國產化牽引變流器在首都機場線的應用

劉寧

摘 要：北京地鐵首都機場線是一條主要服務于航空旅客，具有城市候機樓功能，能夠提供“安全、快捷、舒適”服務的客運專線。首都機場線車輛牽引系統采用加拿大龐巴迪產品（101-110車組，除104車組試驗外）、（國產）南京華士電子科技有限公司產品（104車組），龐巴迪采用基于優化轉差頻率的VVVF控制策略，國產化設備采用磁場定向閉環控制策略。首都機場線車輛的牽引系統均由國外引進，關鍵技術及備品備件完全依賴進口，造成車輛維修維護困難、運營成本較高。因此對牽引系統進行國產化，國產設備于2017年年底安裝在104車組，運營至2020年4月，車輛走行公里40萬公里。本文主要對國產牽引變流器原理進行簡要的介紹，并對實際使用中出現的問題進行了介紹、原因分析、提出了解決措施。

關鍵詞：國產化;牽引系統;原因分析;解決措施

中圖分類號：U231.8 文獻標識碼：A

1 牽引變流器的構成

國產化牽引變流器用于首都機場線4節編組全動車直線電機車輛，列車編組示意圖見圖1所示。每個列車共有4個牽引變流器。每個牽引變流器由高壓箱和逆變箱兩部分構成。

圖1 列車編組示意圖

2 牽引變流器設備配置

2.1 高壓箱設備配置

牽引變流器高壓箱，由輸入保險，輸入電流、電壓傳感器，充電電阻，充電、主接觸器，輸入電抗器，電感風機，交流濾波電容、吸收電阻、磁環組合成一個濾波模塊，斬波電阻，HARTING連接器組成。

2.2 逆變箱配置

牽引變流器逆變箱，由支撐電容，IGBT，DCU單元，輸出電流傳感器，輸入電流傳感器，斬波電流傳感器，電壓傳感器，逆變風機，內部風機，自放電電阻，接地電容，接地電阻，小電容，濾波器，HARTING連接器等組成。

3 功能說明

牽引系統（PCU）由高壓箱和逆變箱組成，供電線路750VDC從第三軌集電靴進入高壓箱，通過輸入保險絲，進入由充電接觸器、充電電阻和主接觸器構成的充電回路，進而通過濾波電抗器后接入逆變箱直流正母線。在濾波電容器充電后，逆變箱將三軌直流電壓變換成三相幅值、頻率可變電壓并提供給直線電機。同時直流電流通過負母線返回至直流供電的回路。

4 牽引變流器在應用過程中較突出的故障分析與改正措施

4.1 故障名稱：濾波電容充電故障

故障分析：

? ?牽引變流器出現濾波電容預充電故障的主要條件如下：

（1）未檢測到預充電接觸器的動作反饋信號;（2）實施檢測的濾波電容的電壓值與母線電壓值之間的差值>50 V，且時間超過2 s。

排查過程：

（1）現場對預充電接觸器進行了排查，發現預充電接觸器能夠正常吸合;（2）現場對預充電電阻進行了檢測，預充電電阻值正常;（3）通過對預充電回路的前端部件進行檢測，發現PCU的輸入熔斷器已熔斷，導致PCU熔斷器后端的主電路無高壓。

故障原因：經過現場進一步排查，發現PCU的輸入電抗器的電氣接口存在有明顯的水跡現象。由于電抗器的電氣接口端與機械接口端發生短接現象，導致PCU主電路的接地短路，產生瞬間的短路電流，觸發熔斷器熔斷保護。

解決措施：為了保障車輛的能夠快速投入運營，現場對腔體進行了清潔和風干;更換PCU的輸入熔斷器。并進行靜態高壓通電測試和牽出線動車調試。

針對出現的問題進行了以下優化：

（1）電感散熱風機電源輸入端增加接觸器控制，當車輛停止運行時，可通過控制風機接觸器斷開，切斷風機電源，使風機在車輛停止工作時，處于關閉狀態;（2）風機的電氣接口部分，做涂覆絕緣膠或絕緣泥進行處理，優化電抗器腔體進風口門板的格柵設計，有效防止大面積的雪，塵等異物進行腔體中。

4.2 故障名稱：牽引高壓箱濾波風機運營異常

故障分析：2號車PCU風扇接觸器打開，2號車PCU濾波風扇無法正常工作，進一步檢查，發現PCU的輸入電抗器散熱風扇出現異常，輔助供電系統（APU）中的該風扇的斷路器過流保護斷開，但牽引系統仍然處于正常工作狀態中。最終PCU的輸入電抗器在無散熱的環境下進行工作，產生異味。

故障原因：由于天竺車輛段停車環境較為惡劣，風機在24 h高速運轉，不停機，風機的葉輪上積塵較多，且積塵面積不均勻，運行時間過長會導致風機的動平衡被破壞，影響2號車PCU濾波風扇無法正常工作，導致斷路器過流保護斷開，造成輸入電抗器在無散熱的環境下進行工作，過熱產生異味。

解決措施：在APU上傳的健康信號的邏輯條件中，增加PCU散熱風扇接觸器的狀態，確保在風扇故障后，車輛牽引系統停止工作;更換2號車PCU濾波散熱風扇，試車試驗正常。

針對濾波散熱風扇故障問題進行以下整改：在保證散熱的前提下，由原來的二極風機變更為四極風機（主要是針對風機的電機），降低其轉速。將風機的葉輪由鉚接的方式改為焊接的方式，提到風機的動平衡性能，將風機的葉輪進行表面處理，避免其大量的積塵。

4.3 故障名稱：牽引系統與制動系統出現電制動與液壓制動出現疊加故障

故障分析：在DTO模式（自動駕駛模式）下，國產化牽引系統在低于20 km/h速度運行時，仍有電制動力，進而導致電制動和液壓制動同時施加，使車輛出現制動欠標現象。龐巴迪牽引系統在低于20 km/h速度運行，電制動力逐步淡出。

故障原因：在國產化設備研制過程中未設置DTO模式下，車輛電制動與液壓制動的區分，電制動一直施加到接近零速，因此導致列車在DTO運行模式下的制動欠標。

解決措施：根據上述分析，電工所及華士公司研發人員在牽引系統中添加了DTO模式下的電制動命令讀取功能及電制動切除功能，實現電液制動的有效配合。

5 結束語

目前首都機場線車輛牽引系統采用龐巴迪核心技術，對于運營維護企業來說，設備的維護，備件的采購周期及費用，技術支持上均造成一定的困擾。本次首都機場線104車進行牽引變流器國產化試驗及應用，在這些方面都帶來了較便捷的解決辦法，雖然在應用的過程中出現了一些問題，但從國產技術發展、提高設計及維護人員技術的角度來說，這些問題正好是不斷提高的基礎，為首都機場線車輛的增購、廠修項目奠定基礎。

參考文獻：

[1]崔霆銳.直線電機地鐵車輛牽引系統國產化應用研究[J].電機與控制應用，2018，45（04）：61-66.

[2]高爽.地鐵車輛構造與維修管理[M].中國鐵道出版社，2003年12月第1版.

[3]趙亞輝.現場總線與列車通信系統[J].工業控制計算機，2002，15（01）：5-10.

[4]王群偉，韓曉輝.駕控制動系統及其在城軌車輛上的應用[J].鐵道機車車輛，2011，31（02）：31-33.