鄭州地鐵1號線牽引紅點典型故障案例分析及對策

葛 飛，李 峰

（鄭州地鐵集團有限公司運營分公司，鄭州 450018）

鄭州地鐵1號線共55列車，采用4動2拖6編組B型地鐵車輛，列車網(wǎng)絡控制采用某公司開發(fā)的SIBAS G 32系統(tǒng)，整列車各網(wǎng)絡設備之間通過多功能車輛總線MVB建立通訊。牽引系統(tǒng)采用緊湊型逆變器，可為列車提供動力，實現(xiàn)列車牽引及電制動功能。

牽引系統(tǒng)作為一個相對獨立的系統(tǒng)，通常若某部件發(fā)生故障，僅導致牽引圖標異常及高斷無法閉合，不會導致其他多種故障現(xiàn)象。文中介紹了典型牽引圖標紅點故障的同時伴隨著多種異常故障現(xiàn)象，通過深入分析，研究各故障之間的關聯(lián)，查明故障點，為地鐵維保人員處理類似故障提供參考。

1 牽引系統(tǒng)組成及特點

牽引系統(tǒng)主要有受電弓、高壓箱、牽引箱、牽引電機等組成。

高速斷路器采用某品牌的UR6-32TD型產(chǎn)品，該產(chǎn)品具有空氣自然冷卻、檢測線路短路狀態(tài)、分斷過程中能夠快速熄滅過電壓產(chǎn)生的電弧。其主要作用是負責列車高壓的通斷、檢測過載電流，保護牽引系統(tǒng)后續(xù)各部件，高速斷路器輔助觸點受TCU的控制和監(jiān)測。

牽引箱內(nèi)主要元器件有線路接觸器、預充電接觸器、電抗器、電容器、牽引逆變器（CIU）、牽引控制單元（TCU），其中CIU包含ICU、電壓傳感器、電流傳感器等，牽引箱主要作用是將高壓直流電源分斷、穩(wěn)定直流中間回路電壓、吸收浪涌電壓、逆變輸出1個幅值和頻率可變的三相交流電，以驅(qū)動牽引電機。其中TCU主要負責牽引系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、故障記錄、數(shù)據(jù)存貯；CIU主要負責控制和保護牽引逆變器，將直流回路電壓、電機相電流、逆變器電壓和電流進行檢測，并對IGBT產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，檢測逆變器狀態(tài)、存貯故障數(shù)據(jù)，通過CAN總線與TCU建立通訊；

牽引電機采用鼠籠式三相異步電機，無速度傳感器，自通風冷卻，為列車提供所需要牽引力和電制動力，從而實現(xiàn)列車的加速和減速控制。

整個牽引系統(tǒng)由TCU通過MVB總線與列車網(wǎng)絡系統(tǒng)進行通訊，牽引系統(tǒng)中任何部件故障，HMI均可顯示當前牽引系統(tǒng)狀態(tài)，同時中央控制單元將存儲狀態(tài)信息。

2 典型故障分析

某日0114正線運行過程中產(chǎn)生3車牽引圖標顯紅、高斷合燈不亮、高斷分合無效，列車依次降級至NRM均無法動車，操作緊急牽引清客退出服務，該故障造成多列車晚點，其中最大晚點590 s。列車回庫檢查不僅發(fā)現(xiàn)“牽引圖標顯紅、牽引系統(tǒng)嚴重故障在01143車”故障現(xiàn)象，而且還發(fā)現(xiàn)“VCU緊急制動、降弓狀態(tài)下HMI顯示網(wǎng)壓1 600 V、HMI仍顯示列車速度36.667 km/h、司機室未占有時HMI常亮”異常故障現(xiàn)象。

2.1 牽引系統(tǒng)嚴重故障分析

由列車控制邏輯［1］可知，ICU供電異常、CAN通信異常將導致ICU與TCU通信異常，進而導致牽引系統(tǒng)嚴重故障。緊湊型逆變器CIU主要有電壓傳感器（A95）、IGBT、ICU組成，如圖1所示。A95主要是將檢測到的直流線電壓經(jīng)過內(nèi)部比例運算輸出1個小電壓和ICU輸出電壓進行對比和修正，通過外接XI插頭和ICU進行通信，ICU作為CIU的核心部件，主要負責牽引逆變單元的監(jiān)測和控制，整個CIU控制回路供電由外圍設備牽引系統(tǒng)電源模塊提供、與外部通信通過CAN總線進行。

圖1 緊湊型逆變器

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)為ICU供電顯示指示燈異常，ICU供電回路主要有電源模塊、繼電器、接線及端子排組成，另ICU外圍接口電壓傳感器異常導致ICU供電異常。通過接線檢查及部件對調(diào)的方式確定為電壓傳感器異常。當電壓傳感器故障時，不能監(jiān)測到正常電壓，發(fā)送錯誤信號至ICU，進而使得ICU供電異常、狀態(tài)異常。

2.2 VCU緊急制動

當發(fā)生列車速度大于88 km/h、離開站臺60 m內(nèi)車門被打開、司機臺未占有、方向指令錯誤、總風壓力低、電空制動力不足、緊急停車按鈕按下任意一個都將導致VCU緊急制動。故障時刻VCU數(shù)據(jù)顯示“主VCU緊急制動及太少制動力而施加制動”，該故障信息對應于VCU緊急制動中電空制動力不足。

當列車給出的制動力不足以使列車減速到預設的速度時，VCU檢測到速度超過預設速度后處于安全考慮將施加VCU緊急制動。VCU緊急制動是緊急制動中重要因素之一，通過VCU緊制繼電器=22-K88得失電情況控制列車緊急制動指令施加與緩解，=22-K88常閉觸點21、22串接于緊急制動指令回路中。正常情況無VCU緊急制動時，該繼電器不得電，常閉觸點閉合，緊急制動指令回路導通，緊急制動緩解，當發(fā)生VCU緊急制動時，該繼電器得電，常閉觸點斷開，緊制環(huán)路失電，列車施加緊急制動。因VCU緊急制動來自網(wǎng)絡，為最大程度減小列車故障對運營服務的影響，可操作緊急牽引，旁路=22-K88常閉觸點21、22，列車可正常牽引。緊急制動部分電路圖［2］如圖2所示。

圖2 緊急制動部分電路圖

2.3 降弓狀態(tài)下HMI顯示網(wǎng)壓1 600 V

HMI顯示網(wǎng)壓控制邏輯如圖3所示，正常情況下，降下受電弓后，HMI顯示網(wǎng)壓為0 V，受電弓升起后網(wǎng)壓來自4個輔助逆變器，當4個輔助逆變器故障后，網(wǎng)壓采集4個牽引箱，通過電壓信號追蹤，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)壓來自3車牽引箱，即3車TCU記錄網(wǎng)壓信號異常。

圖3 網(wǎng)壓控制邏輯

2.4 HMI顯示速度為36.667 km/h

鄭州地鐵1號線牽引電機無速度傳感器，僅在軸端裝有制動速度傳感器，雖牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)是相互獨立的，但兩者可通過網(wǎng)絡系統(tǒng)連接在一起。制動速度傳感器將監(jiān)測到的角速度依次經(jīng)過制動控制單元BCU、多功能車輛總線MVB、VCU發(fā)送至TCU。TCU中存儲列車初始角速度NUV、初始車輪直徑Dmax、當前車輪直徑D、經(jīng)過式（1）得出當前線速度，即HMI顯示速度。

式中：V為列車線速度，km/h；D為當前車輪直徑，取值828.98 mm；Dmax為初始車輪直徑，取值840.03 mm；NUV為原始角速度，取值0.754 7 Hz；N為當前角速度，取值49.237 Hz。

因列車回庫停穩(wěn)后，列車實際速度為0，說明此時HMI顯示速度為異常速度信號，通過某公司專用軟件追蹤該角速度發(fā)現(xiàn)，2車TCU當前角速度異常，其他3節(jié)車當前角速度均為0 Hz，由此判定2車TCU存儲速度信息異常。

2.5 司機室未占有時HMI常亮

正常情況下，庫內(nèi)列車停穩(wěn)，主控鑰匙處于“on”位，司機室HMI點亮；主控鑰匙處于“off”位，HMI無顯示。HMI網(wǎng)絡控制邏輯如圖4所示，零速信號為置位信號，兩端司機室占有信號互為復位信號，當網(wǎng)絡未收到零速信號時，置位信號為0，若兩端司機室主控鑰匙均處于“off”，則兩端復位信號均為0，此時HMI執(zhí)行上一個主控鑰匙占有時的狀態(tài)。

圖4 HMI網(wǎng)絡控制邏輯

故障發(fā)生在列車運行過程時，司機室處于占有狀態(tài)，HMI點亮，因網(wǎng)絡未收到零速信號，因此拔下主控鑰匙，HMI處于常亮狀態(tài)。

綜上，5個故障現(xiàn)象表面上沒有呈現(xiàn)出直接關系，但深入研究分析后，它們之間還是有共同點的。首先，牽引電壓傳感器故障導致ICU供電異常，進而導致牽引圖標顯紅，同時在輔助逆變器不工作的情況下，牽引電壓傳感器采集網(wǎng)壓，經(jīng)ICU到TCU輸出顯示在HMI中，當受電弓降弓后且牽引電壓傳感器故障情況下，ICU與TCU通信異常，此時TCU正常應該輸出0 V電壓，但故障時刻輸出異常電壓，由此判定TCU內(nèi)存在異常網(wǎng)壓值。其次，VCU緊急制動是因為網(wǎng)絡檢測到列車制動能力未達到預設速度值，HMI常亮是因為網(wǎng)絡未收到零速復位信號，這些異常故障現(xiàn)象均與列車存在異常速度有關，通過分析發(fā)現(xiàn)異常速度來自于TCU。綜合以上分析可以得出，牽引電壓傳感器故障是導致牽引圖標顯紅的直接原因，TCU存貯異常網(wǎng)壓信號、異常速度信號是導致異常故障現(xiàn)象的根本原因。

3 改進措施

分析TCU控制邏輯發(fā)現(xiàn)，列車運行過程中TCU應實時更新網(wǎng)壓、速度、轉(zhuǎn)矩、溫度等信息，當TCU和ICU網(wǎng)絡通訊中斷時IN2信號為0，導致TCU無法更新數(shù)據(jù)，網(wǎng)壓、速度等保持在故障時刻狀態(tài)信息，TCU實時更新數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 TCU軟件實時調(diào)用S10子程序

針對該問題，與某公司溝通，可通過升級TCU軟件解決，升級后無論TCU和ICU網(wǎng)絡通訊是否中斷，TCU均可實時更新數(shù)據(jù)。通過這一舉措解決該典型故障，且經(jīng)過驗證運營良好，有效提高了鄭州地鐵1號線運營服務質(zhì)量。

4 結(jié)束語

文中深入分析牽引紅點典型故障案例，分析研究多種異常故障現(xiàn)象發(fā)生原因，最終查明導致多種異常故障的原因是牽引控制單元軟件邏輯缺陷。牽引系統(tǒng)作為列車關鍵系統(tǒng)之一，若該系統(tǒng)發(fā)生故障，影響是較大的，有必要歸納總結(jié)牽引類故障處理方法，文中介紹了故障處理分析方法及思路，為城市軌道交通行業(yè)內(nèi)處理牽引類故障提供相應的思路。