地鐵車輛電氣系統(tǒng)中牽引及輔助系統(tǒng)故障檢修研究

翟好璟

（成都中車四方軌道車輛有限公司，四川成都 610101）

0.引言

地鐵作為城市交通體系的重要構(gòu)成，支持城市居民的正常出行，影響著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電氣系統(tǒng)作為地鐵運(yùn)行的核心構(gòu)成，其穩(wěn)定性極為重要。電氣系統(tǒng)中牽引和輔助系統(tǒng)故障發(fā)生率較高，需要采取對應(yīng)的檢修策略，以保證地鐵的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.地鐵車輛電氣系統(tǒng)中牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)時需滿足部分故障狀態(tài)下，能保證列車安全。假設(shè)地鐵牽引系統(tǒng)故障，損失1/4牽引動力，在一定荷載量范圍內(nèi)，列車可以自動啟動運(yùn)行至終點(diǎn)。假設(shè)坡度為3‰，曲線半徑為150m，啟動加速度極限值為0.3km/h/s，若車輛超過啟動加速度可以正常啟動。牽引系統(tǒng)故障造成1/4動力損失后，列車加速度超過0.312m/s2時，才能保證穩(wěn)定運(yùn)行。在動力損失和超載情況下，列車可以在軌道上啟動運(yùn)行至鄰近車站，最大程度保障地鐵運(yùn)行安全。

2.地鐵車輛輔助系統(tǒng)中牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

地鐵輔助電源系統(tǒng)由輔助逆變器作為主電路供電，從供電啟動至負(fù)載完全正常供電控制在10s之內(nèi)，輔助供電系統(tǒng)可以承受地鐵通過絕緣分段電壓以及電流的沖擊，輔助逆變器和蓄電池采取IGBT技術(shù)，使用微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)和保護(hù)，在規(guī)定條件下，保證電流和電壓穩(wěn)定，不會出現(xiàn)振蕩。輔助逆變器輸入線設(shè)置了熔斷器保護(hù)，一旦遇到緊急情況，蓄電池可緊急啟動。輔助系統(tǒng)連接高壓母線，高壓母線可以給輔助系統(tǒng)供電，電源功能和輔助系統(tǒng)供電互相聯(lián)鎖，地鐵在任何時候只有一種供電方式[1]。

3.地鐵車輛電氣系統(tǒng)中牽引系統(tǒng)的故障檢修分析

3.1 牽引系統(tǒng)常見故障

（1）過流保護(hù)故障，如超載運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致牽引系統(tǒng)故障。在上下班高峰時間段，地鐵車輛處于負(fù)荷異常狀態(tài)，電氣系統(tǒng)出現(xiàn)電壓和電流的波動，都會引發(fā)牽引系統(tǒng)過流過載保護(hù)，進(jìn)而影響電氣系統(tǒng)正常運(yùn)行。（2）非金屬短路故障。地鐵車道沒能充分排水，會引發(fā)電氣系統(tǒng)非金屬短路故障。在三軌供電系統(tǒng)中最常發(fā)生，主要為帶電體放電導(dǎo)致短路故障，最典型的是第三軌對地面放電[2]。

3.2 檢修方法

以某市地鐵運(yùn)營出現(xiàn)的非金屬短路故障為例，地鐵在運(yùn)行中出現(xiàn)異常響動，車輛管理系統(tǒng)通報(bào)故障，復(fù)位牽引系統(tǒng)后仍然無法解決，需要隔離地鐵牽引系統(tǒng)才能處理。若牽引系統(tǒng)損失過大，要進(jìn)行全面檢查，避免地鐵車輛拋錨，引發(fā)緊急事故。

如圖1所示為該地鐵牽引系統(tǒng)的主要設(shè)備，為保護(hù)牽引系統(tǒng)，斷開線路接觸器、制動斬波，關(guān)閉閘極，斷開高速斷路器，同時報(bào)紅色故障，對上述情況進(jìn)行排查。（1）檢查牽引系統(tǒng)外觀，是否發(fā)現(xiàn)明顯接地點(diǎn)。（2）對牽引系統(tǒng)展開絕緣測試，確認(rèn)設(shè)備是否出現(xiàn)多點(diǎn)接地以及設(shè)備接地的問題，避免接地故障影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，甚至引發(fā)觸電事故。（3）檢查接觸器以及斷路器，檢查接地瞬間大電流是否對設(shè)備造成燒毀，通過目測結(jié)合布線分析的方式進(jìn)行排查。檢查隔離開關(guān)箱體，查看開關(guān)是否出現(xiàn)異常情況，斷開501線纜，對線纜至高速斷路器開關(guān)進(jìn)行絕緣測試，并對濾波電抗器進(jìn)行短接、對高速斷路器斷開，并進(jìn)行絕緣測試[3]。短接端子進(jìn)行絕緣測試要檢查絕緣值是否處于正常范圍中，經(jīng)過排查后可以確定接地點(diǎn)。這類接地故障主要是由于濾波電抗器接線盒中有異物進(jìn)入、制動電阻有異物進(jìn)入以及濾波電抗器受到絕緣擊穿。

圖1 牽引系統(tǒng)主要設(shè)備圖

3.3 處理措施

針對過流保護(hù)故障，可利用列車的“復(fù)位按鈕”，消除控制開關(guān)跳閘故障，復(fù)位后重新啟動列車即可排除故障。針對上述案例中的非金屬短路故障，主要采取以下措施進(jìn)行處理：對于濾波電抗器受到絕緣擊穿問題，需要增加濾波電抗器檢修頻率以及范圍，并注意對濾波電抗器運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，預(yù)防絕緣擊穿問題再次發(fā)生。針對接線盒有異物進(jìn)入的問題，需要更換為全封閉式接線盒。針對制動電阻有異物進(jìn)入問題，要求完善軌行區(qū)運(yùn)行環(huán)境，在日常檢修工作中注意定時清理設(shè)備異物，重點(diǎn)對不完全封閉設(shè)備展開檢查和清潔。對于線路接觸器以及高速斷路器出現(xiàn)的斷合、極容易出現(xiàn)拉弧燒毀的問題，需要擴(kuò)大檢修范圍，增加檢修次數(shù)進(jìn)行檢查，保證地鐵能夠穩(wěn)定運(yùn)行。在處理故障后，檢修人員需要詳細(xì)記錄故障位置以及信息，進(jìn)一步分析，準(zhǔn)確確認(rèn)故障的方位，找出故障原因。

4.地鐵車輛電氣系統(tǒng)中輔助系統(tǒng)的故障檢修分析

4.1 輔助系統(tǒng)特點(diǎn)

地鐵電氣系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)主要包括蓄電池、充電機(jī)、逆變模塊等。蓄電池由電池單元構(gòu)成，要通過斷開接觸器進(jìn)行保護(hù)，促使蓄電池和負(fù)載保持隔離狀態(tài)。充電機(jī)模塊作為電氣輔助系統(tǒng)的組成部分，能夠有效滿足地鐵對直流電的需求。逆變器作為地鐵的輔助逆變器，可以從架空接觸網(wǎng)接收電能，輔助系統(tǒng)故障會嚴(yán)重影響輔助功能發(fā)揮。例如，輔助逆變器故障會影響列車內(nèi)器件的正常供電，導(dǎo)致列車照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)失效，電客車不得不停止運(yùn)營。

4.2 輔助系統(tǒng)常見故障

（1）IGBT器件故障。若出現(xiàn)IGBT異常，逆變器模塊會失去效果，根本原因在于設(shè)計(jì)電氣系統(tǒng)時未注意對電氣系統(tǒng)的保護(hù)，IGBT器件容易出現(xiàn)故障[4]。（2）電容器故障。地鐵逆變器中包含濾波電容器，能夠穩(wěn)定運(yùn)行電壓。電容器在工作過程中可能破壞氧化膜，造成電容器故障的發(fā)生。（3）參數(shù)性故障。在輔助系統(tǒng)中元件參數(shù)出現(xiàn)容差，其變化量超過容差，元件會發(fā)生故障。發(fā)生故障后會對輸出指標(biāo)產(chǎn)生影響，還會對輔助系統(tǒng)安全性產(chǎn)生負(fù)面影響，引發(fā)嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。常規(guī)檢查多進(jìn)行結(jié)構(gòu)性故障排查，對于參數(shù)性故障存在一定忽略。

4.3 檢修方法

首先，要建立TCMS網(wǎng)絡(luò)，采集輔助系統(tǒng)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳至TCMS網(wǎng)絡(luò)中，找到解決故障的方法，從而得到相匹配的診斷網(wǎng)絡(luò)，以有效解決系統(tǒng)故障?；赥CMS網(wǎng)絡(luò)計(jì)算數(shù)據(jù)，能夠根據(jù)數(shù)據(jù)異常情況分析故障成因，對故障位置進(jìn)行定位，從而進(jìn)一步處理故障。其次，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)動態(tài)化檢修，有效判斷輔助系統(tǒng)發(fā)生的故障。根據(jù)地鐵電氣系統(tǒng)相關(guān)信息樣本，將采集的信息輸送至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行ANN訓(xùn)練。訓(xùn)練過程中制定科學(xué)合理的解決方案，便于有效獲取診斷網(wǎng)絡(luò)，給故障檢修提供參考。網(wǎng)絡(luò)動態(tài)化診斷本質(zhì)上是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模擬，根據(jù)不同故障的表現(xiàn)和特點(diǎn)進(jìn)行預(yù)先處理，并將計(jì)算結(jié)果作為診斷依據(jù)，輔助檢修人員實(shí)現(xiàn)動態(tài)化檢修工作。

4.4 處理措施

針對IGBT器件故障及電容器故障，運(yùn)維人員應(yīng)重新更換IGBT器件與電容器。針對參數(shù)性故障，以某市地鐵為例。該地鐵電容儲電能力降低造成逆變器負(fù)載能力減弱。負(fù)載增加會出現(xiàn)直流回路欠電壓，持續(xù)損壞電容，甚至出現(xiàn)電壓震蕩，嚴(yán)重?fù)p傷逆變模塊。參數(shù)性故障不易察覺，檢修時電容數(shù)據(jù)顯示正常，故障較為隱蔽。利用MATLAB/SIMULINK軟件進(jìn)行仿真模擬，對逆變系統(tǒng)逆變部分進(jìn)行分析。仿真參數(shù)要求和實(shí)際參數(shù)相同，逆變器輸出電感0.25mH，2mΩ。負(fù)載為6.2Ω，濾波電容參數(shù)為3個78F經(jīng)1個0.5F。IGBT逆變橋載波參數(shù)為6kHz，空占比為0.95，載波比為12，直流電壓為650V。根據(jù)仿真分析結(jié)果，濾波電路器截止的頻率為1140Hz，超過1140Hz頻段迅速衰減。由于電容發(fā)生變化，使得濾波器對濾波產(chǎn)生的抑制作用也發(fā)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致總諧波失真，使用軟件對不同容差對電壓幅值的影響進(jìn)行分析，如表1所示。

表1 不同電容差下電壓幅值和THD值的變化

根據(jù)仿真分析結(jié)果，電容差改變并未對電壓幅值造成明顯變化。耳尖電容差減少，THD值也會顯著減小。電容差減小時，THD值逐漸減小，諧波分量會顯著減小，在電容差減小至-30%時，電壓THD值也會顯著低于5%規(guī)定范圍，但變化并不明顯。在電容差為-30%時，產(chǎn)生諧振較多，會影響電壓負(fù)載。一旦負(fù)載超過允許范圍，輔助逆變器發(fā)生故障。排查輔助系統(tǒng)故障可積極使用MATLAB/SIMULINK軟件進(jìn)行仿真分析，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)參數(shù)性故障，有利于故障排查和維修。

5.地鐵電氣系統(tǒng)檢修策略的優(yōu)化

5.1 定期進(jìn)行狀態(tài)檢修

在傳統(tǒng)電氣系統(tǒng)檢修工作中，根據(jù)檢修計(jì)劃按部就班地檢修，檢修方法落后，長此以往，檢修人員工作積極性顯著降低，責(zé)任心降低，甚至出現(xiàn)漏診問題，不利于檢修質(zhì)量和地鐵運(yùn)行安全。因此，需要采取更靈活的檢修方式，善用信息手段，減少檢修人員的工作量。采取狀態(tài)檢修方式，以地鐵電氣系統(tǒng)運(yùn)行情況作為基礎(chǔ)展開檢修，采集電氣系統(tǒng)實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行檢測分析，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)診斷。根據(jù)設(shè)備情況安排檢修工作，狀態(tài)檢修以監(jiān)控電氣系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)作為故障的評估標(biāo)準(zhǔn)，狀態(tài)檢修可減少日常檢修工作的投入，節(jié)約人力和物力，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。狀態(tài)檢修的根本目的在于事前控制，提前察覺故障，預(yù)防故障的發(fā)生，主要對變壓器、變電柜等設(shè)備展開監(jiān)控，能夠第一時間發(fā)現(xiàn)異常。電氣系統(tǒng)狀態(tài)檢修主要可以分為監(jiān)控、診斷、決策、實(shí)施檢修、評價(jià)5個部分，是以保證地鐵可靠運(yùn)行作為目的展開。通過調(diào)度管理系統(tǒng)快速做出決策，安排檢修工作，并根據(jù)檢修結(jié)果對故障和狀態(tài)檢修效果進(jìn)行評價(jià)。

5.2 定期組織檢修人員培訓(xùn)

提高檢修人員專業(yè)素養(yǎng)是提高檢修水平的關(guān)鍵，定期組織檢修人員培訓(xùn)能夠讓其學(xué)習(xí)理論知識和實(shí)踐技能，提高其職業(yè)道德。在培訓(xùn)中要圍繞狀態(tài)檢修的模式，指導(dǎo)檢修人員靈活使用計(jì)算機(jī)軟件輔助檢修工作，提高檢修效率。積極使用管理手段建立良性競爭，使用績效獎金方式激勵檢修人員，提高積極性。完善考核制度，將檢修績效、成果和檢修人員工資結(jié)合，激發(fā)檢修人員的動力。

5.3 充分挖掘電氣系統(tǒng)數(shù)據(jù)

首先，需要檢修人員在工作期間注意對電氣系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)以及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行收集整理，詳細(xì)記錄故障特征以及維修操作，建立設(shè)備臺賬，完善記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。其次，將電氣系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，制定更適合狀態(tài)檢修的方案，針對故障高發(fā)設(shè)備提高檢修頻率，對存在缺陷的設(shè)備采取跟蹤檢測，對于新設(shè)備、無缺陷和故障部件，可減少檢修頻率。最后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行檔案式管理，有專業(yè)工程師對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，善用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及仿真分析等，評估各部件的運(yùn)行狀態(tài)，從而優(yōu)化檢修方案，實(shí)現(xiàn)預(yù)防性檢修工作，最大程度上降低故障發(fā)生率，保證地鐵穩(wěn)定運(yùn)行。

6.結(jié)語

地鐵車輛結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦發(fā)生故障將產(chǎn)生嚴(yán)重影響，造成乘客出行障礙。常規(guī)無法控制故障影響，尤其是電氣系統(tǒng)故障，容易引發(fā)安全事故，威脅地鐵運(yùn)行安全。因此需要提高電氣系統(tǒng)檢修水平，實(shí)現(xiàn)事前控制，預(yù)防故障的發(fā)生。從牽引和輔助系統(tǒng)兩個方面分析故障特征，加強(qiáng)對檢修人員培訓(xùn)，掌握常見故障種類，注意對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的收集，采取狀態(tài)檢修，對不同設(shè)備采取差異化檢修頻率，預(yù)防故障的發(fā)生。