地鐵車輛牽引系統(tǒng)頻繁預(yù)充電問題優(yōu)化

曹 斌，張 拓

（上海阿爾斯通交通電氣有限公司，工程師，陜西 西安 710000）

牽引系統(tǒng)預(yù)充電流程的設(shè)計(jì)，主要作用是有效避免大電壓直接在上電一瞬間加在主驅(qū)逆變器上，造成逆變器損壞，提高主回路安全性［1］；但頻繁預(yù)充電會造成預(yù)充電電路中的預(yù)充電電阻由于溫度過高而損壞，造成運(yùn)營車輛出現(xiàn)牽引系統(tǒng)故障，存在救援風(fēng)險(xiǎn)［2］，降低車輛的安全可靠性。

1 牽引系統(tǒng)預(yù)充電電路原理介紹

根據(jù)上海阿爾斯通交通電氣有限公司（簡稱阿爾斯通）牽引系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)要求，主回路中的主接觸（K-IC）閉合前有一個(gè)預(yù)充電過程，作用是為了限流保護(hù)后端設(shè)備，預(yù)充電電路包括預(yù)充電接觸器（KCCC）和預(yù)充電電阻（R-CCZ）（如圖1所示）。

圖1 預(yù)充電流程原理圖

預(yù)充電電路動(dòng)作流程：（1）K-CCC閉合；（2）支撐電容（C-FL）充電電壓被）濾波電壓傳感器（A-FVMD）檢測到電壓大于900V 后KIC 閉合，而后KCCC 持續(xù)保持100 毫秒后斷開，預(yù)充電流程結(jié)束。KIC 正常斷開條件：（1）非蘑菇按鈕的緊急制動(dòng)；（2）HSCB 斷開。當(dāng)HSCB 斷開后KIC 也會主動(dòng)斷開主回路，其中HSCB斷開條件為蘑菇按鈕緊急制動(dòng)。

2 預(yù)充電問題造成的車輛狀況分析

2.1 車輛狀況

2020 年10 月22 日西安地鐵5 號線0543 車正線試運(yùn)營時(shí)出現(xiàn)全車無牽引狀況，司機(jī)現(xiàn)場進(jìn)行牽引系統(tǒng)復(fù)位以及相應(yīng)處理，處理無效后經(jīng)行調(diào)協(xié)調(diào)，將其利用后車進(jìn)行救援回庫至西江渡停車場，此次救援造成正線車輛班次混亂以及車輛延遲。

0543車輛故障救援回庫后，下載車輛TCMS 系統(tǒng)的ERM（數(shù)據(jù)記錄儀）及牽引系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)，且查看DDU（顯示屏幕）顯示狀況，如圖2所示。

圖2 DDU故障信息

2.2 圖形數(shù)據(jù)分析

圖2 中DDU 顯示2、3、4、5 車全部為預(yù)充電次數(shù)過多故障，造成救援。查看ERM 數(shù)據(jù)，對于圖形進(jìn)行了相應(yīng)細(xì)化分析，如表1所示。

表1 ERM數(shù)據(jù)分析明細(xì)

表1 可以看出，司機(jī)13 分鐘內(nèi)造成了10 次牽引系統(tǒng)預(yù)充電，其中一次自動(dòng)正常折返，一次正常司機(jī)換端，其余8 次均由于車輛司機(jī)手動(dòng)開車造成車輛沖標(biāo)，司機(jī)通過頻繁方向手柄切換進(jìn)行倒車至站臺，由于方向的切換使車輛施加緊急制動(dòng)，因而導(dǎo)致牽引系統(tǒng)的主接觸器KIC 斷開，當(dāng)方向指令二次恢復(fù)后，牽引系統(tǒng)會有一個(gè)預(yù)充電流程，因此，造成了高達(dá)8次的預(yù)充電故障，牽引鎖閉，車輛救援。

3 預(yù)充電頻繁問題分析優(yōu)化及驗(yàn)證

3.1 問題分析

3.1.1 牽引系統(tǒng)預(yù)充電次數(shù)過多故障原因分析 預(yù)充電次數(shù)過多故障報(bào)出機(jī)制為：（1）當(dāng)主接觸器KIC斷開或者高速斷路器HSCB 斷開時(shí)，牽引系統(tǒng)會記錄一次，然后當(dāng)二次條件滿足后自動(dòng)再進(jìn)行預(yù)充電過程（各條件詳見預(yù)充電電路動(dòng)作原理介紹），若15分鐘內(nèi)預(yù)充電次數(shù)超過10次，第10次會造成牽引逆變器鎖閉不工作；（2）牽引系統(tǒng)鎖閉后，要滿足15 分鐘間隔時(shí)間，進(jìn)行電阻散熱，自動(dòng)解鎖恢復(fù)；（3）系統(tǒng)鎖閉期間不能通過任何方式進(jìn)行解鎖復(fù)位。

以上預(yù)充電次數(shù)過多故障回路斷開及報(bào)出故障機(jī)制是根據(jù)：（1）鐵路國際標(biāo)準(zhǔn)EN50126-2 中關(guān)于牽引系統(tǒng)安全要求，阿爾斯通針對列車運(yùn)營過程中車輛施加緊急制動(dòng)對于牽引系統(tǒng)存在相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評估有害風(fēng)險(xiǎn)分析（PHA），PHA 中定義了主回路斷開措施要求：緊急制動(dòng)過程中必須斷開HSCB 或主接觸器K-IC；通過設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)和客戶商定以及國內(nèi)專家評估，為了確保車輛的運(yùn)營安全可靠性，牽引系統(tǒng)接收到非蘑菇按鈕的緊急指令時(shí)僅斷開KIC 即可，若條件恢復(fù)二次滿足則可進(jìn)行重新預(yù)充電動(dòng)作流程；（2）阿爾斯通公司根據(jù)預(yù)充電電阻溫升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，牽引系統(tǒng)在預(yù)充電過程中由于會使R-CCZ（預(yù)充電電阻）溫度升高，若頻繁預(yù)充電則會出現(xiàn)電阻炸裂損壞的狀況發(fā)生［3］，因此，對于存在此問題的不良后果評估進(jìn)行了相應(yīng)的軟件保護(hù)設(shè)計(jì)。

3.1.2 車輛控制電路原理分析 通過表1 分析已知曉問題原因，通過對整車原理圖分析查看，車輛在最初設(shè)計(jì)時(shí)（如圖3 所示），車輛緊急制動(dòng)控制環(huán)路中當(dāng)從前進(jìn)方向F或者后退方向R位置過0位置或到0位置，常閉點(diǎn)會變成常開點(diǎn)，車輛會施加緊急制動(dòng)，因而由于方向的切換會引起車輛施加緊急制動(dòng)，具體現(xiàn)場司控器方向手柄數(shù)據(jù)采集（如表2所示）。

表2 指令數(shù)據(jù)采集表

圖3 緊急制動(dòng)環(huán)路圖

3.2 優(yōu)化方案

3.2.1 牽引系統(tǒng)軟件優(yōu)化改進(jìn)方案及效果驗(yàn)證

考慮到車輛運(yùn)營的情況，進(jìn)行相應(yīng)的合理優(yōu)化改進(jìn)，進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化及測試驗(yàn)證，具體如下：

（1）將原本的15分鐘10次預(yù)充電鎖閉優(yōu)化修改為10鐘10次預(yù)充電鎖閉保護(hù)，放寬預(yù)充電次數(shù)時(shí)間。

（2）將原鎖閉后的15分鐘間隔時(shí)間修改為10分鐘，減少等待時(shí)間。

（3）增加提醒功能，第6 次預(yù)充電時(shí)，DDU 會顯示對話框提醒司機(jī)。

（4）增加解鎖功能，若10 次預(yù)充電鎖閉后，手動(dòng)切換至后備模式直接解鎖，避免救援風(fēng)險(xiǎn)。

以上次數(shù)及時(shí)間的確定根據(jù)電阻溫升模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M數(shù)據(jù)確定，具體如圖4所示。

圖4 電阻溫度次數(shù)測試圖

溫升測試結(jié)論：此次溫升測試是在10 分鐘內(nèi)連續(xù)動(dòng)作了11 次，每次溫度都在升高，但在第11 次時(shí)溫度剛好超出150℃（電阻溫升耐受值），因而軟件優(yōu)化為10分鐘10次。

軟件變更后上車測試效果驗(yàn)證，如圖5 所示。軟件上車現(xiàn)場測試結(jié)論和變更后功能一致。

圖5 現(xiàn)場軟件測試圖

3.2.2 車輛原理設(shè)計(jì)變更優(yōu)化方案及效果驗(yàn)證 通過車輛原理設(shè)計(jì)分析出，方向過零位置會造成緊急制動(dòng)，緊急制動(dòng)會造成主接觸器KIC 斷開而后當(dāng)預(yù)充電次數(shù)到達(dá)設(shè)計(jì)次數(shù)后，故障就會出現(xiàn)。因此針對緊急制動(dòng)環(huán)路進(jìn)行優(yōu)化，分析后給環(huán)路中增加零速繼電器常開點(diǎn)與方向手柄常閉點(diǎn)并聯(lián)（如圖6 所示），增加后車輛緊急制動(dòng)環(huán)路中，車輛位于靜止?fàn)顟B(tài)下，零速繼電器常開點(diǎn)閉合，旁路方向手柄觸點(diǎn)，當(dāng)方向手柄從F（向前）或R（向后）位置切換方向過0位置或到0位置，車輛也不會施加緊急制動(dòng)；而當(dāng)車輛行駛中零速繼電器失電后，動(dòng)作方向手柄過0 位置會觸發(fā)緊急制動(dòng)指令（行車安全考慮），具體變更后現(xiàn)場效果驗(yàn)證數(shù)據(jù)采集如表3所示。

表3 修改后指令動(dòng)作表

圖6 車輛變更原理圖

4 結(jié)論

通過對牽引系統(tǒng)預(yù)充電頻繁問題的深入分析，找出了車輛救援的主要原因，針對現(xiàn)有牽引系統(tǒng)軟件和整車原理電路設(shè)計(jì)提出了升級優(yōu)化方案，通過對方案修改的模擬實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場驗(yàn)證，結(jié)果良好，一方面，不僅可以規(guī)避人為因素造成問題的二次發(fā)生，同時(shí)即便再次出現(xiàn)頻繁故障造成牽引系統(tǒng)鎖閉，也可通過后備模式解鎖，規(guī)避掉救援的風(fēng)險(xiǎn)，提高了車輛運(yùn)營安全的可靠性；另一方面，減少主接觸器的工作次數(shù)，可延長其工作壽命。