驗將風機超溫信號線斷開，輔助逆變器持續工作2 h，未觸發200%過載故障，試驗典型波形如圖10所示。

圖8　風機高低速試驗控制邏輯

圖9　24 V電源波形

2.4　原因分析

長沙地鐵1號線200%過載故障導致機理如圖11所示。

圖11　故障模式簡圖

由于24 V超溫信號線與風機380 V供電線采用同一根多芯電纜傳輸，在風機高低速轉換時，風機電機為感性負載，電機供電電纜存在電流波動，其波動產生擾動影響24 V電源，而該24 V電源與數字入出板(DIO)輸出的輔助逆變器模塊(INV)脈沖為同一電源，24 V脈沖缺失導致INV模塊橋臂電流出現過流。試驗室故障時刻波形如圖12所示。

圖12　故障時刻典型波形

3　解決措施

3.1　風機高低速轉換由30%改為70%

輔助逆變器設計時，風機轉換點設置為70%，即在風機低速檔時，滿足整柜額定負載70%的溫升，當整柜負載大于額定負載的70%，風機切換成高速檔工作，同樣滿足整柜溫升。

目前長沙地鐵1號線風機高低速轉換點為額定負載的30%，主要是考慮如線路環境情況較為惡劣，濾網易積塵，提高風速利于散熱，在實際應用中，現場環境較好，同時風機轉換點較低，接觸器動作頻率較高，由于故障發生在風機高低速控制接觸器動作過程中，干擾源出現的概率也較高。

風機高低速轉換點設置為70%時溫升試驗情況如下，先進行低速工況溫升，再切換至高速工況溫升：

圖13　溫升試驗波形

從圖13可知，試驗開始為低速工況，溫升穩定后，變壓器最熱點溫度約140℃，調整負載(調整過程中，負載有切除，溫度有短時下降)，使輔變工作在滿載，溫升再次穩定后，較風機低速時增加約5℃，仍滿足整柜溫升性能指標。因此，通過將風機高低速轉換點由30%恢復成70%，可極大減少接觸器動作頻率，干擾源出現概率也極大降低。

3.2　風機超溫信號由DC 24 V改為DC 110 V

風機超溫信號由DC 24 V改為DC 110 V，風機在高低速切換過程中，電流變化難以影響DC 110 V風機超溫信號及DC 24 V供電，將風機超溫信號改為DC 110 V后，持續試驗7 h，未觸發200C保護，且DC 24 V脈沖波形正常，典型波形如圖14所示。

圖14　采用DC 110 V驅動風機超溫信號

風機超溫信號的電纜采用的是0.5 mm2，接入控制單元的DC 24 V電氣接口，DC 110 V通過配置不同的限流電阻來保證輸入光耦可靠導通。DC 110 V通道限流電阻為33k+33k，光耦導通鉗位值11 V，通道電流為(110-11)/66k=1.5 mA，DC 24 V通道限流電阻為3.6k+3.6k，光耦導通鉗位值11 V，通道電流為(24-11)/7.2k=1.8 mA，因此，將風機超溫信號DC 24 V改為DC 110 V，滿足使用需求。

4　結束語

(1)試驗分析為風機電機內部供電電纜和超溫信號線共存，在電機轉速切換過程中，交流電流變化影響DC 24 V超溫信號，從而影響DC 24 V電源，導致模塊24 V驅動信號異常缺失引起200%過載故障。

(2)通過修改軟件，將風機高低速轉換點由30%改為70%，有效降低干擾源的出現；通過將風機超溫信號接線移動點位，將風機超溫信號由DC 24 V改為DC 110 V，有效降低干擾路徑的影響。

(3)通過以上兩項改動，從干擾源及干擾路徑兩方面降低干擾，結合車輛運營實際負載分析，有效解決現場200%過載故障，使用至今效果良好，未再出現逆變器200%過載故障。