無錫地鐵1號線列車輔助逆變系統(tǒng)故障的原因分析

承琳 胡賢令

摘?要：無錫地鐵1號線電客車安裝了兩臺輔助逆變器（SIV）系統(tǒng)輔助逆變器，近年來隨著運行年數(shù)的增加，輔助逆變器已發(fā)生過數(shù)起故障。本文重點分析了其中的一起較為典型的故障。從故障現(xiàn)象進行調(diào)查分析處理、希望對相關(guān)故障處理及研究領(lǐng)域提供借鑒經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：地鐵;電客車;輔助逆變器;故障處理

輔助供電系統(tǒng)是將DC1500V轉(zhuǎn)換成AC380V、DC110V為車輛的12臺空調(diào)（影響乘客舒適度），空氣壓縮機（影響安全性能），主要設(shè)備的冷卻通風(fēng)，照明，各系統(tǒng)控制電路，列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，車載信號，通信設(shè)備及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等提供電源。無錫地鐵一號線地鐵列車采用四動兩拖六節(jié)車編組配備了兩臺輔助逆變器，兩臺輔助逆變器安裝在兩個TC車即帶司機室的兩個頭車，熱備冗余。工作狀態(tài)通過車輛網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備VCU進行實時監(jiān)控，當(dāng)其中一個輔助逆變器發(fā)生永久性故障時，列車另外一個將自動接替它工作，保證列車的基本負載運行。輔助系統(tǒng)的穩(wěn)定工作影響著行車的安全性能和舒適度。因此為了確保地鐵運行的安全穩(wěn)定，需要弄清輔助系統(tǒng)的基本工作原理和結(jié)構(gòu)，及時發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的涉及缺陷降低運營故障率，從而確保車輛運行品質(zhì)。

1 輔助逆變系統(tǒng)簡介

無錫地鐵1號線采用的是時代電氣公司生產(chǎn)輔助逆變器，該系統(tǒng)具備較高的集成度。

從圖1中可知，輔助逆變系統(tǒng)可按功能區(qū)分可粗略分為4個部分：

控制部分：包括開關(guān)電源插件（PSU）給各控制檢測電路供電，模擬入出插件（AIO）、數(shù)字入出插件（DIO）為逆變電路進行信號處理、傳感器與互感器信號的采樣、信號電平轉(zhuǎn)換，逆變控制插件（INV）集成了MVB網(wǎng)絡(luò)插件，實現(xiàn)系統(tǒng)邏輯控制、逆變電路的控制與保護等。

電容充放電電路部分：由預(yù)充電電阻R1，充電接觸器KM2和短接接觸器KM1組成預(yù)充電電路。放電電路由FC于R2構(gòu)成，在五分鐘之內(nèi)可放電到50V以下。

輔助逆變控制部分：1500VDC進過預(yù)充電電路后充電到約1400VDC后開始觸發(fā)PWM脈沖控制經(jīng)過變壓器TR1耦合后進行LC濾波最終輸出380Vrms，頻率50HZ的交流電壓。一路給后面的空調(diào)系統(tǒng)，制動壓縮機組供電，另一路在經(jīng)過整流，AC/DC轉(zhuǎn)換，再由TR2高頻斬波，最終輸出110VDC供蓄電池充電和其負載。

應(yīng)急啟動控制：當(dāng)蓄電池電壓低于下限值84V，或者車輛蓄電池未能正常使用，列車不能激活的情況下將通過應(yīng)急啟動按鈕強制將1500VDC電壓轉(zhuǎn)換110VDC供蓄電池和控制電路使用。

2 輔助逆變系統(tǒng)擴展控制電路介紹

如圖2、圖3所示：輔助系統(tǒng)主電路的擴展功能主要由繼電器K309，K310和接觸器K332三對主觸點組成，二次控制電路由K331觸發(fā)擴展允許指令。該指令由VCU經(jīng)過DXM模塊使能。當(dāng)一臺輔助逆變器發(fā)生永久性故障時，VCU收到到該系統(tǒng)的故障信號后要求空調(diào)系統(tǒng)由正常工況轉(zhuǎn)換為降級模式工況，即切除空調(diào)系統(tǒng)一半壓縮機組（12臺）。切除完成后VCU向DXM模塊發(fā)出使能信號，擴展允許繼電器K331得電，K331得電后常開觸點13/14，43/44閉合。此時假設(shè)1車的SIV故障，故障車的繼電器K310失電。非故障的SIV的繼電器K309仍然有電，將通過K310的常閉觸點21/22和K309的常開觸點13/14形成通路，接通接觸器K332。K332得電后將通過常開觸點43/44自鎖，13/14觸點反饋給VCU完成整改擴展供電過程。若VCU檢測故障SIV恢復(fù)了正常工況，將停止擴展供電。

3 輔助逆變系統(tǒng)故障

3.1 故障現(xiàn)象檢查判斷

2018年9月10接到行調(diào)報全車空調(diào)故障，輔助逆變電源擴展失敗，多次分合空調(diào)列車控制空開=61-F102，=61-F103和進行MVB復(fù)位后故障仍然存在。列車回庫后，對空調(diào)進行功能測試，發(fā)現(xiàn)全車空調(diào)啟動還未完成，空調(diào)馬

上就停機。查看HMI屏，空調(diào)狀態(tài)未知，1車和6車的SIV在測試過程中出現(xiàn)偶爾都報紅故障。懷疑SIV故障引發(fā)，關(guān)掉半列車空調(diào)測試，啟動剩余半列車空調(diào)，空調(diào)仍然不能正常運轉(zhuǎn)。

關(guān)掉全車11臺空調(diào)電源，留一臺空調(diào)工作，接入高壓后，一臺空調(diào)可正常工作，一旦接入第二臺空調(diào)，空調(diào)系統(tǒng)馬上停止工作。切換其他車的空調(diào)，也存在相同的故障現(xiàn)象。懷疑空調(diào)電源輔助逆變器出現(xiàn)故障，于是列車退出服務(wù)檢查輔助逆變系統(tǒng)電路。

打開一車輔助逆變器箱體發(fā)現(xiàn)1車的輔助逆變器輸出端的三相濾波電容有輕微鼓包，用手觸摸外殼，能明顯感覺到該電容器外殼溫度較6車的溫度高。于是更換該三相交流濾波電容。重啟車輛觀察，空調(diào)進入正常工況，故障現(xiàn)象已消失?？芍敬喂收嫌捎陔娙萜鞯墓收显蛞?。

對于該電容器電容值進行測量，結(jié)果如下：

又根據(jù)輔助逆變器廠家提供的資料，可知正常情況下，三相交流濾波電容數(shù)值基本大小相等，約為330uf左右。各項三相輸出的電壓值為380VAC±5%，額定頻率50Hz±0.5%。根據(jù)電容容抗公式可知，正常情況下，相間電容等效值：

XC equ=12πfc=12×3.14×50×330×10-6≈9.65Ω。

在電容損壞情況下帶入公式，得到各相間的電容值如下：

XCW-U=12πfc=12×3.14×73.16×50×10-6≈43.53Ω

XCW-V=12πfc=12×3.14×50×49.37×10-6≈64.51Ω

XCU-V=12πfc=12×3.14×50×155.1×10-6≈20.53Ω

可以看出，在電容器損壞情況下，容抗已與標(biāo)準(zhǔn)值相差很大。負載電路對稱情況下與上述容抗并聯(lián)工作，必然導(dǎo)致等效的三相負載不平衡，增加線路損耗。損壞的電容器產(chǎn)生電壓和電流也將出現(xiàn)高次諧波，引起負載不能正常工作。

3.2 故障現(xiàn)象分析

由廠家提供的輔助逆變器技術(shù)資料可知：當(dāng)一臺輔助逆變器故障時，當(dāng)三相輸出電流差值超過30%、并持續(xù)3s以上時，會有保護動作;5s后SIV自動重新啟動。相同的故障在60s內(nèi)再次出現(xiàn)，SIV停止運行而被鎖定。該SIV封鎖后，TCMS將不再收到SIV正常工作的反饋信號同時會給空調(diào)發(fā)送減載指令，TCMS確認(rèn)空調(diào)正確減載后，將發(fā)出給擴展接觸器發(fā)出擴展供電閉合指令。這時在HMI屏幕的通訊狀態(tài)看到故障SIV顯示紅色，正常SIV顯示綠色。擴展成功后可看到KMK的圖標(biāo)顯示綠色。但是當(dāng)三相輸出濾波電容未完全損壞情況下，空載時系統(tǒng)不能完全輸出的三相電壓的異常。擴展后，故障SIV處于空載狀態(tài)，這時若傳感器不能檢測到SIV輸出電壓異常超限，將給TCMS發(fā)出一個假信號即該SIV無故障。此時，TCMS根據(jù)接收到的信號認(rèn)為SIV無故障將停止擴展供電。一旦未完全損壞的SIV帶上大負載，導(dǎo)致本來不平衡的電路出現(xiàn)嚴(yán)重的不平衡，再次導(dǎo)致本車的SIV封鎖，封鎖后就進行擴展供電，這樣往復(fù)循環(huán)。正常的SIV也在此期間不斷擴展而啟動停止。若在軟件設(shè)計的限值時間內(nèi)，達到了封鎖的次數(shù)，正常的SIV也將出現(xiàn)封鎖。這就是本次事故在正線上出現(xiàn)兩個SIV都爆紅且空調(diào)機組不能正常工作的原因。

4 結(jié)語

本文主要對地鐵輔助逆變系統(tǒng)的功能和電路進行了簡要說明，并對因設(shè)計選型瑕疵造成列車運營故障進行了分析。要提高地鐵客運服務(wù)質(zhì)量，就需要對車輛上的各個系統(tǒng)特點及多發(fā)故障進行系統(tǒng)化總結(jié)，利用科學(xué)的手段進行檢修排除故障隱患，旨在能在最小的時間內(nèi)查找到出現(xiàn)故障的根本原因，確保地鐵車輛的正常運行。

參考文獻：

[1]PM122396101-輔助供電系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范-V1.

[2]8技術(shù)設(shè)計說明書-部件-TGF75型輔助電源箱.

[3]無錫地鐵SIV邏輯控制功能說明.

[4]無錫地鐵一號線電氣原理圖.