南京地鐵車(chē)輛主熔斷器熔斷后對(duì)整車(chē)的影響研究

摘" 要：該文主要介紹南京地鐵2號(hào)線ALSTOM項(xiàng)目車(chē)型在車(chē)輛牽引系統(tǒng)中主熔斷器熔斷后對(duì)整車(chē)的影響。著重對(duì)TCMS系統(tǒng)的牽引高斷閉合授權(quán)、牽引系統(tǒng)的預(yù)充電管理邏輯進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：地鐵；主熔斷器；TCMS；高斷閉合授權(quán)；預(yù)充電

中圖分類(lèi)號(hào)：U279" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）08-0156-04

Abstract： This paper mainly introduces the impact of the main fuse blowing in the vehicle traction system of the ALSTOM project model of Nanjing Metro Line 2. Emphasis is placed on the detailed explanation of the traction high-breaking and closing authorization of the TCMS system and the pre-charging management logic of the traction system， and the corresponding design scheme is proposed.

Keywords： metro; main fuse; TCMS; high-break closing authorization; pre-charging

南京地鐵2號(hào)線于2010年5月開(kāi)始運(yùn)營(yíng)，車(chē)輛由中車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司生產(chǎn)，采用6節(jié)車(chē)編組A型車(chē)（A1-B1-C1-C2-B2-A2），其中A車(chē)為帶司機(jī)室的拖車(chē)，B車(chē)為帶受電弓的動(dòng)車(chē)，C車(chē)為不帶受電弓的常規(guī)動(dòng)車(chē)。南京地鐵2號(hào)線列車(chē)控制與管理系統(tǒng)（Train Control and Management System，TCMS）和牽引系統(tǒng)使用ALSTOM設(shè)計(jì)方案，4個(gè)牽引系統(tǒng)分別懸掛在B、C車(chē)，每個(gè)牽引系統(tǒng)各自獨(dú)立，相互之間沒(méi)有通信，全列車(chē)采用2個(gè)受流裝置分別安裝在2個(gè)B車(chē)，每個(gè)受流裝置分別為各自單元B、C車(chē)牽引系統(tǒng)提供高壓。TCMS與牽引系統(tǒng)是制約地鐵列車(chē)安全、正點(diǎn)運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵，在運(yùn)營(yíng)期間由于多次出現(xiàn)因單個(gè)牽引系統(tǒng)故障造成主熔斷器熔斷后另一個(gè)牽引鎖閉的問(wèn)題，導(dǎo)致出現(xiàn)了正線清客事件，給正線行車(chē)組織帶來(lái)了較大的安全隱患。

1" 原因分析

1.1" 事件情況介紹

2022年9月4日5時(shí)36分電調(diào)報(bào)孝陵衛(wèi)牽混所211開(kāi)關(guān)、苜蓿園牽混所213開(kāi)關(guān)跳閘，自動(dòng)重合閘成功，故障導(dǎo)致孝陵衛(wèi)至苜蓿園（不含）下行接觸網(wǎng)短時(shí)失電，苜蓿園下行0801（027+028）次司機(jī)報(bào)PCE4（Propulsion Control Electronics4）（028B）被鎖閉并伴有焦糊味，行調(diào)組織列車(chē)單弓（后弓）運(yùn)行后出現(xiàn)PCE3（028C）牽引鎖閉，后運(yùn)行至油坊橋基地下線。

2022年8月23日19時(shí)31分電調(diào)報(bào)元通至集慶門(mén)接觸網(wǎng)跳閘，自動(dòng)重合閘不成功，影響集慶門(mén)至漢中門(mén)上行（不包含）短時(shí)失電，故障區(qū)域內(nèi)有1列車(chē)2912次（029+030）。該車(chē)司機(jī)報(bào)PCE1（029B）被鎖閉，在集慶門(mén)上行清客完畢后降前弓運(yùn)行后出現(xiàn)PCE2（029C）牽引鎖閉，后運(yùn)行至苜蓿園存車(chē)線下線。

上述2起事件都是由于單個(gè)牽引系統(tǒng)故障而造成弓網(wǎng)跳閘、車(chē)輛主熔斷器熔斷。但在故障處置中發(fā)現(xiàn)，只要將故障牽引系統(tǒng)相應(yīng)的受流裝置降下后，單弓運(yùn)行時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)沒(méi)有高壓受流的另一個(gè)沒(méi)有故障的牽引系統(tǒng)鎖閉的情況。下載的數(shù)據(jù)顯示均為預(yù)充電失敗故障導(dǎo)致的牽引鎖閉。

1.2" 車(chē)輛數(shù)據(jù)分析

圖1為2022年9月4日故障時(shí)間段，車(chē)輛行車(chē)記錄儀中記錄的數(shù)據(jù)。如圖所示，列車(chē)由于028B車(chē)牽引逆變器故障導(dǎo)致接觸網(wǎng)跳閘后，該牽引逆變器被鎖閉，司機(jī)單弓運(yùn)行，在運(yùn)行的過(guò)程中出現(xiàn)了028C車(chē)牽引被鎖閉的情況。行車(chē)記錄儀數(shù)據(jù)2顯示，列車(chē)在單弓運(yùn)行時(shí)一旦出現(xiàn)牽引指令，028C車(chē)牽引系統(tǒng)高速斷路器（High Speed Circuit Breaker，HSCB）就被打開(kāi)，在HSCB被打開(kāi)3次后該牽引逆變器被鎖閉。此時(shí)出現(xiàn)了2種異常情況：①受電弓降下后，在沒(méi)有高壓的情況下，028C車(chē)非故障牽引系統(tǒng)HSCB閉合了；②028C車(chē)牽引在連續(xù)報(bào)了3次故障后被鎖閉。

圖2中分別記錄了028C（非故障牽引）與028B車(chē)（故障牽引）的牽引數(shù)據(jù)。通過(guò)比對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在司機(jī)降下故障牽引單元受電弓推牽引動(dòng)車(chē)時(shí)，028C車(chē)（非故障牽引）牽引系統(tǒng)報(bào)“預(yù)充電失敗Sup filter charging fault-short”的故障，連續(xù)報(bào)3次該故障后逆變器鎖閉。并且在故障事件的環(huán)境變量中發(fā)現(xiàn)了異常，在正常情況下，本單元的受電弓降下后牽引系統(tǒng)的前端線電壓應(yīng)該為0 V，但在數(shù)據(jù)中記錄了028B車(chē)前端線電壓為900 V左右，而028C車(chē)前端線電壓為0 V，此時(shí)028B的主熔斷器已經(jīng)熔斷了，不應(yīng)該出現(xiàn)900 V左右的電壓情況。并且，028C車(chē)已經(jīng)檢測(cè)不到前端線電壓，不應(yīng)出現(xiàn)預(yù)充電的過(guò)程。

通過(guò)比對(duì)2022年8月23日同類(lèi)型故障及其他由于牽引逆變器問(wèn)題導(dǎo)致接觸網(wǎng)跳閘的故障，發(fā)現(xiàn)了共性的問(wèn)題。只要任意單元B車(chē)的主熔斷器熔斷，并且降下故障單元的受電弓后，就會(huì)出現(xiàn)：①同故障牽引單元的C車(chē)牽引系統(tǒng)HSCB異常閉合，并且在牽引工況下出現(xiàn)預(yù)充電失敗的故障；②故障牽引系統(tǒng)的存在900 V左右的前端線電壓。

1.3" 故障的原因及影響

1.3.1" HSCB異常閉合原因分析

根據(jù)高斷授權(quán)閉合的邏輯分析，當(dāng)牽引控制器接受到來(lái)自于TCMS系統(tǒng)的HSCB閉合授權(quán)信號(hào)PCElt;igt;_CAuthClsHSCB后，牽引控制器就會(huì)閉合HSCB。而PCElt;igt;_CAuthClsHSCB信號(hào)則是判斷本單元的2個(gè)牽引任意一個(gè)有高壓存在信號(hào)，并且沒(méi)有降弓請(qǐng)求與降弓命令（脈沖信號(hào)）。通過(guò)圖2發(fā)現(xiàn)，雖然受電弓在降弓狀態(tài)，但028B的牽引數(shù)據(jù)中記錄了前端線電壓為900 V左右。因此TCMS判斷符合高斷閉合授權(quán)的條件，隨即向028B和028C發(fā)送PCElt;igt;_CAuthClsHSCB的命令，028B車(chē)由于是故障牽引已經(jīng)鎖閉，因此HSCB沒(méi)有閉合，而028C車(chē)牽引收到PCElt;igt;_CAuthClsHSCB的命令后閉合了HSCB[1]。

1.3.2" 非故障牽引逆變器報(bào)“預(yù)充電失敗”的故障原因分析

如圖3所示預(yù)充電的邏輯分析，對(duì)于牽引系統(tǒng)預(yù)充電的條件必須滿足：①高壓存在信號(hào)，該信號(hào)由前端低壓檢測(cè)器（Low Voltage Monitoring Device，LVMD）檢測(cè)到大于950 V電壓來(lái)判定。②或者受到了牽引指令，該信號(hào)由TCMS通過(guò)車(chē)輛MVB網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。③HSCB已經(jīng)閉合并且主充電接觸器（KIC）、預(yù)充電接觸器（Charging Contactor，CCC）打開(kāi)。④沒(méi)有打開(kāi)HSCB、KIC的故障請(qǐng)求。⑤沒(méi)有施加緊急制動(dòng)。雖然028C車(chē)牽引系統(tǒng)沒(méi)有檢測(cè)到高壓信號(hào)，但由于028B車(chē)的高壓值異常，TCMS已經(jīng)向本單元的2個(gè)牽引系統(tǒng)發(fā)送了高斷授權(quán)閉合信號(hào)，028C車(chē)的高斷已經(jīng)閉合，此時(shí)只要收到列車(chē)發(fā)送的牽引指令，就會(huì)進(jìn)入預(yù)充電程序。當(dāng)進(jìn)入預(yù)充電后，牽引控制器首先會(huì)閉合預(yù)充電接觸器CCC，這樣線電壓通過(guò)CCC向預(yù)充電電阻CCZ充電，當(dāng)后端線電壓檢測(cè)器（Fuse Voltage Monitoring Device，F(xiàn)VMD）檢測(cè)到電壓達(dá)到900 V時(shí)，就會(huì)閉合主接觸器KIC，斷開(kāi)CCC，完成充電過(guò)程。但由于028C車(chē)本身沒(méi)有線電壓，無(wú)法完成充電，F(xiàn)VMD沒(méi)有檢測(cè)到電壓值，因此判斷為預(yù)充電失敗[2-3]。

1.3.3" 故障牽引系統(tǒng)電壓異常的原因分析

根據(jù)圖4牽引系統(tǒng)高壓部分原理圖進(jìn)行分析，來(lái)自接觸網(wǎng)的高壓通過(guò)B車(chē)頂部高壓受流裝置，再通過(guò)主熔斷器MF（Main Fuse）1和MF2，分別向B、C車(chē)牽引系統(tǒng)提供高壓電。并且通過(guò)B車(chē)牽引系統(tǒng)高壓轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)IES將列車(chē)兩端A車(chē)的輔助系統(tǒng)的高壓母線連接在一起。牽引與輔助系統(tǒng)的高壓通過(guò)IES中的輔助二極管（Analog Driver，AD）進(jìn)行隔離，即本單元的受流裝置可以通過(guò)輔助二極管AD向輔助母線提供高壓，但由于二極管反向截止的特性，另一單元的受流裝置不能通過(guò)輔助母線向本單元的牽引系統(tǒng)提供高壓[4]。

將高壓電路簡(jiǎn)化為圖5所示的等效電路，在反向AD后串接了LVMD與高壓檢測(cè)繼電器（High Voltage Detection Relay，HVDR）的并聯(lián)電路，等效電阻值是LVMD大于反向AD，反向AD遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于HVDR。當(dāng)降下一個(gè)受流裝置后，來(lái)自另一個(gè)受流裝置的高壓在本單元B車(chē)的輔助二極管AD處反向截。通過(guò)二極管的特性，雖然電壓值在截止區(qū)，但截止區(qū)仍然有微小的電流流過(guò)。通過(guò)歐姆定律得知，AD處的壓降要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于LVMD處的壓降，此時(shí)B車(chē)的LVMD檢測(cè)到的電壓很小，無(wú)法向TCMS發(fā)出高壓存在的信號(hào)，那么B、C車(chē)的高斷閉合授權(quán)也不會(huì)發(fā)送。一旦在此狀態(tài)下，B車(chē)主熔斷器MF1熔斷，那么反向AD后電路就變成了只串接了一個(gè)LVMD，由于等效電阻值LVMD大于反向AD，此時(shí)AD處壓降變小，LVMD壓降變大，造成了LVMD檢測(cè)到較高電壓。

2" 故障驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述情況，對(duì)028C車(chē)牽引數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，降下本單元受電弓后前端線電壓值為13 V左右，緩解緊急制動(dòng)后在沒(méi)有線電壓的情況下HSCB閉合，給牽引指令后，開(kāi)始預(yù)充電CCC閉合，200 ms后由于后端線電壓沒(méi)有達(dá)到預(yù)定值，判定預(yù)充電失敗，打開(kāi)HSCB。后對(duì)028B車(chē)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，此時(shí)前端線電壓值一直停留在1 000 V左右。驗(yàn)證情況符合分析結(jié)果。

3" 問(wèn)題與解決方案

3.1" 存在的問(wèn)題

南京二號(hào)線線網(wǎng)情況較為復(fù)雜，剛性接觸網(wǎng)、柔性接觸網(wǎng)并用，地下站、地面站、高架站均有，這就使得接觸網(wǎng)壓時(shí)有波動(dòng)，對(duì)于主熔斷器的工作要求非常高，在部件參數(shù)達(dá)標(biāo)合格的情況下類(lèi)似這種主熔斷器熔斷情況還是時(shí)有發(fā)生。加之由于車(chē)輛在正線發(fā)生主熔斷器MF1熔斷后，按照目前的故障處理?xiàng)l例，司機(jī)會(huì)控制列車(chē)進(jìn)入降單弓運(yùn)行模式，并且因?yàn)槎?hào)線線路實(shí)際情況，會(huì)長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行此操作，必然會(huì)對(duì)同單元C車(chē)牽引產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，使之鎖閉。一旦發(fā)生C車(chē)牽引鎖閉，按照南京地鐵正線行車(chē)要求，即會(huì)安排車(chē)輛就近請(qǐng)客下線，這無(wú)疑擴(kuò)大了故障影響，造成市民出行不便。所以，該系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)完全不能滿足設(shè)計(jì)需求。

3.2" 解決方案

第一，車(chē)輛軟件方面：聯(lián)合法國(guó)ALSTOM公司、中車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司、南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司車(chē)輛分公司三方共同研究在高速斷路器授權(quán)閉合邏輯中增加對(duì)主熔斷器的判斷要求，使之邏輯更加嚴(yán)謹(jǐn)。

第二，部件設(shè)計(jì)方面：建議中車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司對(duì)南京地鐵2號(hào)線ALSTOM項(xiàng)目B車(chē)高壓熔斷器箱內(nèi)的高壓檢測(cè)繼電器HVDR位置進(jìn)行變更，由原先接在MF1前端改為MF1后端，這樣即使在MF1熔斷后，仍可與LVMD進(jìn)行并聯(lián)，減小了LVMD處的等效電阻。

第三，日常檢修方面：對(duì)各車(chē)主熔斷器運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)摸排，對(duì)其使用壽命時(shí)間進(jìn)行論證，優(yōu)化部件檢修方案。

4" 結(jié)束語(yǔ)

牽引系統(tǒng)是列車(chē)運(yùn)行的重要系統(tǒng)，首要考慮的是該系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，已經(jīng)出現(xiàn)故障后的安全性。南京地鐵2號(hào)線在出現(xiàn)B車(chē)主熔斷器MF1熔斷后會(huì)影響C車(chē)牽引功能，鑒于此故障對(duì)列車(chē)安全性帶來(lái)重大影響，因此對(duì)控制與管理邏輯進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過(guò)對(duì)改進(jìn)后運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)的比對(duì)與跟蹤，該設(shè)計(jì)方案可以有效地解決上述問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

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