青島地鐵車輛輔助變流器異響和充電機(jī)欠壓故障分析及對(duì)策

饒東杰 劉海濤 趙清良 饒沛南 周 帥 李志杰 熊輝明 劉呈宏 羅嗣欞 李澤庶

(1.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司， 412001， 株洲； 2.中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司， 412001，株洲∥第一作者， 工程師)

1 青島地鐵2號(hào)線列車輔助變流器的主電路拓?fù)?/h2>

輔助變流器作為地鐵列車核心裝備之一，一般安裝于車輛下部。其主要功能是將輸入的DC 1 500 V或DC 750 V高壓轉(zhuǎn)換為三相AC 380 V電壓和DC 110 V電壓，并給列車交流負(fù)載和直流負(fù)載供電。其中，交流負(fù)載主要包括空調(diào)、空氣壓縮機(jī)、電加熱和方便插座等；直流負(fù)載主要包括蓄電池、門控制系統(tǒng)、牽引輔助制動(dòng)控制系統(tǒng)、廣播、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、直流照明等。

青島地鐵2號(hào)線(以下簡(jiǎn)為“2號(hào)線”)為6節(jié)編組B型車，采用第三軌受流器供電，供電網(wǎng)壓為DC 1 500 V。每列列車共設(shè)置2臺(tái)輔助變流器，采用擴(kuò)展供電為全列列車交流負(fù)載供電。正常時(shí)每臺(tái)輔助變流器為列車的3節(jié)車輛供電，若運(yùn)行中1臺(tái)輔助變流器故障，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)會(huì)給故障輔助變流器發(fā)送停機(jī)指令并斷開其交流輸出，同時(shí)給列車空調(diào)發(fā)送減載指令，同時(shí)控制AC 380 V交流母線上的擴(kuò)展接觸器吸合，并由另外1臺(tái)輔助變流器將交流輸出擴(kuò)展至故障端的交流負(fù)載供電。整個(gè)系統(tǒng)擴(kuò)展供電框圖如圖1所示。圖1中，Tc位于列車車頭，且在車下裝載輔助變流器；M1和M2均位于列車中部，且在車下裝載牽引變流器和牽引電機(jī)。Tc、M1和M2組成1個(gè)單元，并由1臺(tái)輔助變流器供電。

注：Tc為帶司機(jī)室的拖車；M1和M2為有受流器的動(dòng)車；SIV為輔助變流器；KMK為擴(kuò)展接觸器。

2號(hào)線輔助變流器的主電路拓?fù)淙鐖D2所示，主要由輸入濾波電路、二電平逆變電路、變壓器隔離降壓電路、充電機(jī)電路等構(gòu)成。DC 1 500 V輸入高壓經(jīng)直流電抗器和直流電容器組成的LC濾波器(無(wú)源濾波器)濾波后，送至兩電平IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)逆變器逆變后輸出PWM(脈沖寬度調(diào)制)波交流電壓，再送入輸出工頻變壓器進(jìn)行電壓隔離、降壓，經(jīng)三相交流濾波器濾波得到低諧波含量的三相準(zhǔn)正弦電壓，輸出三相AC 380 V(有效值)/50 Hz電壓，從任何一相輸出線與變壓器的中性點(diǎn)之間均可得到單相AC 220 V(有效值)電壓。充電機(jī)從AC 380 V取電，經(jīng)過(guò)整流后，再經(jīng)過(guò)高頻DC/DC隔離變換，輸出DC 110 V電壓。

注：SV1為輸入網(wǎng)壓傳感器；L1為直流電抗器；KM1為短接接觸器；KM2為預(yù)充電接觸器；R1為預(yù)充電電阻；SV2為直流電容電壓傳感器；R2、R3為放電電阻；Fc為直流電容器；SC2、SC3為橋臂電流傳感器；U1、V1、W1為逆變電路輸出的三相電壓代號(hào)；T1為工頻變壓器；U2、V2、W2、N為變壓器次邊輸出電壓代號(hào)；ACC為三相交流濾波電容；TA1、TA2、TA3為三相交流輸出電流互感器；Z2為交流EMI(電磁干擾)濾波器；KMA為交流輸出接觸器；K4為風(fēng)機(jī)保護(hù)斷路器；K11、K13為風(fēng)機(jī)高速控制接觸器；K12為風(fēng)機(jī)低速控制接觸器；M1為冷卻風(fēng)機(jī)；U、V、W、N為三相交流輸出電壓代號(hào)；PT為三相交流輸出電壓變換器；QF11為充電機(jī)保護(hù)斷路器；AL為充電機(jī)輸入三相交流電抗器；KM11為充電機(jī)短接接觸器；RD1、RD2為充電機(jī)預(yù)充電電阻；AF1為充電機(jī)三相不控整流橋；SV11為充電機(jī)中間電壓傳感器；CF1、CF2為充電機(jī)中間支撐電容；A2為充電機(jī)逆變半橋；TR2為充電機(jī)高頻變壓器；AF2為充電機(jī)單相不控整流橋；DL為充電機(jī)輸出濾波電抗器；CF3為充電機(jī)輸出濾波電容；SV12為充電機(jī)輸出電壓傳感器；SC11為充電機(jī)輸出電流傳感器；SC12為充電機(jī)蓄電池傳感器；Z3為直流EMI濾波器；FU1為直流熔斷器；DBPS為應(yīng)急啟動(dòng)電源；V2、V3為二極管；Z1為控制EMI濾波器；DBPS OK為應(yīng)急電源OK信號(hào)；Stop為輔助變流器停機(jī)信號(hào)；Reset為輔助變流器復(fù)位信號(hào)； OK為輔助變流器OK信號(hào)；Start為輔助變流器啟動(dòng)信號(hào)；MVB為多功能車輛總線。

2號(hào)線從2017年底開通運(yùn)營(yíng)后，總體運(yùn)行良好，但在2019年6月開始陸續(xù)出現(xiàn)幾起輔助變流器異響故障。輔助變流器異響故障的同時(shí)會(huì)伴隨充電機(jī)模塊報(bào)出中間電壓欠壓故障(故障代號(hào)為BILV)，且?guī)靸?nèi)和正線均有發(fā)生。如果該故障發(fā)生庫(kù)內(nèi)，影響相對(duì)較小，需要啟用備用車輛保障現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)；如果該故障發(fā)生在正線，復(fù)位無(wú)效后就會(huì)啟動(dòng)擴(kuò)展供電使車輛跑完單趟行程而下線。輔助變流器異響故障會(huì)給正線運(yùn)營(yíng)造成一定的負(fù)面影響。

2 輔助變流器異響和充電機(jī)欠壓故障處理和分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)故障處理

其中1起典型故障為2號(hào)線0207車在2019年7月23日出庫(kù)前發(fā)生異響，同時(shí)司機(jī)室顯示器報(bào)出充電機(jī)中間電壓欠壓故障，對(duì)其復(fù)位后故障不消失，之后對(duì)充電機(jī)模塊進(jìn)行了更換，但更換后故障并未消除。更換充電機(jī)模塊后重新啟動(dòng)輔助變流器，站在輔助變流器所在的地板上能夠感受到明顯的振動(dòng)異響。最后懷疑是風(fēng)機(jī)導(dǎo)致的異響。對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行更換，但更換后異響仍然存在。針對(duì)該類故障，株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司派技術(shù)人員赴現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行排查。

2.2 故障詳細(xì)分析

2.2.1 軟件監(jiān)視分析

對(duì)故障輔助變流器進(jìn)行快速波形監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)每次異響時(shí)輔助變流器交流輸出接觸器(器件代號(hào)為KMA)狀態(tài)信號(hào)都存在跳變。如圖3所示的典型波形，初步推測(cè)故障輔助變流器異響是由交流輸出接觸器頻繁分合導(dǎo)致的。

重點(diǎn)關(guān)注輔助變流器狀態(tài)信號(hào)(代號(hào)為SIVOK)、交流輸出接觸器控制命令(代號(hào)為KMAC)、交流輸出接觸狀態(tài)信號(hào)(代號(hào)為KMAS)等3個(gè)數(shù)字信號(hào)。交流輸出接觸器的控制邏輯如下：

當(dāng)輔助變流器完成正常啟動(dòng)，變流器柜體內(nèi)部電壓變換器檢測(cè)到交流輸出接觸器前端的三相輸出電壓AC 380 V正常后(SIVOK置 1)，控制單元會(huì)發(fā)送交流輸出接觸器吸合命令(KMAC置1)至交流輸出接觸器，通過(guò)其閉合給交流負(fù)載(包括充電機(jī))供電，同時(shí)交流輸出接觸器會(huì)將其狀態(tài)信號(hào)(KMAS置1)反饋至控制單元。如果交流輸出接觸器控制命令發(fā)出3 s后，未收到交流輸出接觸器正常的高電平狀態(tài)(KMAS置1)反饋，控制單元會(huì)報(bào)出交流輸出接觸器卡分故障(故障代號(hào)為KMAF)。

由圖3可見，輔助變流器輸出正常后，控制單元發(fā)出交流輸出接觸器吸合命令后，交流輸出接觸器的狀態(tài)在1和0之間頻繁跳變，說(shuō)明交流輸出接觸器存在反復(fù)吸合和分?jǐn)?。因其吸合功率較大(達(dá)到1 000 W)，推測(cè)其反復(fù)吸合和分?jǐn)鄬?dǎo)致了輔助變流器的異響，同時(shí)導(dǎo)致充電機(jī)報(bào)出中間電壓欠壓故障。但由于吸合和釋放的時(shí)間間隔較短(<3 s)，未達(dá)到交流輸出接觸器卡分的觸發(fā)條件，故控制單元未報(bào)出交流輸出接觸器故障。

注：方框顯示故障時(shí)刻交流輸出接觸器狀態(tài)頻繁跳變。圖3 輔助變流器異響故障時(shí)刻波形截圖

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析

2.2.2.1 故障交流輸出接觸器KMA測(cè)試分析

采用電壓探頭分別測(cè)試交流輸出接觸器KMA控制線圈電壓、接觸器前端VW兩相之間線電壓和接觸器后端WV兩相之間線電壓，其電壓波形如圖4～5所示。

注:①為前端VW之間的線電壓；②為后端WV之間的線電壓；③為接觸器KMA控制線圈兩端電壓。

由圖4可知，輔助受流器升靴給電3次，每次故障情況均類似。前2次當(dāng)交流輸出接觸器KMA前端電壓正常后，交流輸出接觸器KMA后端電壓會(huì)由于控制線圈的頻繁得失電而導(dǎo)致其后端輸入電壓需經(jīng)過(guò)一段時(shí)間調(diào)整才會(huì)恢復(fù)到和交流輸出接觸器KMA前端電壓一致；而第3次交流輸出接觸器KMA后端電壓一直未恢復(fù)到和交流輸出接觸器KMA前端一致。

圖5為交流輸出接觸器KMA頻繁分合前、后兩端的電壓放大波形。由圖5可見，交流輸出接觸器KMA前端的電壓一直穩(wěn)定輸出AC 380 V，但由于其直流控制線圈頻繁得失電導(dǎo)致后端AC 380 V輸出斷續(xù)。在此期間，現(xiàn)場(chǎng)能感受到輔助變流器的異響。

圖5 故障交流輸出接觸器電壓放大波形截圖

2.2.2.2 故障交流輸出接觸器KMA更換前后對(duì)比測(cè)試分析

對(duì)故障交流輸出接觸器KMA更換后，重新對(duì)其進(jìn)行測(cè)試分析，其電壓波形如圖6～7所示。

由圖6可見，輔助受流器升靴給電7次，每次啟動(dòng)波形完全一致。當(dāng)交流輸出接觸器KMA前端電壓正常，且交流輸出接觸器KMA吸合后，交流輸出接觸器KMA后端輸出電壓和前端完全一致。交流輸出接觸器KMA控制線圈一直穩(wěn)定在115 V左右，未出現(xiàn)頻繁得失電現(xiàn)象。

圖6 更換故障交流輸出接觸器后電壓波形截圖

圖7為接觸器KMA正常吸合動(dòng)作前后兩端的電壓放大波形。由圖7可見，接觸器KMA前、后端的電壓波形完全一致，穩(wěn)定輸出AC 380 V；其控制線圈電壓也穩(wěn)定在DC 115 V左右，未出現(xiàn)任何跌落。在此期間，輔助變流器再未出現(xiàn)任何異響。

注:①為前端VW之間的線電壓;②為后端VW之間的線電壓;③為接觸器KMA控制線圈的兩端電壓。

2.2.3 故障器件返修分析

故障接觸器KMA返回株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司后，在接觸器試驗(yàn)室對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試分析，分析如下：

1)外觀分析。外觀檢查無(wú)損傷，自身緊固件無(wú)松動(dòng)，整體外觀未見明顯異常。

2)接觸器動(dòng)作測(cè)試。接觸器控制端通過(guò)外接DC 110 V電源，控制接觸器吸合和釋放動(dòng)作，接觸器動(dòng)作正常，其控制電壓、電流波形如圖8所示。

注：①為控制線圈電壓；②為主觸頭串入的電阻兩端電壓；③為接觸器KMA線圈電流。

3)接觸電阻測(cè)試。采用毫歐表測(cè)量接觸器輔助觸頭接觸電阻。通過(guò)接觸器吸合狀態(tài)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)一側(cè)代號(hào)為43-44的輔助常開觸頭的接觸電阻為25 mΩ，在正常范圍(<100 mΩ)內(nèi)。但接觸器另一側(cè)代號(hào)為13-14的輔助常開觸頭接觸電阻為無(wú)窮大，通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)，代號(hào)為13-14的輔助常開觸頭未動(dòng)作，存在異常。

4)異常輔助觸頭拆解分析。拆解代號(hào)為13-14的輔助觸頭盒的傳動(dòng)插銷脫落。正常情況下，該傳動(dòng)插銷應(yīng)安裝在輔助觸頭圓孔內(nèi)(緊配合)，輔助觸頭盒安裝到接觸器側(cè)面后，傳動(dòng)插銷伸入接觸器本體推板方孔內(nèi)，接觸器吸合/釋放動(dòng)作時(shí)通過(guò)插銷帶動(dòng)輔助觸頭動(dòng)作。

3 輔助變流器異響和充電機(jī)欠壓故障機(jī)理分析

通過(guò)上述分析，發(fā)現(xiàn)2號(hào)線輔助變流器異響和充電機(jī)欠壓故障主要由接觸器KMA失效導(dǎo)致的。引起接觸器工作失效的原因是輔助觸頭的傳動(dòng)插銷脫落，其詳細(xì)失效機(jī)理與接觸器KMA的控制原理相關(guān)。如圖9所示，接觸器KMA的詳細(xì)控制原理為：由于接觸器KMA的線圈吸合功率較大，無(wú)法通過(guò)控制單元進(jìn)行直接控制，控制單元通過(guò)中間繼電器K2對(duì)接觸器KMA進(jìn)行間接控制；控制單元發(fā)出接觸器控制命令后，中間繼電器K2先得電，然后通過(guò)中間繼電器K2的主常開觸頭閉合來(lái)為接觸器KMA線圈供電，進(jìn)而控制接觸器KMA吸合；接觸器KMA主觸頭吸合后會(huì)通過(guò)其代號(hào)43-44輔助常開觸頭的閉合將接觸器狀態(tài)反饋至控制單元，同時(shí)另一路通過(guò)代號(hào)13-14的輔助常開觸頭的閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)線圈吸合自鎖。

注：A、B、C、N為Z2濾波器的交流輸入的代號(hào)；A′、B′、C′、N′為Z2濾波器的交流輸出代號(hào)；A1、A2為接觸器KMA的線圈代號(hào)；RV9為過(guò)壓吸收電阻；A9為接線端子排代號(hào)；K2為中間繼電器；K3為小的交流接觸器；RV8為過(guò)壓吸收電阻；XP7指接線端子排代號(hào)。箭頭所示為接觸器線圈的自鎖保持電路。

接觸器KMA的代號(hào)13-14輔助常開觸頭盒推桿上的傳動(dòng)插銷脫落，導(dǎo)致代號(hào)13-14輔助常開觸頭不能動(dòng)作閉合。該輔助常開觸頭在實(shí)際電路中串聯(lián)于接觸器KMA的線圈控制電路中，實(shí)現(xiàn)吸合自鎖功能。若代號(hào)13-14輔助觸頭不能閉合，則線圈不能持續(xù)得電自鎖，接觸器KMA于是失電斷開。這樣控制單元又重新發(fā)送控制指令，造成接觸器KMA反復(fù)吸合又分?jǐn)?，最終導(dǎo)致輔助變流器的異響以及充電機(jī)模塊報(bào)出的中間電壓欠壓故障。

由圖10所示的充電機(jī)主電路可見，由于充電機(jī)輸入連接在輔助變流器的交流輸出后端，交流輸出電壓經(jīng)過(guò)充電機(jī)的三相不控整流橋轉(zhuǎn)換為中間直流電壓。中間直流電壓完全由三相輸入電壓決定。接觸器KMA的反復(fù)吸合和分?jǐn)嘧罱K導(dǎo)致充電機(jī)報(bào)出中間電壓欠壓故障。

注：AF1、AF2為不控整流橋。圖10 充電機(jī)電路原理圖Fig.10 Diagram of charger circuit

4 輔助變流器異響和充電機(jī)欠壓故障解決方案

綜上分析， 2號(hào)線現(xiàn)場(chǎng)輔助變流器的異響，以及充電機(jī)模塊報(bào)出的中間電壓欠壓均是由交流輸出接觸器KMA本身器件故障導(dǎo)致的。具體表現(xiàn)為：其代號(hào)13-14的輔助觸頭內(nèi)部傳動(dòng)插銷脫落，導(dǎo)致不能與主觸頭實(shí)現(xiàn)動(dòng)作同步。由此可見，該故障與風(fēng)機(jī)和充電機(jī)模塊無(wú)關(guān)。將該故障件反饋接觸器廠家，廠家針對(duì)該傳動(dòng)插銷使用中偶發(fā)脫落和接觸不良問(wèn)題，制作了專門的夾具(見圖11)用于對(duì)該傳動(dòng)插銷進(jìn)行拉拔力和壽命測(cè)試，以篩選出隱患產(chǎn)品。經(jīng)測(cè)試和篩選后的輔助觸頭未再出現(xiàn)1例類似故障。

圖11 專用夾具對(duì)輔助觸頭進(jìn)行拉拔力和壽命測(cè)試

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)2號(hào)線列車運(yùn)行期間輔助變流器異響和充電機(jī)中間電壓欠壓故障，通過(guò)軟件監(jiān)視、故障數(shù)據(jù)分析、現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)、故障件返修測(cè)試及拆解分析等手段，結(jié)合故障發(fā)生機(jī)理，確定輔助變流器異響和充電機(jī)中間電壓欠壓故障為交流輸出接觸器KMA輔助觸頭的傳動(dòng)插銷脫落導(dǎo)致。株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司聯(lián)合廠家制定了相應(yīng)的改進(jìn)措施，即通過(guò)對(duì)交流輸出接觸器增加壽命測(cè)試和拉拔力測(cè)試篩選等手段，篩掉極少數(shù)不良品。整改措施實(shí)施后2號(hào)線現(xiàn)場(chǎng)再未出現(xiàn)類似故障，徹底消除了故障隱患，保證了軌道交通的正常運(yùn)營(yíng)服務(wù)。