廣州地鐵2號線車輛直流傳輸線故障分析及解決措施

原宇博

(廣州市地下鐵道總公司 運營事業總部 車輛中心,廣東廣州510310)

廣州地鐵2號線車輛采用4動2拖6節編組A型地鐵車輛。6節車由 A、B、C 3種車型,按照 A—B—C—C—B—A的方式組成,車輛之間以半自動車鉤和半永久牽引桿相連。其中A車是帶司機室的拖車,B車是帶受電弓和驅動電機的動車,C車是僅帶驅動電機的動車,動車結構基本相同。

本文基于2號線車輛MCM的工作原理來分析正線運營期間頻繁報直流傳輸線(OVC最大值)的故障原因,并提出相應解決措施。

1 牽引控制模塊MCM工作原理

1.1 牽引控制模塊MCM概述

MCM通過將1 500 V直流電逆變為0～1 400 V,0～120 Hz的交流電,為每節車4個并聯牽引電機提供電源,是牽引系統的核心部件。MCM由3個主要子系統組成:三相逆變器、DC電容和過壓/制動斬波器。牽引逆變器控制單元(DCU/M)用來控制和監測這3個系統。在MCM 內部有一個電源模塊,向DCU/M、門極驅動單元(GDU)和相關測量裝置如電壓傳感器、電流傳感器供電(圖1)。

1.2 DCU/M工作原理

DCU/M具有自診斷、故障診斷和存儲及自監視功能,是用來控制和監控MCM的主要部件。DCU/M 通過MVB總線與列車計算機(VTCU)進行通信,對VT CU傳來的轉矩參考值進行修正,并根據車輛狀態,如車輪直徑和空轉/滑行情況、DC電壓、電機/MCM 溫度和MCM輸出電流等,得到最佳轉矩給定值,從而控制三相逆變器的輸出。

圖1 MCM主電路圖

DCU/M的運行和停止是通過以下邏輯實現的:如果網壓正常,并且DCU/M接收到高速斷路器(HSCB)已經合上的信息,DCU/M就處于充電狀態,再接收到牽引指令,DCU/M就處于運行狀態,如圖2所示。如果DCU/M 處于非充電狀態,或者出現快速/緊急制動指令、無牽引安全反饋信號和電制動故障的任何一種情況,DCU/M就停止運行,如圖3所示。

圖2 DCU/M運行狀態邏輯圖

圖3 DCU/M運行停止狀態邏輯圖

1.3 DC電容和過壓/制動斬波器工作原理

三相逆變器內有兩相過壓/制動斬波器,均與直流電容并聯,每相輸出分別與一個制動電阻相連,如圖4所示。通過投切制動/過壓斬波器來控制DC電壓幅值。

圖4 斬波器相引腳

DC電壓的額定值為1 500 V,允許的上限值為1 800 V。MCM中有一個專門測量DC電壓的傳感器,當電壓傳感器檢測到DC電壓超過1 800 V時,DCU/M就向斬波器中的GDU發出指令,開啟制動斬波器,將能量消耗在制動電阻上。當DC電壓降到1 800 V以下時,制動斬波器關閉。當電壓傳感器檢測DC電壓超過指定公差3%,也就是超過1 850 V時,就會報直流傳輸線故障(OVC最大值),在連續3次出現此故障或者一次故障時間較長時,MCM模塊就被保護性關斷。同時,DCU/M還對制動電阻的溫度進行監控,如果制動電阻的溫度超過最大允許值,則DCU/M將切除相應制動電阻。

2 問題的提出

廣州地鐵2號線車輛于2004年投入正線運營,近兩年來列車牽引逆變器(MCM)報直流傳輸線故障(OVC最大值)次數顯著增加,據統計,從2008年開始MCM模塊報直流傳輸線測量故障的次數占所有故障次數的6%～7%,每月次數從幾次到二十幾次不等,其中2009年4月就出現20例正線直流傳輸線測量故障。由于此故障連續檢測到3次后,DCU/M將封鎖逆變器,造成列車動力下降,對地鐵運營造成了較大影響。

直流傳輸線故障(OVC最大值)多發于正線,同時伴隨制動電阻高溫,但是回庫檢查后發現車輛并沒有故障。報故障時的數據如圖5、圖6。

圖5 MCM故障診斷信息

圖6 故障時網壓檢測值

從數據可以看出,故障時列車處于制動狀態,此時檢測到的網壓為1 898 V,超出DC電壓允許的最大值1 850 V,但此時同單元另一節車檢測的電壓為1 771 V,說明故障顯示的OVC參考最大量是由于本節車網壓檢測過高引起的;由于檢測到網壓一直處于1 800 V以上,DCU/M啟動了制動斬波器,長時間工作將導致出現制動電阻過溫故障。綜上所述,直流傳輸線故障(OVC最大值)是由于網壓檢測有誤造成的。以下3種原因均可能導致網壓檢測有誤:

①電壓傳感器故障;②DCU/M板故障;③電磁干擾。

3 直流傳輸線故障(OVC最大值)原因分析

3.1 電壓傳感器和DCU/M板的故障分析

MCM模塊中的電壓傳感器采用霍爾傳感器,將待測量的電壓轉為電流信號輸出,輸出的電流信號與被測電壓之間是線性關系。但是霍爾元件的線性工作區是有一定范圍的,額定工作電壓Ue為1 500 V,其上限為1.5Ue(2 250 V),當待測電壓達到 2Ue(3 000 V)時,電流畸變將十分顯著。

因此測試時,輸入電壓選用27 V和116 V(模擬高壓)是滿足要求的。對20個報直流傳輸線故障而更換的電壓傳感器進行測試,發現只有4個電壓傳感器故障,其余16個均檢查正常,說明報直流傳輸線故障的根本原因不是電壓傳感器存在故障。

然而在測試過程中發現,不同電壓傳感器接在同一個DCU/M 板時呈現不同的輸出值,測試分別選取4個電壓傳感器與同一塊DCU/M板相連,4個電壓傳感器的零點漂移依次分別為0.17,0.18,0.08,0.07 mA(注1 mA對應30 V即1∶30比例),然后對各自轉換電壓進行比較,具體數據見表1。

表1 不同傳感器在同一塊DCU/M板的輸出電壓

測試過程中還發現,同一電壓傳感器與不同DCU/M板相連,輸出值也不相同,測試選取表1中記錄的傳感器1分別與4塊DCU/M板相連,然后對各自轉換電壓進行比較,具體數據見表2。

由于傳感器和DCU/M板本身存在測量誤差,再結合表1和表2可以得出電壓傳感器與DCU/M板之間存在匹配問題,根據以往的檢修經驗,要求電壓傳感器在±27 V電源情況下,零點漂移最大不能超過0.18 mA;裝在MCM模塊上用27 V和116 V輸入電壓測試時,實際電壓傳感器輸出值越接近輸入電壓值越好。

表2 同一傳感器在不同DCU/M板的輸出電壓比較

經驗表明,在低壓情況下越接近,高壓下實際值與DCU/M計算值也相對接近,不至于報直流傳輸線故障。

3.2 電磁干擾引發的故障分析

對部分電壓傳感器檢測后,發現對零點漂移大于0.18 mA,或者在試驗臺低壓、模擬高壓測試時與實際值相差大于2%的電壓傳感器進行裝車后,偶爾會報直流傳輸線故障,這與電壓傳感器安裝于MCM高壓工作環境,以及其內部設備的導電構件、供電電源、電感、電容和互感元件等產生干擾信號的疊加有關,電磁干擾造成了網壓檢測信號的畸變或缺失,從而導致輸出信號的不準確,畸變波形圖如圖7所示。

圖7 網壓信號畸變波形圖

4 解決措施

4.1 電壓傳感器與DCU/M進行匹配

對出現直流傳輸線故障的MCM模塊,首先對其電壓傳感器進行零點漂移檢測(不大于0.18 mA即5.4 V),另外對電壓傳感器與模塊進行配對試驗,分別裝在MCM模塊上用27 V和116 V電源(模擬高壓)進行測試,要求電壓傳感器的輸出值與PTU上顯示DCU/M實際值越接近越好,最大誤差為2%。在匹配誤差為2%的條件下,即使再生制動或網壓波動使電壓達到1 800 V,DCU顯示的電壓也才1 836 V,沒有超過1 850 V的最大允許值,就不會報直流傳輸線故障。

4.2 對電壓傳感器加裝磁環

為了降低電磁干擾對網壓檢測信號的影響,對2號線車輛電壓傳感器進行加裝磁環的改造,改造后效果明顯,正線故障率有所降低。

5 結束語

通過對電壓傳感器與DCU/M板匹配和加裝磁環的改造,有效的解決了廣州地鐵2號線車輛頻繁報直流傳輸線的故障難題。按照此匹配原則,廣州地鐵2號線對已裝車6組電壓傳感器和DCU/M板進行跟蹤,出現不正常的報直流傳輸線故障(OVC最大值)的情況大為減少,列車運行的穩定性大大提高。這為今后2號線列車處理此類故障提供了較大的參考價值,對工程設計也有一定的借鑒意義。

[1] GMC.廣州地鐵2號線車輛系統培訓教材(下)[Z].2007.

[2] CBRC.廣州地鐵2號線車輛維修手冊[Z].2004.

[3] Bombardier.廣州地鐵2號線車輛軟件描述[Z].2004.