重慶十號線輔助逆變器過流故障原因分析及解決措施

徐逸煌，彭 飛

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031；2.重慶市軌道交通(集團)有限公司，重慶 401120)

1 故障概況

重慶十號線屬于As型地鐵列車，適用于山地環(huán)境，具有爬坡能力強、轉(zhuǎn)彎半徑小、載客量大等特點[1]。重慶十號線自開通運營以來，輔助逆變器在初次上電啟動過程中發(fā)生多起過流故障，造成地鐵列車無法出庫，影響列車的行車調(diào)度安排和車輛的正常運行。

2 輔助逆變器過流故障的原因分析

2.1 輔助電源系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)及并聯(lián)技術(shù)方案

2.1.1 輔助電源系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

重慶十號線輔助電源系統(tǒng)整車配置4臺輔助逆變器(SIV)，分別位于Mp1/2車和M1/2車，各逆變器之間采用并網(wǎng)運行，系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性高，冗余度大[2,3]。輔助逆變器的主電路采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單可靠、維護方便。

2.1.2 輔助電源系統(tǒng)并聯(lián)技術(shù)方案

輔助電源系統(tǒng)采用并網(wǎng)供電方式進行工作，主要控制邏輯分為網(wǎng)絡(luò)正常和網(wǎng)絡(luò)不正常兩種工況。本文主要介紹在網(wǎng)絡(luò)正常工況下的并網(wǎng)供電工作模式。

在TCMS系統(tǒng)正常的情況下，由TCMS系統(tǒng)控制各輔助系統(tǒng)啟動順序。通常情況下，輔助變流器進行分步啟動，全部啟動后在三相母線下并行運行。主要過程如下：

(1)投入蓄電池的初始時刻，TCMS系統(tǒng)發(fā)禁止啟動命令，各輔助系統(tǒng)處于待機狀態(tài)。

(2)TCMS系統(tǒng)指定某一臺輔助系統(tǒng)為主系統(tǒng)，并發(fā)送允許啟動命令；主系統(tǒng)啟動正常后，輸出接觸器吸合，控制器會發(fā)送啟動完成狀態(tài)給TCMS系統(tǒng)；此時TCMS會按一定順序、依次間隔2s、1s、1s向其余3臺輔助系統(tǒng)發(fā)允許啟動命令；每臺從逆變器啟動完成后，其輸出接觸器吸合，并連至母線網(wǎng)絡(luò)上。系統(tǒng)全部啟動后，會在AC380V三相母線下正常運行。當某一臺輔助系統(tǒng)30s后尚未啟動，則該系統(tǒng)被隔離。

(3)當主系統(tǒng)允許啟動命令發(fā)出后6s，TCMS尚未收到啟動完成狀態(tài)，則該系統(tǒng)被隔離；TCMS指定另一臺輔助系統(tǒng)為主系統(tǒng)，向其發(fā)送啟動命令，并在收到其啟動完成狀態(tài)后，再按一定順序，依次間隔2s、1s、1s向其他輔助系統(tǒng)發(fā)送允許啟動命令。

2.2 故障原因分析

針對輔助逆變器過流故障問題，查看發(fā)生故障列車的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和故障記錄，發(fā)現(xiàn)在輔助逆變器初次啟動過程中的故障現(xiàn)象和情況一致，所以將這種在初次啟動過程中發(fā)生在不同列車上的過流故障歸為一個問題。本文分析故障數(shù)據(jù)時，以10009車為案例進行故障原因分析。

圖1為基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的故障時輔助逆變器啟動信號和接觸器狀態(tài)，從圖中可以看出，Mp1車、M1車、M2都是分別以主機單獨啟動完成，主機啟動過程中網(wǎng)絡(luò)都只給一臺逆變器發(fā)送一個低電平有效的啟動命令，因此啟動過程中始終都只有一臺逆變器在工作。

圖1 輔助逆變器啟動信號和接觸器狀態(tài)

圖2為Mp1車輔助逆變器故障記錄數(shù)據(jù)，M1/2車輔助逆變器的故障數(shù)據(jù)現(xiàn)象與Mp1車一致，在此不一一贅述。逆變器都是在輸出電壓峰值為311V左右、頻率為50Hz，即輸出正常以后報出的故障。在故障時刻輸出電流增大，輸出電壓被拉低，母線電流同時增大且方向為正(從網(wǎng)側(cè)流入逆變器)，輸出電壓和電流幾乎同相位，由此說明輸出功率為正，即輔助逆變器對外輸出功率，且輸入功率跟隨輸出功率，最大功率點達到200kW。計算輸入功率和輸出功率，兩者相差不大，表明逆變器箱體內(nèi)部沒有如此大的功率損失，所以逆變器箱體內(nèi)部沒有造成功率這么大的故障點。由于輸出功率最大達到了200kW，且逆變器能實時跟蹤輸入功率，說明逆變器箱體外部存在故障點，導致SIV輸出功率激增，AC380V中壓母線或負載側(cè)存在異常，導致輔助輸出功率瞬間增大，發(fā)生過流觸發(fā)故障保護。

(a)接觸器后端電流

2.3 調(diào)查論證

為查找故障原因，去現(xiàn)場列車上做了輔助逆變器啟動試驗。試驗車輛為10010車，整個試驗過程中空壓機均未啟動。試驗過程中，均是一升弓就啟動空調(diào)以模擬故障時刻司機的實際操作。該工況下只要輔助逆變器主機啟動完成，空調(diào)通風機就會運行，實際故障發(fā)生時均為這種工況。全列車每個客室有2臺空調(diào)，每臺空調(diào)有2個通風機，全列車客室空調(diào)共有24臺通風機。測量每列車空調(diào)柜的進線端，主機啟動完成后，空調(diào)只有通風機在運行，該方法測出的電流相當于4臺通風機的電流。

在10010車上做第一次啟動試驗時，Mp1車空調(diào)啟動電流峰值為52A(1臺通風機平均啟動電流峰值為13A)，此時Mp1車輔助輸出電流為232A，試驗波形如圖3所示。

圖3 10010車第一次啟動試驗時波形

接著，又降弓做了兩次啟動試驗，試驗波形分別如圖4和圖5所示。圖4中Mp1車空調(diào)啟動電流均為43A左右，Mp1車輔助輸出電流峰值為170A。圖5中Mp1車空調(diào)的啟動電流均為41A左右，Mp1車輔助輸出電流峰值均為170A。

圖4 10010車第二次啟動試驗時波形

圖5 10010車第三次啟動試驗時波形

綜合網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、故障記錄以及試驗采集的波形，可以得出如下結(jié)論：

(1)空調(diào)通風機的啟動特性不一致，特性較差，通風機的啟動電流幾乎都超過了額定電流的4～7倍；

(2)逆變器啟動輸出過流故障的原因確定為，在只有一臺輔助逆變器運行時，空調(diào)通風機啟動電流沖擊過大，超出了單臺逆變器的承受范圍，進而觸發(fā)過流故障進行保護。

3 解決措施

針對空調(diào)通風機啟動特性較差，啟動電流沖擊過大導致的逆變器過流故障，在空調(diào)通風機控制方面將空調(diào)通風機的啟動方式變?yōu)閮蓚€單元錯時啟動，即將全列車空調(diào)中的24臺通風機分為兩個單元，每次啟動每節(jié)車中的2臺空調(diào)通風機，那么一次啟動了一個單元的12臺通風機，全列車空調(diào)通風機分為兩次啟動，兩個單元之間啟動間隔為3s。通過上述方法升級空調(diào)控制程序后，重慶十號線列車未再發(fā)生過因空調(diào)通風機啟動特性差導致的輔助逆變器過流故障。

4 結(jié) 論

本文針對重慶十號線輔助逆變器(SIV)在啟動過程中發(fā)生過流故障問題，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、現(xiàn)場測試結(jié)果，分析了過流故障的原因，并針對該問題制定了合理的整改措施，有效地解決了該故障，保證了重慶十號線列車的正常運營。