沈陽地鐵1號線電客車輔助電源系統(tǒng)過電壓故障的分析及對策

魏紅梅， 李樹生

(沈陽地鐵集團有限公司， 沈陽 110141)

1 輔助電源系統(tǒng)簡介

1.1 輔助電源系統(tǒng)功能及原理介紹

沈陽地鐵1號線既有電客車輔助電源系統(tǒng)(SIV)由三菱電機提供，增購電客車由時代電氣提供，主要以增購電客車為例對輔助電源系統(tǒng)過電壓故障進行分析。輔助電源系統(tǒng)是將接觸網(wǎng)DC 1 500 V 電壓經(jīng)輸入濾波電路濾波后通過變流器轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘟涣麟?，后?jīng)變壓器降為三相AC 380 V 電源并經(jīng)濾波后提供三相AC 380 V 電源；蓄電池充電機(BCG)將AC 380 V 轉(zhuǎn)換為DC 110 V 為電客車提供電源；DC/DC變換器將DC 110 V 轉(zhuǎn)換為DC 24 V(原理如圖1所示)，該系統(tǒng)主要由輔助逆變器箱、輔助高壓箱、變壓器箱及擴展供電箱組成。每列電客車安裝2套輔助電源裝置和蓄電池組，其輸出能力滿足6輛編組列車各種負載工況的用電要求，輔助電源系統(tǒng)的總?cè)萘繛?80 kVA，當(dāng)其中一套輔助電源裝置故障情況下，系統(tǒng)采用擴展供電方式由另一套輔助電源裝置來保證全列車負載用電，此時列車空調(diào)系統(tǒng)減載運行。

1.2 沈陽地鐵1號線列車輔助電源系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀

沈陽地鐵1號線電客車輔助電源系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定，但2017年4月1日至6月13日的正線運營時段，在某區(qū)間頻繁報SIV輸入電壓過電壓故障(共計發(fā)生386次)，電客車頻繁啟動應(yīng)急照明，引起多起乘客投訴，嚴(yán)重影響了電客車的服務(wù)質(zhì)量。文中通過從原理方面分析故障原因，并通過從影響網(wǎng)壓波動的多個因素綜合分析，最終得出過電壓故障的解決途徑。

2 故障原因分析

2.1 原理分析

SIV輸入電壓過壓故障是當(dāng)輔助電源系統(tǒng)檢測到輸入網(wǎng)壓傳感器(SV1)或濾波電容器電壓傳感器(SV2)的電壓值(具體傳感器位置見圖1)達到2 050 V并持續(xù)20 ms 時報此故障，故障的情況如表1。

圖1 輔助系統(tǒng)控制原理電路

表1 故障說明表

2.2 數(shù)據(jù)分析

通過對事件記錄儀、SIV數(shù)據(jù)進行綜合分析，得出如下結(jié)論：

(1) 所有故障發(fā)生在早晚高峰時間段；

(2) 所有過電壓保護發(fā)生地點都在下行區(qū)間。

(3) 所有列車發(fā)生過壓保護時，列車處在制動工況，速度基本都在70 km/h 左右；

(4) 所有SIV檢測到的網(wǎng)壓均大于過壓保護門檻值，過電壓保護8 s 后，自動恢復(fù)。

2.3 影響因素分析

2.3.1車輛側(cè)原因分析與排查

(1) 確認電客車整改情況

確認在該故障發(fā)生前，電客車是否進行過相關(guān)參數(shù)更改。

(2) 電客車故障排查情況

檢查電壓傳感器SV1、SV2電纜連接情況，確認接線狀態(tài)；進行時序測試檢查閘極控制裝置，確認閘極控制裝置工作狀態(tài)。

經(jīng)確認，電客車未進行過相關(guān)整改且設(shè)備狀態(tài)正常?？紤]到過電壓保護在不同電客車上頻繁發(fā)生且自動恢復(fù)后正常運行，排除電客車本身故障。

2.3.2其他因素分析

(1) 整改情況：經(jīng)調(diào)查在故障發(fā)生前信號、供電、工務(wù)等專業(yè)對設(shè)備均未進行過相關(guān)整改；

(2) 車況分析：所有過壓保護列車均處在制動工況，且此時的速度較大均在70 km/h左右，需求的制動力較大，電制動反饋的電能就多，促使網(wǎng)壓提升。

(3) 線路分析：青年大街站為沈陽地鐵1、2號線換乘站，故障發(fā)生點位于線路的最底層，坡度最大。由于電客車存在一個向前的加速度，使其停車的電制動反饋電能越多，促使網(wǎng)壓提升。

(4) 載客量分析：由于故障發(fā)生在早晚高峰點，載客量比較大，使其停車的電制動反饋電能越多，促使網(wǎng)壓提升。且由于客流量突然增加等因素，可能導(dǎo)致該故障的發(fā)生。

(5) 行車組織分析

在同一供電區(qū)間內(nèi)，同時無電客車處于牽引工況消耗電能，拉低網(wǎng)壓。

(6) 信號控車分析

① 指令控制分析

在信號控車即ATO運行模式下，其控車指令在速度達到最大時存在突變情況，即在速度最高時存在突然施加較大制動力的情況，而此時也是SIV過電壓故障的發(fā)生點(見圖2所示)。

圖2 信號故障截圖

② 指令變化情況分析

減少制動指令次數(shù)可降低電制動的投入次數(shù)，在電制動整體投入時間減少的情況下，減少制動指令可減少電制動能量的反饋。經(jīng)調(diào)查，在信號控車即ATO運行模式下，電客車存在制動指令投入較多、持續(xù)時間較長，牽引制動指令變化相對較為頻繁的情況，圖3為事件記錄儀中某站點牽引制動指令的變化情況。

③ 速度變化趨勢分析

速度較高時施加制動可引起網(wǎng)壓更高幅度的提升，在進行數(shù)據(jù)分析過程中發(fā)現(xiàn)速度存在持續(xù)時間較短、速度較高情況(如圖4所示)。

(7) 接觸網(wǎng)空載網(wǎng)壓值分析

接觸網(wǎng)網(wǎng)壓的輸出標(biāo)準(zhǔn)值為1 500 V，通過對沈陽地鐵1號線空載網(wǎng)壓(區(qū)間不行車時的網(wǎng)壓)進行分析，目前的實際輸出網(wǎng)壓基本保持在1 650 V 左右，最高達到1 716 V (如圖5所示)，總網(wǎng)壓值為空載網(wǎng)壓與電客車反饋網(wǎng)壓之和。

圖3 事件記錄截圖

圖4 速度較高持續(xù)時間較短截圖

圖5 空載網(wǎng)壓記錄

2.4 原因分析

在過電壓故障發(fā)生前車輛、信號，供電、工務(wù)等專業(yè)均未進行過整改作業(yè)，而過電壓故障是由于上述各種因素疊加導(dǎo)致，因此推斷過電壓故障是由于運營高峰期的客流突增因素引起。

3 解決措施

通過對影響網(wǎng)壓波動的各因素進行綜合分析并對實際實施的可行性進行綜合評估后，解決途徑如下：

3.1 限速

針對電客車在高速行車過程中施加制動時報此故障，即針對高速停車時需求的制動力大即電制動反饋電能多的情況，目前沈陽地鐵已在故障區(qū)段限速65 km/h 運行，限速后未再報SIV過壓保護。由于區(qū)間限速影響電客車的正線旅行速度，須綜合考慮其影響。

3.2 提高門檻值

可通過提高SIV過電壓故障門檻值的方法來解決過電壓故障，但必須考慮既定設(shè)備承受過壓故障的能力，防止因電壓過高燒損設(shè)備。

3.3 降低空載網(wǎng)壓值

通過降低接觸網(wǎng)的空載網(wǎng)壓降低總網(wǎng)壓的方法解決SIV過電壓故障。

3.4 調(diào)整控車方式

3.4.1指令控制調(diào)整

由于在故障發(fā)生時的速度高、制動力大，此時反饋的電能就多，將信號的控制方式優(yōu)化為速度較低，制動施加較小的控制方式。

3.4.2指令變化調(diào)整

在信號控車過程中，當(dāng)信號控制的目標(biāo)速度與實際速度相差一定數(shù)值(此規(guī)定數(shù)值即為控制參數(shù))時，信號方給出相應(yīng)的牽引、制動指令進行調(diào)整，以縮小相差值。1號線正線運行時電客車的控制參數(shù)為250(0.9 km/h)，在ATO模式下分別完成控制參數(shù)分別為500(1.8 km/h)、750(2.7 km/h)、1 000(3.6 km/h)的測試工作，分析相關(guān)測試數(shù)據(jù)得出：經(jīng)控制參數(shù)調(diào)整后，牽引、制動以及牽引制動指令總數(shù)隨控制參數(shù)的調(diào)大呈減少趨勢(如圖6)。通過減少制動指令次數(shù)可降低電制動的投入次數(shù)，在電客車電制動整體投入時間減少的情況下，可減少電制動的能量反饋，從而減小網(wǎng)壓提升、減小過電壓故障的發(fā)生概率。

圖6 指令隨控制參數(shù)調(diào)整趨勢圖

3.4.3速度變化趨勢調(diào)整

通過對電客車的最高速度進行優(yōu)化，計算合適的速度值由持續(xù)時間較短、速度較高情況優(yōu)化為持續(xù)時間較長、速度較低的變化趨勢(如圖7所示)，使速度控制更為平緩。

圖7 速度較低持續(xù)時間較長情況

4 結(jié)束語

通過對輔助電源系統(tǒng)的過電壓故障進行原理分析，并結(jié)合故障發(fā)生的時間、地點、速度、工況以及故障情況對可能的各因素進行綜合分析，得出網(wǎng)壓波動的影響因素，并結(jié)合可實施性提出相應(yīng)的解決途徑，從而提高服務(wù)質(zhì)量，保障車輛正常運營。