廣州地鐵A2、A3型電客車充電機帶負載能力異常處理分析及整改措施

王樂天

（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州 510310）

1 概述

廣州地鐵A2、A3型電客車是由長客龐巴迪公司生產的4動2拖六節編組地鐵車輛，現主要應用于廣州地鐵一、八號線。蓄電池充電機全列車共有兩個，為列車提供直流電源，同時為蓄電池充電。正常情況下兩個充電機同時工作，當其中一個充電機故障時全列車直流電源單獨由正常充電機提供。現正線運營時司機發現在其中一端充電機報故障停止工作時，列車蓄電池電壓表電壓值直線下降。最終列車在最近站點清客后進入存車線退出服務。如司機發現問題稍晚，則最終將造成列車進行區間清客、救援，對地鐵線網正線運營將帶來極大影響。

本文基于充電機的工作方式及工作原理對以上故障進行分析并確定故障原因。并根據故障檢查中發現的問題對后續列車檢查規程、檢查方式提出相應的改進措施并取得良好效果。

2 蓄電池充電機工作方式及工作原理

2.1 蓄電池充電機工作方式

廣州地鐵A2、A3型電客車采用冗余設計，在兩個拖車車底各裝配了一個蓄電池充電機。蓄電池充電機由接觸網提供DC1 500 V電源，通過逆變、整流電路最終輸出DC 110～126 V電壓。其為列車控制診斷系統、110 V控制系統、照明系統等直流負載提供必須的直流電源，同時為列車蓄電池充電。當兩個充電機均正常工作時，由兩個充電機同時為列車供電。當其中一個充電機報故障停止工作時，則由正常充電機單獨為列車所有低壓直流負載提供電源。

2.2 蓄電池充電機工作原理

廣州地鐵A2、A3型電客車充電機直接由接觸網供電，在其輸入端與接觸網之間沒有預充電裝置，也沒有將充電機與接觸網之間斷開的接觸器。只要列車受電弓與接觸網連接，直流輸入電壓直接通過保險絲與充電機相連。

當列車激活后充電機控制微處理器由列車蓄電池供電啟動，充電機進入準備工作狀態。當微處理器檢測到列車接通DC1 500 V后發出逆變啟動信號。充電機啟動后將在2 s內進入到滿負載工作狀態。

在充電機啟動階段及正常工作過程中，其控制微處理器通過充電機內部電壓傳感器、電流傳感器等檢測模塊檢測充電機狀態，并通過RS232、RS485接口與列車控制診斷系統相連。當微處理器檢測到故障時向列車控制診斷系統發出故障信號并生成相應的故障代碼。充電機電路簡圖如圖1所示。

圖1 充電機電路簡圖

充電機逆變整流電路簡圖如圖2所示。輸入濾波器包括扼流圈L1，L2和電容 C1，IGBT TR1和TR2是調壓逆變器的開關，該調壓逆變器提高輸入電壓至超過電容C3和C4端電壓的直流連接電壓。TR3至TR6之間形成一個換流器，其轉換頻率為1 kHz，通過后級整流器和電容器輸出恒定的直流電壓。

3 故障分析及處理

3.1 充電機測試檢查

故障列車回庫檢查發現，將原本報故障充電機人為切除功能單獨使用未報故障充電機時，當列車低壓負載很低時，蓄電池電壓穩定無變化，列車所有功能正常，充電機工作狀態正常；當開啟列車全部低壓負載后，蓄電池電壓急速下降直至蓄電池虧電，充電機切換至準備啟動狀態，未正常工作。依據此故障現象可以判斷為蓄電池充電機故障。又由于在低負載條件下充電機能夠正常工作，僅在高負載條件下出現工作狀態異常，故此故障關鍵是找出充電機帶負載能力異常的原因。

結合廠家給予的接線圖進行檢查，故障充電機內部各接線均穩固無松動、無斷股。各接線線號與接線圖均一致。故障充電機在故障試驗時內部無任何燒焦味發出、各部件狀態均良好。故障充電機與其他使用設備均相同。充電機部件狀態及接線狀態檢查未發現任何問題。

將故障充電機與正常充電機進行對比檢查發現，兩者之間僅輸出電路的電流傳感器（電路編號U701、U702）型號不同。功能正常充電機電流傳感器使用進口LEM電流傳感器，而故障充電機使用國產TEG（寧波南車）電流傳感器。而此電流傳感器用于檢測充電機的輸出電流，與充電機帶負載能力緊密相關。故懷疑本故障是由于國產電流傳感器性能不能滿足使用要求導致故障。輸出電流檢測電路簡圖如圖3。

圖2 充電機逆變整流電路簡圖

圖3 輸出電流檢測原理圖

3.2 電流傳感器單獨測試

A2/A3型車SMA充電機關鍵參數如下：

（1）輸出功率25 kW；

圖4 測試電路簡圖及實際測試圖

（2）最大輸出電流270 A；

（3）額定輸出電流210 A；

（4）供蓄電池充電最大電流42 A。

兩種電流傳感器設計檢測電流可達500 A，若要對電流傳感器準確測試需要一個較大的電流源。由于作為運用部門設備有限，最后采用長城網星ATX-3000電腦電源提供大電流，此電源在5 V電壓條件下可輸出18 A電流。外接負載為一截電阻絲。測試電路簡圖及實際測試圖如圖4所示。

將LEM及TEG電流傳感器各拆卸2個進行單獨測試。測試負載電流為10 A左右，用長導線纏繞電流傳感器5圈，以實現5倍負載測試電流。測試結果如表1所示。

兩種電流傳感器的設計比例參數均為2 500∶1，通過以上數據說明LEM電流傳感器性能更好，TEG電流傳感器數據同樣符合使用需求并且狀態正常。依據此檢測結果排除電流傳感器選型問題造成故障的可能。

3.3 電流傳感器裝機測試

排除電流傳感器型號問題的可能后，將電流傳感器重新裝入故障充電機進行檢測。外加電腦電源及接線對電流傳感器提供大電流（與電流傳感器單獨檢測同樣方式），在110 V輸出端裝燈泡作為負載，負載電流I1=1.5 A。同時用充電機軟件實時監測充電機數據，設監測軟件中電流傳感器U701檢測總輸出電流Ia，U702檢測蓄電池充電電流I2，110 V負載電流I3=Ia-I2。

（1）U702電流傳感器內外加通過I4=33 A電流，測試電路簡圖及軟件測試數據如圖5所示。

數據顯示： Ia=1.6 A，I2=35.7 A，I3=Ia-I2＜0此種情況下為負顯示為0 A；

實際情況：Ia=1.5 A；

（2）U701傳感器外加I4=17.7 A電流

表1 LEM、TEG電流傳感器測試結果

圖5 測試電路簡圖及測試數據

數據顯示：Ia=19.1 A，

實際情況：Ia=I1+I4=1.5 A+17.6 A=19.1 A，

（3）U701、U702同時在電流傳感器外加I41=I42=10 A電流

數據顯示：Ia=11.3 A，

實際情況：Ia（實際）=Ia+I41=1.5 A+10 A=11.5 A，

通過對監測數據分析發下蓄電池充電電流的測得值I2=1.5 A+U702外加電流值。而蓄電池充電電流實際值I2（實際）=1.5 A+U702外加電流值。測得值相對于實際值多出1.5 A。而測試電路中僅負載電路的實際電流I1值為1.5 A。又U701、U702的測得值顯示位置與軟件設計顯示位置相同，故可排除充電機內電流傳感器接線接反的可能。綜合以上分析可推斷故障充電機內110 V負載輸出接線與蓄電池充電輸出接線接反。由于蓄電池充電電流最大值僅為42 A，遠小于110 V負載輸出最大電流230 A，故在低負載及小電流條件下充電機能正常工作，大負載大電流條件下充電機工作異常。

4 故障處理

通過檢測數據分析推斷故障為充電機內110 V負載輸出接線與蓄電池充電輸出接線接反導致。再次檢查充電機輸出端插頭接線，檢查發現輸出端插頭各接線線號與廠家給予的線號表一致。為驗證監測數據推斷結論是否正確，將故障充電機內110 V負載輸出接線與蓄電池充電輸出接線互換后進行裝車試驗。試驗表明互換輸出端接線后充電機功能恢復正常。在滿負載工作條件下充電機仍能提供足夠功率，蓄電池電壓穩定。故最終確認故障充電機雖然各線線號標示正確，但實際接線接反。

5 改進措施

本故障中帶負載能力異常充電機不報任何故障信息，故障現象隱蔽，在日常檢修中難以發現。針對此種情況特進行如下改進：

（1）本次故障中充電機超出最大輸出功率后僅自動切換到準備模式而不報相應的故障信息，故要求廠家對相關控制診斷邏輯進行修改，增加對該工況下充電機報錯功能；

（2）在電客車月檢、半年檢、年檢檢修規程中增加檢查項目，專項檢查采用冗余設計的各部件單獨工作能力，確保各冗余部件在單獨工作時能滿足列車工作要求；

（3）由于本次錯誤接線為充電機出廠時就已存在，故在列車新車驗收標準中添加相關檢查考核項目，確保新車出廠狀態。

6 結束語

由于采用冗余設計的列車部件正常情況下共同工作，如果其中某一個部件存在異常且在日常檢修中難以發現，一旦列車正線出現某個部件故障，但備用部件不能滿足列車運行需求時將造成極大的影響。故在電客車檢修規程中增加冗余部件的單獨運行能力檢查項目是十分必要的。增加相關檢查規程后陸續發現其他類似問題，充分保證了冗余設計部件的狀態，提高列車正線運行的可靠性，保障運營服務質量。

［1］長春長客-龐巴迪軌道車輛有限公司.廣州地鐵A2、A3型電客車維修手冊［Z］.2006.