地鐵輔助逆變系統(tǒng)故障原因分析
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摘要:無(wú)錫地鐵1號(hào)線(xiàn)電客車(chē)安裝了兩臺(tái)輔助逆變器(SIV)系統(tǒng)輔助逆變器，近年來(lái)隨著運(yùn)行年數(shù)的增加，輔助逆變器已發(fā)生過(guò)數(shù)起故障。本文重點(diǎn)分析了其中的一起較為典型的故障。從故障現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)查分析處理、希望對(duì)相關(guān)故障處理及研究領(lǐng)域提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞:地鐵;電客車(chē);輔助逆變器;故障處理
輔助供電系統(tǒng)是將DC1500V轉(zhuǎn)換成AC380V、DC110V為車(chē)輛的12臺(tái)空調(diào)(影響乘客舒適度)，空氣壓縮機(jī)(影響安全性能)，主要設(shè)備的冷卻通風(fēng)，照明，各系統(tǒng)控制電路，列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，車(chē)載信號(hào)，通信設(shè)備及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等提供電源。無(wú)錫地鐵一號(hào)線(xiàn)地鐵列車(chē)采用四動(dòng)兩拖六節(jié)車(chē)編組配備了兩臺(tái)輔助逆變器，兩臺(tái)輔助逆變器安裝在兩個(gè)TC車(chē)即帶司機(jī)室的兩個(gè)頭車(chē)，熱備冗余。工作狀態(tài)通過(guò)車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備VCU進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)其中一個(gè)輔助逆變器發(fā)生永久性故障時(shí)，列車(chē)另外一個(gè)將自動(dòng)接替它工作，保證列車(chē)的基本負(fù)載運(yùn)行。輔助系統(tǒng)的穩(wěn)定工作影響著行車(chē)的安全性能和舒適度。因此為了確保地鐵運(yùn)行的安全穩(wěn)定，需要弄清輔助系統(tǒng)的基本工作原理和結(jié)構(gòu)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的涉及缺陷降低運(yùn)營(yíng)故障率，從而確保車(chē)輛運(yùn)行品質(zhì)。
1輔助逆變系統(tǒng)簡(jiǎn)介
無(wú)錫地鐵1號(hào)線(xiàn)采用的是時(shí)代電氣公司生產(chǎn)輔助逆變器，該系統(tǒng)具備較高的集成度。從圖1中可知，輔助逆變系統(tǒng)可按功能區(qū)分可粗略分為4個(gè)部分:控制部分:包括開(kāi)關(guān)電源插件(PSU)給各控制檢測(cè)電路供電，模擬入出插件(AIO)、數(shù)字入出插件(DIO)為逆變電路進(jìn)行信號(hào)處理、傳感器與互感器信號(hào)的采樣、信號(hào)電平轉(zhuǎn)換，逆變控制插件(INV)集成了MVB網(wǎng)絡(luò)插件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯控制、逆變電路的控制與保護(hù)等。電容充放電電路部分:由預(yù)充電電阻R1，充電接觸器KM2和短接接觸器KM1組成預(yù)充電電路。放電電路由FC于R2構(gòu)成，在五分鐘之內(nèi)可放電到50V以下。輔助逆變控制部分:1500VDC進(jìn)過(guò)預(yù)充電電路后充電到約1400VDC后開(kāi)始觸發(fā)PWM脈沖控制經(jīng)過(guò)變壓器TR1耦合后進(jìn)行LC濾波最終輸出380Vrms，頻率50HZ的交流電壓。一路給后面的空調(diào)系統(tǒng)，制動(dòng)壓縮機(jī)組供電，另一路在經(jīng)過(guò)整流，AC/DC轉(zhuǎn)換，再由TR2高頻斬波，最終輸出110VDC供蓄電池充電和其負(fù)載。應(yīng)急啟動(dòng)控制:當(dāng)蓄電池電壓低于下限值84V，或者車(chē)輛蓄電池未能正常使用，列車(chē)不能激活的情況下將通過(guò)應(yīng)急啟動(dòng)按鈕強(qiáng)制將1500VDC電壓轉(zhuǎn)換110VDC供蓄電池和控制電路使用。
2輔助逆變系統(tǒng)擴(kuò)展控制電路介紹
圖2列車(chē)輔助系統(tǒng)簡(jiǎn)圖圖3擴(kuò)展供電控制電路如圖2、圖3所示:輔助系統(tǒng)主電路的擴(kuò)展功能主要由繼電器K309，K310和接觸器K332三對(duì)主觸點(diǎn)組成，二次控制電路由K331觸發(fā)擴(kuò)展允許指令。該指令由VCU經(jīng)過(guò)DXM模塊使能。當(dāng)一臺(tái)輔助逆變器發(fā)生永久性故障時(shí)，VCU收到到該系統(tǒng)的故障信號(hào)后要求空調(diào)系統(tǒng)由正常工況轉(zhuǎn)換為降級(jí)模式工況，即切除空調(diào)系統(tǒng)一半壓縮機(jī)組(12臺(tái))。切除完成后VCU向DXM模塊發(fā)出使能信號(hào)，擴(kuò)展允許繼電器K331得電，K331得電后常開(kāi)觸點(diǎn)13/14，43/44閉合。此時(shí)假設(shè)1車(chē)的SIV故障，故障車(chē)的繼電器K310失電。非故障的SIV的繼電器K309仍然有電，將通過(guò)K310的常閉觸點(diǎn)21/22和K309的常開(kāi)觸點(diǎn)13/14形成通路，接通接觸器K332。K332得電后將通過(guò)常開(kāi)觸點(diǎn)43/44自鎖，13/14觸點(diǎn)反饋給VCU完成整改擴(kuò)展供電過(guò)程。若VCU檢測(cè)故障SIV恢復(fù)了正常工況，將停止擴(kuò)展供電。
3輔助逆變系統(tǒng)故障
3．1故障現(xiàn)象檢查判斷。2018年9月10接到行調(diào)報(bào)全車(chē)空調(diào)故障，輔助逆變電源擴(kuò)展失敗，多次分合空調(diào)列車(chē)控制空開(kāi)=61-F102，=61-F103和進(jìn)行MVB復(fù)位后故障仍然存在。列車(chē)回庫(kù)后，對(duì)空調(diào)進(jìn)行功能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)全車(chē)空調(diào)啟動(dòng)還未完成，空調(diào)馬上就停機(jī)。查看HMI屏，空調(diào)狀態(tài)未知，1車(chē)和6車(chē)的SIV在測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)偶爾都報(bào)紅故障。懷疑SIV故障引發(fā)，關(guān)掉半列車(chē)空調(diào)測(cè)試，啟動(dòng)剩余半列車(chē)空調(diào)，空調(diào)仍然不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。關(guān)掉全車(chē)11臺(tái)空調(diào)電源，留一臺(tái)空調(diào)工作，接入高壓后，一臺(tái)空調(diào)可正常工作，一旦接入第二臺(tái)空調(diào)，空調(diào)系統(tǒng)馬上停止工作。切換其他車(chē)的空調(diào)，也存在相同的故障現(xiàn)象。懷疑空調(diào)電源輔助逆變器出現(xiàn)故障，于是列車(chē)退出服務(wù)檢查輔助逆變系統(tǒng)電路。打開(kāi)一車(chē)輔助逆變器箱體發(fā)現(xiàn)1車(chē)的輔助逆變器輸出端的三相濾波電容有輕微鼓包，用手觸摸外殼，能明顯感覺(jué)到該電容器外殼溫度較6車(chē)的溫度高。于是更換該三相交流濾波電容。重啟車(chē)輛觀察，空調(diào)進(jìn)入正常工況，故障現(xiàn)象已消失。可知本次故障由于電容器的故障原因引起。對(duì)于該電容器電容值進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如下:相間電容值W-UW-VU-V容量(uf)73．1649．37155．1又根據(jù)輔助逆變器廠家提供的資料，可知正常情況下，三相交流濾波電容數(shù)值基本大小相等，約為330uf左右。各項(xiàng)三相輸出的電壓值為380VAC±5%，額定頻率50Hz±0．5%。根據(jù)電容容抗公式可知，正常情況下，相間電容等效值:XCequ=12πfc=12×3．14×50×330×10－6≈9．65Ω。在電容損壞情況下帶入公式，得到各相間的電容值如下:XCW－U=12πfc=12×3．14×73．16×50×10－6≈43．53ΩXCW－V=12πfc=12×3．14×50×49．37×10－6≈64．51ΩXCU－V=12πfc=12×3．14×50×155．1×10－6≈20．53Ω可以看出，在電容器損壞情況下，容抗已與標(biāo)準(zhǔn)值相差很大。負(fù)載電路對(duì)稱(chēng)情況下與上述容抗并聯(lián)工作，必然導(dǎo)致等效的三相負(fù)載不平衡，增加線(xiàn)路損耗。損壞的電容器產(chǎn)生電壓和電流也將出現(xiàn)高次諧波，引起負(fù)載不能正常工作。3．2故障現(xiàn)象分析。由廠家提供的輔助逆變器技術(shù)資料可知:當(dāng)一臺(tái)輔助逆變器故障時(shí)，當(dāng)三相輸出電流差值超過(guò)30%、并持續(xù)3s以上時(shí)，會(huì)有保護(hù)動(dòng)作;5s后SIV自動(dòng)重新啟動(dòng)。相同的故障在60s內(nèi)再次出現(xiàn)，SIV停止運(yùn)行而被鎖定。該SIV封鎖后，TCMS將不再收到SIV正常工作的反饋信號(hào)同時(shí)會(huì)給空調(diào)發(fā)送減載指令，TCMS確認(rèn)空調(diào)正確減載后，將發(fā)出給擴(kuò)展接觸器發(fā)出擴(kuò)展供電閉合指令。這時(shí)在HMI屏幕的通訊狀態(tài)看到故障SIV顯示紅色，正常SIV顯示綠色。擴(kuò)展成功后可看到KMK的圖標(biāo)顯示綠色。但是當(dāng)三相輸出濾波電容未完全損壞情況下，空載時(shí)系統(tǒng)不能完全輸出的三相電壓的異常。擴(kuò)展后，故障SIV處于空載狀態(tài)，這時(shí)若傳感器不能檢測(cè)到SIV輸出電壓異常超限，將給TCMS發(fā)出一個(gè)假信號(hào)即該SIV無(wú)故障。此時(shí)，TCMS根據(jù)接收到的信號(hào)認(rèn)為SIV無(wú)故障將停止擴(kuò)展供電。一旦未完全損壞的SIV帶上大負(fù)載，導(dǎo)致本來(lái)不平衡的電路出現(xiàn)嚴(yán)重的不平衡，再次導(dǎo)致本車(chē)的SIV封鎖，封鎖后就進(jìn)行擴(kuò)展供電，這樣往復(fù)循環(huán)。正常的SIV也在此期間不斷擴(kuò)展而啟動(dòng)停止。若在軟件設(shè)計(jì)的限值時(shí)間內(nèi)，達(dá)到了封鎖的次數(shù)，正常的SIV也將出現(xiàn)封鎖。這就是本次事故在正線(xiàn)上出現(xiàn)兩個(gè)SIV都爆紅且空調(diào)機(jī)組不能正常工作的原因。
4結(jié)語(yǔ)
本文主要對(duì)地鐵輔助逆變系統(tǒng)的功能和電路進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明，并對(duì)因設(shè)計(jì)選型瑕疵造成列車(chē)運(yùn)營(yíng)故障進(jìn)行了分析。要提高地鐵客運(yùn)服務(wù)質(zhì)量，就需要對(duì)車(chē)輛上的各個(gè)系統(tǒng)特點(diǎn)及多發(fā)故障進(jìn)行系統(tǒng)化總結(jié)，利用科學(xué)的手段進(jìn)行檢修排除故障隱患，旨在能在最小的時(shí)間內(nèi)查找到出現(xiàn)故障的根本原因，確保地鐵車(chē)輛的正常運(yùn)行。
參考文獻(xiàn):
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［4］無(wú)錫地鐵一號(hào)線(xiàn)電氣原理圖．
作者:承琳 胡賢令 單位:無(wú)錫地鐵集團(tuán)運(yùn)營(yíng)分公司
