西安地鐵2號(hào)線車載制動(dòng)電阻過溫故障研究

劉 海

（西安市地下鐵道有限責(zé)任公司運(yùn)營(yíng)分公司，陜西西安 710016）

西安地鐵?2?號(hào)線?2018?年最小行車間隔已經(jīng)達(dá)到2??min??30??s?以內(nèi)，部分站距小于?2??min，列車運(yùn)行密度大，列車啟動(dòng)和制動(dòng)頻繁。制動(dòng)方式以電制動(dòng)為主、空氣制動(dòng)為輔，電制動(dòng)在列車安全運(yùn)行中起到關(guān)鍵作用。當(dāng)列車再生制動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的制動(dòng)能量由牽引電機(jī)通過牽引逆變器傳輸?shù)浇佑|網(wǎng)中，如果不能被其他列車吸收，會(huì)造成接觸網(wǎng)網(wǎng)壓升高，影響運(yùn)營(yíng)安全。這時(shí)多余的制動(dòng)能量需要制動(dòng)電阻發(fā)熱來消耗。

1 制動(dòng)電阻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

西安地鐵?2?號(hào)線列車采用?6?輛編組，3?輛動(dòng)車?3?輛拖車，其中?2、3、5?車為動(dòng)車。制動(dòng)電阻器采用車下懸掛安裝方式，在每輛動(dòng)車上安裝?1?套。制動(dòng)電阻與?VVVF逆變器裝置組合，構(gòu)成再生、電阻混合制動(dòng)系統(tǒng)。制動(dòng)電阻采用自然風(fēng)冷，無強(qiáng)制通風(fēng)散熱，減少了額外的能量消耗。裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、故障率低。為防止列車行駛時(shí)雨水或泥水等飛濺至制動(dòng)電阻器表面，影響其設(shè)備美觀和散熱性能，在制動(dòng)電阻器框架上分別安裝了底部擋泥蓋板和側(cè)部擋泥蓋板。

1?臺(tái)制動(dòng)電阻器與?1?臺(tái)牽引逆變器連接，每臺(tái)牽引逆變器為?1?輛車的?4?臺(tái)牽引電機(jī)提供逆變電源。當(dāng)列車實(shí)施制動(dòng)時(shí)，列車動(dòng)能將通過牽引逆變器轉(zhuǎn)換成電能，回饋給電網(wǎng)；電網(wǎng)不能吸收時(shí)，通過制動(dòng)電阻發(fā)熱消耗能量。每臺(tái)制動(dòng)電阻器由?3?個(gè)制動(dòng)電阻單元組成，3?個(gè)制動(dòng)電阻單元串聯(lián)接入高壓電路中。制動(dòng)電阻器結(jié)構(gòu)示意如圖?1?所示。

圖1 制動(dòng)電阻器外觀結(jié)構(gòu)

2 制動(dòng)電阻維護(hù)及散熱設(shè)計(jì)

西安地鐵?2?號(hào)線車載?RRW.H-80K-3?型制動(dòng)電阻規(guī)格參數(shù)：電阻值?2.277?Ω，額定容量?84.9??kW，溫度上升容許值?455??K。

2.1 制動(dòng)電阻維護(hù)

車載制動(dòng)電阻由支撐絕緣子、電阻元件、銅排、隔熱板以及側(cè)板等組成。電阻元件由鎳鎘合金組成。支撐絕緣子材料為陶瓷，日常不需要維修，主要進(jìn)行外觀檢查是否有異物、灰塵堵塞，以免影響部件散熱及導(dǎo)電性能。制動(dòng)電阻在列車運(yùn)營(yíng)間隔?60?萬km?時(shí)，需要從車上拆卸進(jìn)行檢修作業(yè)，檢修主要有?3?項(xiàng)內(nèi)容：①進(jìn)行電阻值測(cè)定，確認(rèn)是否在?±10%?范圍內(nèi)；②檢查確認(rèn)電阻元件與車體安裝處絕緣電阻和絕緣耐力滿足要求；③確認(rèn)電阻元件無生銹及腐蝕。

為了確認(rèn)制動(dòng)電阻日常工作溫度在正常范圍內(nèi)，在電阻上方張貼?71～110??℃溫度貼，如果發(fā)現(xiàn)溫度異常及時(shí)跟進(jìn)處理。

2.2 制動(dòng)電阻散熱設(shè)計(jì)

制動(dòng)電阻器是列車將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能并散發(fā)熱量的裝置。作為發(fā)熱裝置，2?號(hào)線車載制動(dòng)電阻器與其周圍設(shè)備要有充分的間距，確保排熱風(fēng)的進(jìn)出路。其中橫向和縱向距離其他設(shè)備?500??mm?以上。制動(dòng)電阻與車體之間配置有隔熱板，隔熱板與客室地板下表面間距100??mm?以上。制動(dòng)電阻器單元間連接配線及其到車體的配線需要使用耐高溫電線，避免因制動(dòng)電阻發(fā)熱影響線纜壽命，造成線纜早期劣化。

電阻元件使用特殊電阻帶，經(jīng)反復(fù)連續(xù)的平折加工而成，耐熱溫度約?850?℃，遠(yuǎn)高于電阻的工作溫度。電阻元件的支撐絕緣子使用耐熱絕緣子材料。為了防止受熱后電阻元件膨脹導(dǎo)致變形，電阻元件和支撐絕緣子之間設(shè)置了約?0.5??mm?的間隙。

在制動(dòng)電阻附近避免安裝空調(diào)排水管（圖?2）。列車運(yùn)行過程中制動(dòng)電阻發(fā)熱，一方面會(huì)造成排水管變形堵塞，另一方面空調(diào)排水會(huì)將冷凝水滴吹到處于高溫狀態(tài)的電阻片上，白色的水霧散發(fā)到客室內(nèi)容易造成乘客恐慌。

圖2 排水管布置在電阻旁邊

3 制動(dòng)電阻過溫故障調(diào)查

制動(dòng)電阻器過溫保護(hù)，簡(jiǎn)稱為?BRTHD?故障，溫度判定條件為?450??K，在?2?號(hào)線列車運(yùn)營(yíng)過程中有?2?個(gè)典型故障。

（1）0204?車在早上出庫壓道過程中，司機(jī)室監(jiān)控信息顯示屏彈出故障信息“02042?車制動(dòng)電阻器過溫保護(hù)”。列車回庫后查看列車運(yùn)行日志，故障發(fā)生時(shí)列車網(wǎng)壓?1??741??V，列車運(yùn)行速度?28??km/h，電制動(dòng)有效并充分發(fā)揮，網(wǎng)壓達(dá)到制動(dòng)電阻投入條件。制動(dòng)電阻器的溫升顯示為?451??K，達(dá)到制動(dòng)電阻器過溫保護(hù)的判定標(biāo)準(zhǔn)?450??K。

（2）0210?車在凌晨調(diào)試過程中，在運(yùn)動(dòng)公園站至北苑站途中，司機(jī)室監(jiān)控信息顯示屏彈出故障信息“02102?車制動(dòng)電阻過溫保護(hù)”。列車回庫后查看列車運(yùn)行日志，故障發(fā)生時(shí)列車網(wǎng)壓?1??733??V，電制動(dòng)有效并充分發(fā)揮，網(wǎng)壓達(dá)到制動(dòng)電阻投入條件。制動(dòng)電阻器的溫升顯示為?455??K，達(dá)到制動(dòng)電阻器過溫保護(hù)的判定標(biāo)準(zhǔn)?450??K。

2?次典型故障都發(fā)生在凌晨出車情況下，列車3?輛動(dòng)車中?3?車和?5?車制動(dòng)電阻器沒有發(fā)生制動(dòng)電阻器過溫保護(hù)，都是?2?車發(fā)生制動(dòng)電阻器過溫保護(hù)。以下結(jié)合制動(dòng)電阻器安裝位置、工作特性和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境?3?個(gè)方面進(jìn)行調(diào)查分析。

3.1 安裝位置分析

類比西安地鐵?1?號(hào)線車載制動(dòng)電阻器，2?號(hào)線車輛增加了底部和側(cè)面擋泥蓋板。2?號(hào)線車載制動(dòng)電阻器距離輪對(duì)位置較近，1?號(hào)線車載制動(dòng)電阻器相對(duì)輪對(duì)位置較遠(yuǎn)，未增加底部和側(cè)面擋泥蓋板（圖?3）。

統(tǒng)計(jì)時(shí)間段為?2014?年?10?月至?2017?年?5?月，對(duì)比?1?號(hào)線和?2?號(hào)線車載制動(dòng)電阻器過溫故障發(fā)生情況可知，2?號(hào)線發(fā)生?11?次，1?號(hào)線發(fā)生?0?次。從上述對(duì)比情況，可見制動(dòng)電阻擋泥板和制動(dòng)電阻離輪對(duì)的距離是影響制動(dòng)電阻器散熱的主要因素。

3.2 工作特性分析

列車在早上壓道和凌晨調(diào)試作業(yè)過程與正線運(yùn)營(yíng)相比，開關(guān)門時(shí)間較短，列車在站臺(tái)停車時(shí)間較短，設(shè)備投入時(shí)間較長(zhǎng)。同時(shí)正線上列車較少，在發(fā)生電制動(dòng)過程中造成接觸網(wǎng)電壓較高。

圖3 車載制動(dòng)電阻器布置位置差異

從?0210?車?VVVF?數(shù)據(jù)可以得知，制動(dòng)電阻過溫時(shí)，濾波電容器電壓為?1??733??V，與正線網(wǎng)壓相等。查閱VVVF?技術(shù)規(guī)格書得知，濾波電容器電壓超過?1??720??V時(shí)，若此時(shí)正線上沒有其他列車可以有效地將多余的能量吸收掉，只能通過制動(dòng)斬波器動(dòng)作來抑制濾波電容器電壓上升，從而造成制動(dòng)電阻頻繁投入，列車在施加制動(dòng)時(shí)頻繁處于電阻能耗制動(dòng)狀態(tài)。

車載制動(dòng)電阻器的工作模式是反復(fù)、間歇性工作模式。在無再生吸收條件下，制動(dòng)電阻器容量滿足列車在速度?50??km/h、平均減速度不小于?0.8??km/s2條件下的制動(dòng)環(huán)境。最苛刻、最嚴(yán)酷的制動(dòng)電阻器功率曲線如圖?4?所示。若車載制動(dòng)電阻在列車高速運(yùn)行時(shí)（大于?50??km/h）就投入制動(dòng)電阻器，或者制動(dòng)電阻器反復(fù)工作時(shí)間小于98.5??s，則制動(dòng)電阻器比較容易出現(xiàn)過溫故障。

圖4 制動(dòng)電阻器功率曲線

3.3 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境分析

考慮同樣載荷、網(wǎng)壓等工況條件，類比?3?車和?5?車VVVF?逆變器相同的工作環(huán)境，僅?2?車發(fā)生制動(dòng)電阻器過溫保護(hù)，排除制動(dòng)電阻器產(chǎn)品差異。調(diào)查制動(dòng)電阻器的外觀狀態(tài)和工作環(huán)境，2?車擋泥板周圍泥漿、灰塵堆積較多，靠近輪對(duì)側(cè)制動(dòng)電阻罩板散熱網(wǎng)孔（擋泥板附近）堵塞嚴(yán)重，外觀狀態(tài)較差，影響其散熱性能；3?車和?5?車制動(dòng)電阻灰塵較少（圖?5）。

推測(cè)判定，臟污的外表影響其散熱性能，并導(dǎo)致制動(dòng)電阻器過溫保護(hù)。經(jīng)調(diào)查，0204?車于故障當(dāng)日作為壓道車首發(fā)，1?車為上行司機(jī)激活端，運(yùn)行時(shí)?2?車輪對(duì)粘附軌道防護(hù)油膏脂，堆積灰塵堵塞網(wǎng)孔，散熱受阻，導(dǎo)致過溫保護(hù)。

4 結(jié)論

經(jīng)過對(duì)故障列車制動(dòng)電阻器外觀狀態(tài)和所有?2?號(hào)線車載制動(dòng)電阻工作的環(huán)境狀態(tài)確認(rèn)和觀察，初步判定0204?車?2?車制動(dòng)電阻器過溫保護(hù)與其工作環(huán)境和當(dāng)時(shí)列車使用制動(dòng)電阻的頻次、當(dāng)日車輛運(yùn)行模式等有關(guān)。最終判定?0204?制動(dòng)電阻器過溫保護(hù)是運(yùn)行時(shí)軌道上涂抹的防護(hù)油膏脂飛濺至外殼后，吸附并堆積灰塵堵塞散熱網(wǎng)孔，導(dǎo)致制動(dòng)電阻器散熱不良導(dǎo)致。故障列車扣修后對(duì)其制動(dòng)電阻外表灰塵進(jìn)行清理，日常加強(qiáng)對(duì)制動(dòng)電阻器灰塵的清理，運(yùn)行?1?年來，制動(dòng)電阻器過溫故障未再出現(xiàn)，說明對(duì)故障的判斷是準(zhǔn)確的。

從預(yù)防維修角度考慮，當(dāng)車載制動(dòng)電阻器外殼上粘附泥漿灰塵較多時(shí)，在檢修中應(yīng)增加對(duì)制動(dòng)電阻散熱孔檢查的工作內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)有灰塵較多的情況及時(shí)清理，避免故障再次發(fā)生。

考慮制動(dòng)電阻溫升是逐漸累積的過程，列車進(jìn)行正線調(diào)試時(shí)適當(dāng)延長(zhǎng)開關(guān)門時(shí)間并在折返處停留?15??min?左右，保證制動(dòng)電阻溫度下降的時(shí)間；制動(dòng)電阻架修時(shí)在隔熱板下方的線管處張貼溫度貼，并在調(diào)試過程中持續(xù)跟蹤。

圖5 制動(dòng)電阻器外觀狀態(tài)（左側(cè)為 2 車，右側(cè)為 3 車）