地鐵車(chē)輛電氣系統(tǒng)中牽引及輔助系統(tǒng)故障檢修研究

翟好璟

（成都中車(chē)四方軌道車(chē)輛有限公司，四川成都 610101）

0.引言

地鐵作為城市交通體系的重要構(gòu)成，支持城市居民的正常出行，影響著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電氣系統(tǒng)作為地鐵運(yùn)行的核心構(gòu)成，其穩(wěn)定性極為重要。電氣系統(tǒng)中牽引和輔助系統(tǒng)故障發(fā)生率較高，需要采取對(duì)應(yīng)的檢修策略，以保證地鐵的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.地鐵車(chē)輛電氣系統(tǒng)中牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需滿(mǎn)足部分故障狀態(tài)下，能保證列車(chē)安全。假設(shè)地鐵牽引系統(tǒng)故障，損失1/4牽引動(dòng)力，在一定荷載量范圍內(nèi)，列車(chē)可以自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行至終點(diǎn)。假設(shè)坡度為3‰，曲線(xiàn)半徑為150m，啟動(dòng)加速度極限值為0.3km/h/s，若車(chē)輛超過(guò)啟動(dòng)加速度可以正常啟動(dòng)。牽引系統(tǒng)故障造成1/4動(dòng)力損失后，列車(chē)加速度超過(guò)0.312m/s2時(shí)，才能保證穩(wěn)定運(yùn)行。在動(dòng)力損失和超載情況下，列車(chē)可以在軌道上啟動(dòng)運(yùn)行至鄰近車(chē)站，最大程度保障地鐵運(yùn)行安全。

2.地鐵車(chē)輛輔助系統(tǒng)中牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

地鐵輔助電源系統(tǒng)由輔助逆變器作為主電路供電，從供電啟動(dòng)至負(fù)載完全正常供電控制在10s之內(nèi)，輔助供電系統(tǒng)可以承受地鐵通過(guò)絕緣分段電壓以及電流的沖擊，輔助逆變器和蓄電池采取IGBT技術(shù)，使用微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)和保護(hù)，在規(guī)定條件下，保證電流和電壓穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)振蕩。輔助逆變器輸入線(xiàn)設(shè)置了熔斷器保護(hù)，一旦遇到緊急情況，蓄電池可緊急啟動(dòng)。輔助系統(tǒng)連接高壓母線(xiàn)，高壓母線(xiàn)可以給輔助系統(tǒng)供電，電源功能和輔助系統(tǒng)供電互相聯(lián)鎖，地鐵在任何時(shí)候只有一種供電方式[1]。

3.地鐵車(chē)輛電氣系統(tǒng)中牽引系統(tǒng)的故障檢修分析

3.1 牽引系統(tǒng)常見(jiàn)故障

（1）過(guò)流保護(hù)故障，如超載運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致?tīng)恳到y(tǒng)故障。在上下班高峰時(shí)間段，地鐵車(chē)輛處于負(fù)荷異常狀態(tài)，電氣系統(tǒng)出現(xiàn)電壓和電流的波動(dòng)，都會(huì)引發(fā)牽引系統(tǒng)過(guò)流過(guò)載保護(hù)，進(jìn)而影響電氣系統(tǒng)正常運(yùn)行。（2）非金屬短路故障。地鐵車(chē)道沒(méi)能充分排水，會(huì)引發(fā)電氣系統(tǒng)非金屬短路故障。在三軌供電系統(tǒng)中最常發(fā)生，主要為帶電體放電導(dǎo)致短路故障，最典型的是第三軌對(duì)地面放電[2]。

3.2 檢修方法

以某市地鐵運(yùn)營(yíng)出現(xiàn)的非金屬短路故障為例，地鐵在運(yùn)行中出現(xiàn)異常響動(dòng)，車(chē)輛管理系統(tǒng)通報(bào)故障，復(fù)位牽引系統(tǒng)后仍然無(wú)法解決，需要隔離地鐵牽引系統(tǒng)才能處理。若牽引系統(tǒng)損失過(guò)大，要進(jìn)行全面檢查，避免地鐵車(chē)輛拋錨，引發(fā)緊急事故。

如圖1所示為該地鐵牽引系統(tǒng)的主要設(shè)備，為保護(hù)牽引系統(tǒng)，斷開(kāi)線(xiàn)路接觸器、制動(dòng)斬波，關(guān)閉閘極，斷開(kāi)高速斷路器，同時(shí)報(bào)紅色故障，對(duì)上述情況進(jìn)行排查。（1）檢查牽引系統(tǒng)外觀，是否發(fā)現(xiàn)明顯接地點(diǎn)。（2）對(duì)牽引系統(tǒng)展開(kāi)絕緣測(cè)試，確認(rèn)設(shè)備是否出現(xiàn)多點(diǎn)接地以及設(shè)備接地的問(wèn)題，避免接地故障影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，甚至引發(fā)觸電事故。（3）檢查接觸器以及斷路器，檢查接地瞬間大電流是否對(duì)設(shè)備造成燒毀，通過(guò)目測(cè)結(jié)合布線(xiàn)分析的方式進(jìn)行排查。檢查隔離開(kāi)關(guān)箱體，查看開(kāi)關(guān)是否出現(xiàn)異常情況，斷開(kāi)501線(xiàn)纜，對(duì)線(xiàn)纜至高速斷路器開(kāi)關(guān)進(jìn)行絕緣測(cè)試，并對(duì)濾波電抗器進(jìn)行短接、對(duì)高速斷路器斷開(kāi)，并進(jìn)行絕緣測(cè)試[3]。短接端子進(jìn)行絕緣測(cè)試要檢查絕緣值是否處于正常范圍中，經(jīng)過(guò)排查后可以確定接地點(diǎn)。這類(lèi)接地故障主要是由于濾波電抗器接線(xiàn)盒中有異物進(jìn)入、制動(dòng)電阻有異物進(jìn)入以及濾波電抗器受到絕緣擊穿。

圖1 牽引系統(tǒng)主要設(shè)備圖

3.3 處理措施

針對(duì)過(guò)流保護(hù)故障，可利用列車(chē)的“復(fù)位按鈕”，消除控制開(kāi)關(guān)跳閘故障，復(fù)位后重新啟動(dòng)列車(chē)即可排除故障。針對(duì)上述案例中的非金屬短路故障，主要采取以下措施進(jìn)行處理：對(duì)于濾波電抗器受到絕緣擊穿問(wèn)題，需要增加濾波電抗器檢修頻率以及范圍，并注意對(duì)濾波電抗器運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，預(yù)防絕緣擊穿問(wèn)題再次發(fā)生。針對(duì)接線(xiàn)盒有異物進(jìn)入的問(wèn)題，需要更換為全封閉式接線(xiàn)盒。針對(duì)制動(dòng)電阻有異物進(jìn)入問(wèn)題，要求完善軌行區(qū)運(yùn)行環(huán)境，在日常檢修工作中注意定時(shí)清理設(shè)備異物，重點(diǎn)對(duì)不完全封閉設(shè)備展開(kāi)檢查和清潔。對(duì)于線(xiàn)路接觸器以及高速斷路器出現(xiàn)的斷合、極容易出現(xiàn)拉弧燒毀的問(wèn)題，需要擴(kuò)大檢修范圍，增加檢修次數(shù)進(jìn)行檢查，保證地鐵能夠穩(wěn)定運(yùn)行。在處理故障后，檢修人員需要詳細(xì)記錄故障位置以及信息，進(jìn)一步分析，準(zhǔn)確確認(rèn)故障的方位，找出故障原因。

4.地鐵車(chē)輛電氣系統(tǒng)中輔助系統(tǒng)的故障檢修分析

4.1 輔助系統(tǒng)特點(diǎn)

地鐵電氣系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)主要包括蓄電池、充電機(jī)、逆變模塊等。蓄電池由電池單元構(gòu)成，要通過(guò)斷開(kāi)接觸器進(jìn)行保護(hù)，促使蓄電池和負(fù)載保持隔離狀態(tài)。充電機(jī)模塊作為電氣輔助系統(tǒng)的組成部分，能夠有效滿(mǎn)足地鐵對(duì)直流電的需求。逆變器作為地鐵的輔助逆變器，可以從架空接觸網(wǎng)接收電能，輔助系統(tǒng)故障會(huì)嚴(yán)重影響輔助功能發(fā)揮。例如，輔助逆變器故障會(huì)影響列車(chē)內(nèi)器件的正常供電，導(dǎo)致列車(chē)照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)失效，電客車(chē)不得不停止運(yùn)營(yíng)。

4.2 輔助系統(tǒng)常見(jiàn)故障

（1）IGBT器件故障。若出現(xiàn)IGBT異常，逆變器模塊會(huì)失去效果，根本原因在于設(shè)計(jì)電氣系統(tǒng)時(shí)未注意對(duì)電氣系統(tǒng)的保護(hù)，IGBT器件容易出現(xiàn)故障[4]。（2）電容器故障。地鐵逆變器中包含濾波電容器，能夠穩(wěn)定運(yùn)行電壓。電容器在工作過(guò)程中可能破壞氧化膜，造成電容器故障的發(fā)生。（3）參數(shù)性故障。在輔助系統(tǒng)中元件參數(shù)出現(xiàn)容差，其變化量超過(guò)容差，元件會(huì)發(fā)生故障。發(fā)生故障后會(huì)對(duì)輸出指標(biāo)產(chǎn)生影響，還會(huì)對(duì)輔助系統(tǒng)安全性產(chǎn)生負(fù)面影響，引發(fā)嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。常規(guī)檢查多進(jìn)行結(jié)構(gòu)性故障排查，對(duì)于參數(shù)性故障存在一定忽略。

4.3 檢修方法

首先，要建立TCMS網(wǎng)絡(luò)，采集輔助系統(tǒng)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳至TCMS網(wǎng)絡(luò)中，找到解決故障的方法，從而得到相匹配的診斷網(wǎng)絡(luò)，以有效解決系統(tǒng)故障。基于TCMS網(wǎng)絡(luò)計(jì)算數(shù)據(jù)，能夠根據(jù)數(shù)據(jù)異常情況分析故障成因，對(duì)故障位置進(jìn)行定位，從而進(jìn)一步處理故障。其次，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化檢修，有效判斷輔助系統(tǒng)發(fā)生的故障。根據(jù)地鐵電氣系統(tǒng)相關(guān)信息樣本，將采集的信息輸送至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行ANN訓(xùn)練。訓(xùn)練過(guò)程中制定科學(xué)合理的解決方案，便于有效獲取診斷網(wǎng)絡(luò)，給故障檢修提供參考。網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)化診斷本質(zhì)上是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模擬，根據(jù)不同故障的表現(xiàn)和特點(diǎn)進(jìn)行預(yù)先處理，并將計(jì)算結(jié)果作為診斷依據(jù)，輔助檢修人員實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化檢修工作。

4.4 處理措施

針對(duì)IGBT器件故障及電容器故障，運(yùn)維人員應(yīng)重新更換IGBT器件與電容器。針對(duì)參數(shù)性故障，以某市地鐵為例。該地鐵電容儲(chǔ)電能力降低造成逆變器負(fù)載能力減弱。負(fù)載增加會(huì)出現(xiàn)直流回路欠電壓，持續(xù)損壞電容，甚至出現(xiàn)電壓震蕩，嚴(yán)重?fù)p傷逆變模塊。參數(shù)性故障不易察覺(jué)，檢修時(shí)電容數(shù)據(jù)顯示正常，故障較為隱蔽。利用MATLAB/SIMULINK軟件進(jìn)行仿真模擬，對(duì)逆變系統(tǒng)逆變部分進(jìn)行分析。仿真參數(shù)要求和實(shí)際參數(shù)相同，逆變器輸出電感0.25mH，2mΩ。負(fù)載為6.2Ω，濾波電容參數(shù)為3個(gè)78F經(jīng)1個(gè)0.5F。IGBT逆變橋載波參數(shù)為6kHz，空占比為0.95，載波比為12，直流電壓為650V。根據(jù)仿真分析結(jié)果，濾波電路器截止的頻率為1140Hz，超過(guò)1140Hz頻段迅速衰減。由于電容發(fā)生變化，使得濾波器對(duì)濾波產(chǎn)生的抑制作用也發(fā)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致總諧波失真，使用軟件對(duì)不同容差對(duì)電壓幅值的影響進(jìn)行分析，如表1所示。

表1 不同電容差下電壓幅值和THD值的變化

根據(jù)仿真分析結(jié)果，電容差改變并未對(duì)電壓幅值造成明顯變化。耳尖電容差減少，THD值也會(huì)顯著減小。電容差減小時(shí)，THD值逐漸減小，諧波分量會(huì)顯著減小，在電容差減小至-30%時(shí)，電壓THD值也會(huì)顯著低于5%規(guī)定范圍，但變化并不明顯。在電容差為-30%時(shí)，產(chǎn)生諧振較多，會(huì)影響電壓負(fù)載。一旦負(fù)載超過(guò)允許范圍，輔助逆變器發(fā)生故障。排查輔助系統(tǒng)故障可積極使用MATLAB/SIMULINK軟件進(jìn)行仿真分析，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)參數(shù)性故障，有利于故障排查和維修。

5.地鐵電氣系統(tǒng)檢修策略的優(yōu)化

5.1 定期進(jìn)行狀態(tài)檢修

在傳統(tǒng)電氣系統(tǒng)檢修工作中，根據(jù)檢修計(jì)劃按部就班地檢修，檢修方法落后，長(zhǎng)此以往，檢修人員工作積極性顯著降低，責(zé)任心降低，甚至出現(xiàn)漏診問(wèn)題，不利于檢修質(zhì)量和地鐵運(yùn)行安全。因此，需要采取更靈活的檢修方式，善用信息手段，減少檢修人員的工作量。采取狀態(tài)檢修方式，以地鐵電氣系統(tǒng)運(yùn)行情況作為基礎(chǔ)展開(kāi)檢修，采集電氣系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行檢測(cè)分析，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)診斷。根據(jù)設(shè)備情況安排檢修工作，狀態(tài)檢修以監(jiān)控電氣系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)作為故障的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，狀態(tài)檢修可減少日常檢修工作的投入，節(jié)約人力和物力，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。狀態(tài)檢修的根本目的在于事前控制，提前察覺(jué)故障，預(yù)防故障的發(fā)生，主要對(duì)變壓器、變電柜等設(shè)備展開(kāi)監(jiān)控，能夠第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)異常。電氣系統(tǒng)狀態(tài)檢修主要可以分為監(jiān)控、診斷、決策、實(shí)施檢修、評(píng)價(jià)5個(gè)部分，是以保證地鐵可靠運(yùn)行作為目的展開(kāi)。通過(guò)調(diào)度管理系統(tǒng)快速做出決策，安排檢修工作，并根據(jù)檢修結(jié)果對(duì)故障和狀態(tài)檢修效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

5.2 定期組織檢修人員培訓(xùn)

提高檢修人員專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)是提高檢修水平的關(guān)鍵，定期組織檢修人員培訓(xùn)能夠讓其學(xué)習(xí)理論知識(shí)和實(shí)踐技能，提高其職業(yè)道德。在培訓(xùn)中要圍繞狀態(tài)檢修的模式，指導(dǎo)檢修人員靈活使用計(jì)算機(jī)軟件輔助檢修工作，提高檢修效率。積極使用管理手段建立良性競(jìng)爭(zhēng)，使用績(jī)效獎(jiǎng)金方式激勵(lì)檢修人員，提高積極性。完善考核制度，將檢修績(jī)效、成果和檢修人員工資結(jié)合，激發(fā)檢修人員的動(dòng)力。

5.3 充分挖掘電氣系統(tǒng)數(shù)據(jù)

首先，需要檢修人員在工作期間注意對(duì)電氣系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)以及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行收集整理，詳細(xì)記錄故障特征以及維修操作，建立設(shè)備臺(tái)賬，完善記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。其次，將電氣系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，制定更適合狀態(tài)檢修的方案，針對(duì)故障高發(fā)設(shè)備提高檢修頻率，對(duì)存在缺陷的設(shè)備采取跟蹤檢測(cè)，對(duì)于新設(shè)備、無(wú)缺陷和故障部件，可減少檢修頻率。最后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檔案式管理，有專(zhuān)業(yè)工程師對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，善用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)以及仿真分析等，評(píng)估各部件的運(yùn)行狀態(tài)，從而優(yōu)化檢修方案，實(shí)現(xiàn)預(yù)防性檢修工作，最大程度上降低故障發(fā)生率，保證地鐵穩(wěn)定運(yùn)行。

6.結(jié)語(yǔ)

地鐵車(chē)輛結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦發(fā)生故障將產(chǎn)生嚴(yán)重影響，造成乘客出行障礙。常規(guī)無(wú)法控制故障影響，尤其是電氣系統(tǒng)故障，容易引發(fā)安全事故，威脅地鐵運(yùn)行安全。因此需要提高電氣系統(tǒng)檢修水平，實(shí)現(xiàn)事前控制，預(yù)防故障的發(fā)生。從牽引和輔助系統(tǒng)兩個(gè)方面分析故障特征，加強(qiáng)對(duì)檢修人員培訓(xùn)，掌握常見(jiàn)故障種類(lèi)，注意對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的收集，采取狀態(tài)檢修，對(duì)不同設(shè)備采取差異化檢修頻率，預(yù)防故障的發(fā)生。