廣州地鐵A2、A3型電客車充電機(jī)帶負(fù)載能力異常處理分析及整改措施

王樂天

（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州 510310）

1 概述

廣州地鐵A2、A3型電客車是由長客龐巴迪公司生產(chǎn)的4動(dòng)2拖六節(jié)編組地鐵車輛，現(xiàn)主要應(yīng)用于廣州地鐵一、八號線。蓄電池充電機(jī)全列車共有兩個(gè)，為列車提供直流電源，同時(shí)為蓄電池充電。正常情況下兩個(gè)充電機(jī)同時(shí)工作，當(dāng)其中一個(gè)充電機(jī)故障時(shí)全列車直流電源單獨(dú)由正常充電機(jī)提供?，F(xiàn)正線運(yùn)營時(shí)司機(jī)發(fā)現(xiàn)在其中一端充電機(jī)報(bào)故障停止工作時(shí)，列車蓄電池電壓表電壓值直線下降。最終列車在最近站點(diǎn)清客后進(jìn)入存車線退出服務(wù)。如司機(jī)發(fā)現(xiàn)問題稍晚，則最終將造成列車進(jìn)行區(qū)間清客、救援，對地鐵線網(wǎng)正線運(yùn)營將帶來極大影響。

本文基于充電機(jī)的工作方式及工作原理對以上故障進(jìn)行分析并確定故障原因。并根據(jù)故障檢查中發(fā)現(xiàn)的問題對后續(xù)列車檢查規(guī)程、檢查方式提出相應(yīng)的改進(jìn)措施并取得良好效果。

2 蓄電池充電機(jī)工作方式及工作原理

2.1 蓄電池充電機(jī)工作方式

廣州地鐵A2、A3型電客車采用冗余設(shè)計(jì)，在兩個(gè)拖車車底各裝配了一個(gè)蓄電池充電機(jī)。蓄電池充電機(jī)由接觸網(wǎng)提供DC1 500 V電源，通過逆變、整流電路最終輸出DC 110～126 V電壓。其為列車控制診斷系統(tǒng)、110 V控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等直流負(fù)載提供必須的直流電源，同時(shí)為列車蓄電池充電。當(dāng)兩個(gè)充電機(jī)均正常工作時(shí)，由兩個(gè)充電機(jī)同時(shí)為列車供電。當(dāng)其中一個(gè)充電機(jī)報(bào)故障停止工作時(shí)，則由正常充電機(jī)單獨(dú)為列車所有低壓直流負(fù)載提供電源。

2.2 蓄電池充電機(jī)工作原理

廣州地鐵A2、A3型電客車充電機(jī)直接由接觸網(wǎng)供電，在其輸入端與接觸網(wǎng)之間沒有預(yù)充電裝置，也沒有將充電機(jī)與接觸網(wǎng)之間斷開的接觸器。只要列車受電弓與接觸網(wǎng)連接，直流輸入電壓直接通過保險(xiǎn)絲與充電機(jī)相連。

當(dāng)列車激活后充電機(jī)控制微處理器由列車蓄電池供電啟動(dòng)，充電機(jī)進(jìn)入準(zhǔn)備工作狀態(tài)。當(dāng)微處理器檢測到列車接通DC1 500 V后發(fā)出逆變啟動(dòng)信號。充電機(jī)啟動(dòng)后將在2 s內(nèi)進(jìn)入到滿負(fù)載工作狀態(tài)。

在充電機(jī)啟動(dòng)階段及正常工作過程中，其控制微處理器通過充電機(jī)內(nèi)部電壓傳感器、電流傳感器等檢測模塊檢測充電機(jī)狀態(tài)，并通過RS232、RS485接口與列車控制診斷系統(tǒng)相連。當(dāng)微處理器檢測到故障時(shí)向列車控制診斷系統(tǒng)發(fā)出故障信號并生成相應(yīng)的故障代碼。充電機(jī)電路簡圖如圖1所示。

圖1 充電機(jī)電路簡圖

充電機(jī)逆變整流電路簡圖如圖2所示。輸入濾波器包括扼流圈L1，L2和電容 C1，IGBT TR1和TR2是調(diào)壓逆變器的開關(guān)，該調(diào)壓逆變器提高輸入電壓至超過電容C3和C4端電壓的直流連接電壓。TR3至TR6之間形成一個(gè)換流器，其轉(zhuǎn)換頻率為1 kHz，通過后級整流器和電容器輸出恒定的直流電壓。

3 故障分析及處理

3.1 充電機(jī)測試檢查

故障列車回庫檢查發(fā)現(xiàn)，將原本報(bào)故障充電機(jī)人為切除功能單獨(dú)使用未報(bào)故障充電機(jī)時(shí)，當(dāng)列車低壓負(fù)載很低時(shí)，蓄電池電壓穩(wěn)定無變化，列車所有功能正常，充電機(jī)工作狀態(tài)正常；當(dāng)開啟列車全部低壓負(fù)載后，蓄電池電壓急速下降直至蓄電池虧電，充電機(jī)切換至準(zhǔn)備啟動(dòng)狀態(tài)，未正常工作。依據(jù)此故障現(xiàn)象可以判斷為蓄電池充電機(jī)故障。又由于在低負(fù)載條件下充電機(jī)能夠正常工作，僅在高負(fù)載條件下出現(xiàn)工作狀態(tài)異常，故此故障關(guān)鍵是找出充電機(jī)帶負(fù)載能力異常的原因。

結(jié)合廠家給予的接線圖進(jìn)行檢查，故障充電機(jī)內(nèi)部各接線均穩(wěn)固無松動(dòng)、無斷股。各接線線號與接線圖均一致。故障充電機(jī)在故障試驗(yàn)時(shí)內(nèi)部無任何燒焦味發(fā)出、各部件狀態(tài)均良好。故障充電機(jī)與其他使用設(shè)備均相同。充電機(jī)部件狀態(tài)及接線狀態(tài)檢查未發(fā)現(xiàn)任何問題。

將故障充電機(jī)與正常充電機(jī)進(jìn)行對比檢查發(fā)現(xiàn)，兩者之間僅輸出電路的電流傳感器（電路編號U701、U702）型號不同。功能正常充電機(jī)電流傳感器使用進(jìn)口LEM電流傳感器，而故障充電機(jī)使用國產(chǎn)TEG（寧波南車）電流傳感器。而此電流傳感器用于檢測充電機(jī)的輸出電流，與充電機(jī)帶負(fù)載能力緊密相關(guān)。故懷疑本故障是由于國產(chǎn)電流傳感器性能不能滿足使用要求導(dǎo)致故障。輸出電流檢測電路簡圖如圖3。

圖2 充電機(jī)逆變整流電路簡圖

圖3 輸出電流檢測原理圖

3.2 電流傳感器單獨(dú)測試

A2/A3型車SMA充電機(jī)關(guān)鍵參數(shù)如下：

（1）輸出功率25 kW；

圖4 測試電路簡圖及實(shí)際測試圖

（2）最大輸出電流270 A；

（3）額定輸出電流210 A；

（4）供蓄電池充電最大電流42 A。

兩種電流傳感器設(shè)計(jì)檢測電流可達(dá)500 A，若要對電流傳感器準(zhǔn)確測試需要一個(gè)較大的電流源。由于作為運(yùn)用部門設(shè)備有限，最后采用長城網(wǎng)星ATX-3000電腦電源提供大電流，此電源在5 V電壓條件下可輸出18 A電流。外接負(fù)載為一截電阻絲。測試電路簡圖及實(shí)際測試圖如圖4所示。

將LEM及TEG電流傳感器各拆卸2個(gè)進(jìn)行單獨(dú)測試。測試負(fù)載電流為10 A左右，用長導(dǎo)線纏繞電流傳感器5圈，以實(shí)現(xiàn)5倍負(fù)載測試電流。測試結(jié)果如表1所示。

兩種電流傳感器的設(shè)計(jì)比例參數(shù)均為2 500∶1，通過以上數(shù)據(jù)說明LEM電流傳感器性能更好，TEG電流傳感器數(shù)據(jù)同樣符合使用需求并且狀態(tài)正常。依據(jù)此檢測結(jié)果排除電流傳感器選型問題造成故障的可能。

3.3 電流傳感器裝機(jī)測試

排除電流傳感器型號問題的可能后，將電流傳感器重新裝入故障充電機(jī)進(jìn)行檢測。外加電腦電源及接線對電流傳感器提供大電流（與電流傳感器單獨(dú)檢測同樣方式），在110 V輸出端裝燈泡作為負(fù)載，負(fù)載電流I1=1.5 A。同時(shí)用充電機(jī)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測充電機(jī)數(shù)據(jù)，設(shè)監(jiān)測軟件中電流傳感器U701檢測總輸出電流Ia，U702檢測蓄電池充電電流I2，110 V負(fù)載電流I3=Ia-I2。

（1）U702電流傳感器內(nèi)外加通過I4=33 A電流，測試電路簡圖及軟件測試數(shù)據(jù)如圖5所示。

數(shù)據(jù)顯示： Ia=1.6 A，I2=35.7 A，I3=Ia-I2＜0此種情況下為負(fù)顯示為0 A；

實(shí)際情況：Ia=1.5 A；

（2）U701傳感器外加I4=17.7 A電流

表1 LEM、TEG電流傳感器測試結(jié)果

圖5 測試電路簡圖及測試數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)顯示：Ia=19.1 A，

實(shí)際情況：Ia=I1+I4=1.5 A+17.6 A=19.1 A，

（3）U701、U702同時(shí)在電流傳感器外加I41=I42=10 A電流

數(shù)據(jù)顯示：Ia=11.3 A，

實(shí)際情況：Ia（實(shí)際）=Ia+I41=1.5 A+10 A=11.5 A，

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析發(fā)下蓄電池充電電流的測得值I2=1.5 A+U702外加電流值。而蓄電池充電電流實(shí)際值I2（實(shí)際）=1.5 A+U702外加電流值。測得值相對于實(shí)際值多出1.5 A。而測試電路中僅負(fù)載電路的實(shí)際電流I1值為1.5 A。又U701、U702的測得值顯示位置與軟件設(shè)計(jì)顯示位置相同，故可排除充電機(jī)內(nèi)電流傳感器接線接反的可能。綜合以上分析可推斷故障充電機(jī)內(nèi)110 V負(fù)載輸出接線與蓄電池充電輸出接線接反。由于蓄電池充電電流最大值僅為42 A，遠(yuǎn)小于110 V負(fù)載輸出最大電流230 A，故在低負(fù)載及小電流條件下充電機(jī)能正常工作，大負(fù)載大電流條件下充電機(jī)工作異常。

4 故障處理

通過檢測數(shù)據(jù)分析推斷故障為充電機(jī)內(nèi)110 V負(fù)載輸出接線與蓄電池充電輸出接線接反導(dǎo)致。再次檢查充電機(jī)輸出端插頭接線，檢查發(fā)現(xiàn)輸出端插頭各接線線號與廠家給予的線號表一致。為驗(yàn)證監(jiān)測數(shù)據(jù)推斷結(jié)論是否正確，將故障充電機(jī)內(nèi)110 V負(fù)載輸出接線與蓄電池充電輸出接線互換后進(jìn)行裝車試驗(yàn)。試驗(yàn)表明互換輸出端接線后充電機(jī)功能恢復(fù)正常。在滿負(fù)載工作條件下充電機(jī)仍能提供足夠功率，蓄電池電壓穩(wěn)定。故最終確認(rèn)故障充電機(jī)雖然各線線號標(biāo)示正確，但實(shí)際接線接反。

5 改進(jìn)措施

本故障中帶負(fù)載能力異常充電機(jī)不報(bào)任何故障信息，故障現(xiàn)象隱蔽，在日常檢修中難以發(fā)現(xiàn)。針對此種情況特進(jìn)行如下改進(jìn)：

（1）本次故障中充電機(jī)超出最大輸出功率后僅自動(dòng)切換到準(zhǔn)備模式而不報(bào)相應(yīng)的故障信息，故要求廠家對相關(guān)控制診斷邏輯進(jìn)行修改，增加對該工況下充電機(jī)報(bào)錯(cuò)功能；

（2）在電客車月檢、半年檢、年檢檢修規(guī)程中增加檢查項(xiàng)目，專項(xiàng)檢查采用冗余設(shè)計(jì)的各部件單獨(dú)工作能力，確保各冗余部件在單獨(dú)工作時(shí)能滿足列車工作要求；

（3）由于本次錯(cuò)誤接線為充電機(jī)出廠時(shí)就已存在，故在列車新車驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中添加相關(guān)檢查考核項(xiàng)目，確保新車出廠狀態(tài)。

6 結(jié)束語

由于采用冗余設(shè)計(jì)的列車部件正常情況下共同工作，如果其中某一個(gè)部件存在異常且在日常檢修中難以發(fā)現(xiàn)，一旦列車正線出現(xiàn)某個(gè)部件故障，但備用部件不能滿足列車運(yùn)行需求時(shí)將造成極大的影響。故在電客車檢修規(guī)程中增加冗余部件的單獨(dú)運(yùn)行能力檢查項(xiàng)目是十分必要的。增加相關(guān)檢查規(guī)程后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)其他類似問題，充分保證了冗余設(shè)計(jì)部件的狀態(tài)，提高列車正線運(yùn)行的可靠性，保障運(yùn)營服務(wù)質(zhì)量。

［1］長春長客-龐巴迪軌道車輛有限公司.廣州地鐵A2、A3型電客車維修手冊［Z］.2006.