地鐵車輛輔助和牽引系統(tǒng)重要部件典型故障研究

曹 斌

（上海阿爾斯通交通電氣有限公司 調試維保部，售后工程師， 陜西 西安 710000）

西安地鐵3 號線于2016 年10 月開通運營，車輛采用的是大連機車公司生產的B 型車輛；運用車輛共6 節(jié)編組TC1-MP1-M1-M2-MP2-TC2，使用的牽引系統(tǒng)為阿爾斯通公司針對國內研發(fā)的Optonix系統(tǒng)，輔助系統(tǒng)采用阿爾斯通公司最新一代的輔助逆變器技術，兩者的結合可以為車輛提供最優(yōu)的性能。

1 輔助系統(tǒng)介紹

輔助系統(tǒng)主要功能模塊包括：ACU（輔助控制單元），輔助逆變器，輸出隔離變壓器，AOIK（交流輸出接觸器）。具體作用簡介如下：

1.1 輔助逆變器輔助逆變器由支撐電容器、放電電阻、IGBT、門極控制板、交流互感器組成。每列車擁有兩臺輔助逆變器為整車提供供電電源，當一臺輔助逆變器停止工作后，車輛會通過中壓擴展供電接觸器進行整車互通供電，但整車負載減半，如果此時輔助系統(tǒng)檢測到后端有短路故障，則整車1/2 設備將失去供電電源。

1.2 AOIK（交流輸出接觸器）AOIK 作用：電壓傳感器檢測到輔助逆變器輸出為380 Vrms±5%時，接觸器自動吸合，將電壓提供給車輛負載，若輔助系統(tǒng)內部或者后端負載存在異常，AOIK自動斷開進行前后設備的隔離保護。

2 牽引系統(tǒng)介紹

阿爾斯通的OptONIX 系統(tǒng)［1］由司控器、HSCB（高速斷路器）、IGBT 功率模塊的逆變器、TCU（牽引控制單元）和交流電機結合而成。具體功能分述如下：

2.1 司控器司控器具備兩種功能：一是專用于行駛模式（駕駛室激活、方向選擇、牽引制動指令設置），目的在于傳送列車指令。二是稱之為駕駛員安全裝置（DSD）或事故制動的安全功能，其目的在于確保駕駛室內人員的安全，并在出現(xiàn)危險時緊急制動。

2.2 HSCB（高速斷路器）每臺牽引系統(tǒng)配有一臺HSCB，HSCB 是直流單級元件，有雙極過流和跳閘自釋放（跳閘特性與通過的電流無關，不受短路影響），由于經過的電流過大，HSCB還自帶滅弧作用。

2.3 IGBT 功率模塊逆變器IGBT 功率模塊逆變器是以脈寬調制（PWM）模式運行，將3 相平衡的電壓供給牽引電機，并且能調節(jié)三相交流電壓的幅值和頻率，逆變器的輸出由兩個電流監(jiān)視裝置監(jiān)視。且直流回路電壓也被測量，所有的電流互感器和電壓傳感器都為有源型，與功率電路隔離，ALSTOM 使用具有特殊專利的矢量控制技術，減少了響應時間，優(yōu)化了轉矩調整的精度和改善了低速性能。矢量控制具有非常迅速的磁通和力矩響應（從無磁通到最大力矩＜1s），并優(yōu)化電機電流控制。根據(jù)電機的電動勢調整逆變器輸出電壓，在逆變器短時關閉的情況下，矢量控制使力能夠快速重新建立，而不必等電機的磁通變回零。已建立磁通的電機采用無速度傳感器控制方式，調節(jié)范圍寬。力矩由電流回路控制，當電源非正常變化時，減少了傳統(tǒng)控制技術中過電流的發(fā)生。

2.4 交流電機每臺牽引系統(tǒng)都配備4臺4ECA2120 I開放式鼠籠型異步四極自通風牽引電機，其軸功率是200 KW，頻率81.3 HZ，相電流126 A，其強大的參數(shù)性能，可以完全滿足設計需求。

3 輔助系統(tǒng)典型故障研究

1）二極管短路造成CVS（輔助逆變器）無法啟動。某地鐵客戶對車輛進行維護，發(fā)現(xiàn)一臺CVS 停止工作，司機室屏幕中出現(xiàn)IES 打開無停止信號故障，利用電腦監(jiān)控發(fā)現(xiàn)ALIMK（IES 連鎖供電電壓）信號為0。

ALIMK圖紙設計的信號來源：

CVS1的ALIMK信號：

蓄電池110V——IES2——IES1——CVS1

CVS2的ALIMK信號：

蓄電池110V——IES1——IES2——CVS2

針對問題及原理圖分析，利用萬用表進行線路核查，發(fā)現(xiàn)輸入信號為0 V，順著線路最終發(fā)現(xiàn)IESN（供電開關）跳開，再次閉合后仍然自動斷開，疑為后端設備有短路，利用萬用表檢測最終發(fā)現(xiàn)IES2 內部并聯(lián)Q-LOCK1 的穩(wěn)壓二極管被擊穿直接接地，造成斷路器跳開，更換新的穩(wěn)壓二極管后，故障消失。

2）連接器縮針導致CVS 停止工作。某客戶日檢作業(yè)過程中逆變器報出模塊L3 相IGBT 故障，CVS 停止工作，客戶通知我方去查看，下載故障記錄確定是L3 相IGBT 有問題，降弓下車檢查模塊控制板以及IGBT，發(fā)現(xiàn)一切正常，對調控制器與臨車，故障并未轉移，然后拆模塊，計劃進行更換，拆除檢查時發(fā)現(xiàn)連接器X-IM-X2 有針子縮針（如圖1所示），與原理圖核實后確定為第三相控制板線路問題，隨后進行現(xiàn)場修復處理，完畢后，故障消失，CVS 啟動正常。

圖1 H針子縮針及原理圖對應

4 牽引系統(tǒng)典型故障研究

4.1 牽引制動指令同時激活故障某司機某次在站臺正常操作車輛發(fā)車指令，但車輛無法動車，重新操作后正常；之后，多車輛均有此種狀況且故障數(shù)據(jù)相同。經現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)司機在每站都會將手柄拉到制動位置，需要發(fā)車時，會慢慢將手柄推至惰性位置，然后按下啟動按鈕發(fā)車。廠家根據(jù)現(xiàn)場狀況模擬，當手柄還沒有推到惰性位時，模式可以從手動轉至ATO，此時制動繼電器并未失電，而司機給出發(fā)出指令，則牽引信號激活，因此，制動和牽引信號就同時激活，故障出現(xiàn)。核實后司控器廠家發(fā)現(xiàn)問題的原因為：組裝工藝問題（手柄凸輪和行程開關間隙太大）。

4.2 HSCB 頻繁斷開且無反饋信息車輛在行駛中，司機發(fā)現(xiàn)多次出現(xiàn)HSCB 自動斷開且有時經過大約10-20 MS后會自動恢復的狀況，而司機屏幕并未彈出HSCB 相關故障信息。針對只有故障現(xiàn)象而無故障記錄的問題，通過原理圖設計及經驗進行相應推理，起初認為可能是不明原因EB（緊急制動）造成（HSCB 斷開的一個重要條件），但數(shù)據(jù)一直捕捉不到，進一步分析，發(fā)現(xiàn)Q-CHSCB 和Q-NEB（HSCB內部兩個繼電器，一個為授權信號繼電器，一個緊急制動繼電器），通過與其他車輛進行對換，故障轉移，確定為繼電器問題，經過返廠測試發(fā)現(xiàn)其線圈工藝存在缺陷，因此將相同批次的全部進行更換，更換后故障消失。

4.3 HSCB 導致的自動折返失敗［2］某司機駕駛車輛在折返軌進行換端過程中產生緊急制動，緊急制動繼電器失電導致HSCB 斷開；且當緊急制動得電后HSCB 也并未閉合，此時司機已經給出牽引指令，導致自動折返失敗。

經過研究HSCB 本身特性和設計邏輯發(fā)現(xiàn)，牽引控制器檢測緊急制動信號周期為100 ms，HSCB保持失電動作時間為10 ms 左右，如果在100 ms 范圍內緊急制動失電再恢復，則HSCB 斷開，此時TCU有一定幾率無法檢測到緊急制動再恢復，因此可能判斷為外部原因引起HSCB 斷開，此種狀況出現(xiàn)，邏輯設計是需要延時30 s 后才允許HSCB 再次閉合，因此導致折返失敗。

通過牽引系統(tǒng)分析，在折返線可以使緊急制動繼電器一直得電，這樣就可避免HSCB 斷開，結合整車原理圖可以將AR（自動折返繼電器）常開點旁路于緊急制動常開點（如圖2 所示），也就是在折返時可以使緊急制動列車線路一直處于得電狀態(tài)，整改后，提高了折返效率，且故障消失。

圖2 添加AR常開點旁路

4.4 15 V 電源模塊問題導致IGBT 故障某次車輛在正線運營時，單臺牽引系統(tǒng)被隔離，回庫檢查發(fā)現(xiàn)為IGBT_CHOP（IGBT 制動電阻反饋故障）導致的牽引系統(tǒng)隔離，測試檢查門極驅動板指示燈和相關內部線路一切正常，針對門極驅動板進行了對調測試，試車測試，故障未消失，最后針對供電電源進行檢查發(fā)現(xiàn)IGBT 門極驅動板供電電壓為18.14 V（正常電壓應14.2 V-15.8 V），供電電壓過高，將電源與臨車進行互換，故障轉移，確定為15 V 電源問題，更換后，故障消失。

4.5 電機燒毀引起相電流過高故障反饋逆變器和牽引電機之間安裝了檢測電流的電流互感器，利用其實現(xiàn)該保護功能。當測量到某個相電流超過低的閾值，逆變器短時關閉，確保降低電流。當測量到某相電流超過高的閾值，逆變器關閉，HSCB 分斷。該保護能夠檢測牽引電機內部、電纜或次邊繞組的短路狀況。

目前，西安地鐵3 號線擁有10 km 高架運營，下雪和下雨會造成車輛打滑，若打滑嚴重，牽引系統(tǒng)在控車及調整策略時可能存在相電流高反饋，若在短時或5 min 出現(xiàn)3 次，牽引系統(tǒng)會保護電機和逆變器，此時會短暫鎖閉。如運營車輛0321 車一個月出現(xiàn)了3 次相電流過高故障均造成了牽引隔離，查看數(shù)據(jù)均未發(fā)現(xiàn)打滑現(xiàn)象，針對能夠引起此故障的電流互感器和電壓傳感器，速度傳感器以及牽引模塊進行跟換，線路也檢查完畢后，故障消失。試車線測試，故障再次復現(xiàn)，經分析討論，可能存在電機燒毀現(xiàn)象，檢查發(fā)現(xiàn)電機3 相全部燒毀，更換后，多次測試故障未再次復現(xiàn)。

5 結語

本文通過對阿爾斯通公司生產的牽引和輔助系統(tǒng)在西安地鐵3號線運行典型故障案例成因分析和應對方法介紹，期望能為有關設計人員做好設備選型和維修人員提高日常養(yǎng)護水平提供參考，進一步夯實地鐵安全運營基礎。