成都地鐵5號(hào)線車輛輔助逆變器典型故障分析

劉 瑤

（成都地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，成都610041）

輔助供電系統(tǒng)作為城軌車輛的重要組成部分，它是車輛各設(shè)備正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，其主要作用是為車上負(fù)載提供穩(wěn)定的交流電和直流電［1］。輔助變流器的運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到車輛運(yùn)行安全和乘客舒適度，因此對(duì)輔助逆變器在運(yùn)用過程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析和研究，優(yōu)化輔助逆變器的運(yùn)用性能，對(duì)提高列車的運(yùn)行穩(wěn)定性是十分必要的?，F(xiàn)就對(duì)成都地鐵5號(hào)線在調(diào)試階段出現(xiàn)的輔助逆變器典型故障進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，并提出優(yōu)化方案。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 輔助供電系統(tǒng)

成都地鐵5號(hào)線輔助供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。4個(gè)輔助逆變器從1 500 V直流母線獲取直流電壓，通過逆變?yōu)V波后，輸出380 V三相交流電壓。正常情況下，4個(gè)輔助逆變器采用并網(wǎng)的供電方式，4組中壓母線通過4組接觸器K-AUX1、KAUX2、K-AUX3、K-AUX4連接在一起，輔助逆變器共同為4組中壓母線供電。

圖1 成都地鐵5號(hào)線輔助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

整車交流負(fù)載被均分到4個(gè)網(wǎng)段，通過各自的接觸器與母線連接。整車的交流負(fù)載主要有空調(diào)機(jī)組、牽引變流器冷卻風(fēng)機(jī)、輔助變流器冷卻風(fēng)機(jī)等三相交流負(fù)載以及220 V的插座、電加熱器等單相交流負(fù)載［2］。

1.2 系統(tǒng)并網(wǎng)控制方案

成都地鐵5號(hào)線輔助逆變器采用無互聯(lián)線的并網(wǎng)控制方式［3］，4個(gè)輔助逆變器之間無直接通信，而是通過列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（TCMS）控制其啟停。

（1）啟動(dòng)：TCMS控制4個(gè)并網(wǎng)接觸器閉合后，當(dāng)檢測(cè)到高壓有效信號(hào)后，依次向4個(gè)輔助逆變器發(fā)生啟動(dòng)指令。輔助逆變器接收到啟動(dòng)指令后，輔助變流器需檢查交流輸出端是否有電壓存在，如果沒有（例如，它是否是第一個(gè)啟動(dòng)的輔助），啟動(dòng)逆變器和充電機(jī)開始提升交流輸出電壓并在交流輸出電壓在正常范圍（380 V±5%）時(shí)閉合交流輸出接觸器。如果交流輸出電壓存在，啟動(dòng)逆變器和充電機(jī)，同步交流輸出電壓和中壓網(wǎng)絡(luò)（幅值和相位）然后閉合交流輸出接觸器。輔助逆變器將接觸器閉合信號(hào)反饋給TCMS，TCMS接收到該信號(hào)后，迅速啟動(dòng)后一個(gè)輔助逆變器。

（2）停止：TCMS接收到停止指令后，向4個(gè)輔助逆變器發(fā)生停機(jī)指令。輔助逆變器接收到停機(jī)指令后，停止輔助逆變器，并斷開輸出接觸器。

2 典型案例分析

2.1 輔助逆變器輸出過流故障

2.1.1 故障現(xiàn)象

5號(hào)線車輛自2018年調(diào)試開始，車輛在應(yīng)急模式轉(zhuǎn)回網(wǎng)絡(luò)模式時(shí)，4個(gè)輔助逆變器報(bào)輸出過流故障。該故障發(fā)生以后，車輛人員隨機(jī)抽查了庫(kù)內(nèi)10列車，發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象均相同，并在車上多次進(jìn)行應(yīng)急模式轉(zhuǎn)回網(wǎng)絡(luò)模式試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)每次故障均相同。

2.1.2 原因分析

輔助變流器在應(yīng)急模式與網(wǎng)絡(luò)模式的工作狀態(tài)分別為：輔助逆變器在應(yīng)急模式時(shí)，4個(gè)并網(wǎng)接觸器處于斷開狀態(tài)，4個(gè)輔助逆變器工作在非同步模式，也就是4個(gè)輔助逆變器輸出電壓的幅值、相位是不完全一致的；輔助逆變器工作在網(wǎng)絡(luò)模式時(shí)，并網(wǎng)接觸器處于閉合狀態(tài)，4個(gè)輔助逆變器工作在同步模式，輔助逆變器接收到網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)指令后，逐一啟動(dòng)，以保證后啟動(dòng)的輔助逆變器輸出電壓與380 V母線電壓保持同步。

車輛人員對(duì)故障車輛的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，具體數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 輔助逆變器過流故障數(shù)據(jù)

由數(shù)據(jù)可以看出，車輛從應(yīng)急模式（備用模式）轉(zhuǎn)為網(wǎng)絡(luò)模式時(shí)，應(yīng)急模式信號(hào)從1變?yōu)?，4個(gè)輔助逆變器未完全停機(jī)，4個(gè)輔助逆變器輸出接觸器（AOIK）未斷開的情況下，并網(wǎng)接觸器已經(jīng)閉合，此時(shí)4個(gè)輔助逆變器的輸出電壓并不同步，直接并網(wǎng)后，導(dǎo)致4個(gè)輔助逆變器報(bào)輸出過流故障。

2.1.3 優(yōu)化方案

為了解決車輛從應(yīng)急模式（備用模式）轉(zhuǎn)為網(wǎng)絡(luò)模式時(shí)報(bào)輸出過流的問題，TCMS系統(tǒng)對(duì)輔助逆變器的啟動(dòng)控制方案進(jìn)行了優(yōu)化：對(duì)4個(gè)輔助逆變器的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，確認(rèn)收到了4個(gè)輔助逆變器輸出接觸器閉合信號(hào)為0時(shí)，再閉合并網(wǎng)接觸器。

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案后，多次進(jìn)行車輛應(yīng)急模式（備用模式）轉(zhuǎn)為網(wǎng)絡(luò)模式試驗(yàn)，輔助逆變器均未再報(bào)輸出過流故障，列車運(yùn)行至今，在進(jìn)行相同試驗(yàn)時(shí)，輔助逆變器也未再發(fā)生過流故障，該優(yōu)化方案有效可靠。

2.2 輔助逆變器單相輸出過流故障

2.2.1 故障現(xiàn)象

5號(hào)線車輛自2018年調(diào)試開始，4個(gè)輔助逆變器在停機(jī)時(shí)，報(bào)L相單相輸出過流故障。該故障發(fā)生以后，車輛人員隨機(jī)抽查了庫(kù)內(nèi)10列車進(jìn)行連續(xù)多次停機(jī)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這10列車的輔助逆變器都發(fā)生了L相單相輸出過流故障，但并不是每次停機(jī)都會(huì)發(fā)生該故障，該故障的發(fā)生具有隨機(jī)性。

2.2.2 原因分析

故障發(fā)生以后，車輛人員對(duì)車上負(fù)載進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，排除了輔助逆變器帶載停機(jī)的可能。利用示波器對(duì)過流數(shù)據(jù)進(jìn)行了抓取，故障時(shí)的單相電流值達(dá)到770 A左右，電流達(dá)到了輔助逆變器檢測(cè)單相過流閾值750 A，而沒有達(dá)到檢測(cè)三相過流閾值880 A，所以逆變器報(bào)出了單相過流故障，排除了輔助逆變器誤報(bào)的可能性。

對(duì)故障車輛的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具體數(shù)據(jù)如圖3所示。從數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)4個(gè)輔助逆變器接收到停機(jī)指令后，有3個(gè)輔助已經(jīng)停止工作，并且輸出接觸器（AOIK）已經(jīng)斷開，有1個(gè)輔助停機(jī)比其他3個(gè)滯后，輔助輸出接觸器（AOIK）還保持閉合。造成這一現(xiàn)象的原因是網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)即輔助逆變器本身停機(jī)時(shí)長(zhǎng)有一定容差。

圖3 輔助逆變器單相過流故障

成都地鐵5號(hào)線輔助逆變器的電路圖如圖4所示。由電路圖可以看出，當(dāng)其余3個(gè)輔助逆變器先停止工作，但還未斷開AOIK時(shí)，電路中的濾波電容（IOFC）相當(dāng)于連接在380 V輔助母線上的負(fù)載，最后停機(jī)的輔助相當(dāng)于帶了一個(gè)大的負(fù)載（IOFC）進(jìn)行停機(jī)，這種情況下可能會(huì)造成過流。

圖4 成都地鐵5號(hào)線輔助逆變器電路圖

2.2.3 優(yōu)化方案

為了解決輔助逆變器停機(jī)時(shí)報(bào)單相輸出過流的問題，TCMS系統(tǒng)對(duì)輔助逆變器的停機(jī)控制方案進(jìn)行了優(yōu)化：TCMS系統(tǒng)先向2個(gè)輔助逆變器發(fā)出停機(jī)指令，待收到這2個(gè)輔助逆變器的輸出接觸器閉合信號(hào)為0后，再向其他2個(gè)輔助逆變器發(fā)出停機(jī)指令。

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案后，多次進(jìn)行輔助逆變器停機(jī)試驗(yàn)，輔助逆變器均未再報(bào)輸出單相過流故障，列車運(yùn)行至今，在進(jìn)行輔助逆變器停機(jī)操作時(shí)，輔助逆變器也未再發(fā)生單相過流故障，該優(yōu)化方案有效可靠。

3 結(jié)論

在并網(wǎng)供電的模式下，在優(yōu)化并網(wǎng)控制策略，提高輔助逆變器輸出電壓質(zhì)量，減少并網(wǎng)環(huán)流產(chǎn)生的同時(shí)，也需對(duì)并網(wǎng)控制方案進(jìn)行優(yōu)化，以減少輔助逆變器的故障率。TCMS在對(duì)輔助逆變器進(jìn)行啟停控制時(shí)，需考慮并網(wǎng)供電的特性，對(duì)啟停機(jī)控制方案進(jìn)行優(yōu)化：在進(jìn)行并網(wǎng)前，須先確認(rèn)輔助逆變器已停機(jī)、且輸出接觸器已經(jīng)斷開；在停止輔助逆變器時(shí)，應(yīng)根據(jù)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)中輔助逆變器的數(shù)量和逆變器的結(jié)構(gòu)特性，采用不同的停機(jī)順序。