沈陽地鐵1號線電客車輔助電源系統(tǒng)過電壓故障的分析及對策

魏紅梅， 李樹生

(沈陽地鐵集團(tuán)有限公司， 沈陽 110141)

1 輔助電源系統(tǒng)簡介

1.1 輔助電源系統(tǒng)功能及原理介紹

沈陽地鐵1號線既有電客車輔助電源系統(tǒng)(SIV)由三菱電機(jī)提供，增購電客車由時代電氣提供，主要以增購電客車為例對輔助電源系統(tǒng)過電壓故障進(jìn)行分析。輔助電源系統(tǒng)是將接觸網(wǎng)DC 1 500 V 電壓經(jīng)輸入濾波電路濾波后通過變流器轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘟涣麟?，后?jīng)變壓器降為三相AC 380 V 電源并經(jīng)濾波后提供三相AC 380 V 電源；蓄電池充電機(jī)(BCG)將AC 380 V 轉(zhuǎn)換為DC 110 V 為電客車提供電源；DC/DC變換器將DC 110 V 轉(zhuǎn)換為DC 24 V(原理如圖1所示)，該系統(tǒng)主要由輔助逆變器箱、輔助高壓箱、變壓器箱及擴(kuò)展供電箱組成。每列電客車安裝2套輔助電源裝置和蓄電池組，其輸出能力滿足6輛編組列車各種負(fù)載工況的用電要求，輔助電源系統(tǒng)的總?cè)萘繛?80 kVA，當(dāng)其中一套輔助電源裝置故障情況下，系統(tǒng)采用擴(kuò)展供電方式由另一套輔助電源裝置來保證全列車負(fù)載用電，此時列車空調(diào)系統(tǒng)減載運行。

1.2 沈陽地鐵1號線列車輔助電源系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀

沈陽地鐵1號線電客車輔助電源系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定，但2017年4月1日至6月13日的正線運營時段，在某區(qū)間頻繁報SIV輸入電壓過電壓故障(共計發(fā)生386次)，電客車頻繁啟動應(yīng)急照明，引起多起乘客投訴，嚴(yán)重影響了電客車的服務(wù)質(zhì)量。文中通過從原理方面分析故障原因，并通過從影響網(wǎng)壓波動的多個因素綜合分析，最終得出過電壓故障的解決途徑。

2 故障原因分析

2.1 原理分析

SIV輸入電壓過壓故障是當(dāng)輔助電源系統(tǒng)檢測到輸入網(wǎng)壓傳感器(SV1)或濾波電容器電壓傳感器(SV2)的電壓值(具體傳感器位置見圖1)達(dá)到2 050 V并持續(xù)20 ms 時報此故障，故障的情況如表1。

圖1 輔助系統(tǒng)控制原理電路

表1 故障說明表

2.2 數(shù)據(jù)分析

通過對事件記錄儀、SIV數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，得出如下結(jié)論：

(1) 所有故障發(fā)生在早晚高峰時間段；

(2) 所有過電壓保護(hù)發(fā)生地點都在下行區(qū)間。

(3) 所有列車發(fā)生過壓保護(hù)時，列車處在制動工況，速度基本都在70 km/h 左右；

(4) 所有SIV檢測到的網(wǎng)壓均大于過壓保護(hù)門檻值，過電壓保護(hù)8 s 后，自動恢復(fù)。

2.3 影響因素分析

2.3.1車輛側(cè)原因分析與排查

(1) 確認(rèn)電客車整改情況

確認(rèn)在該故障發(fā)生前，電客車是否進(jìn)行過相關(guān)參數(shù)更改。

(2) 電客車故障排查情況

檢查電壓傳感器SV1、SV2電纜連接情況，確認(rèn)接線狀態(tài)；進(jìn)行時序測試檢查閘極控制裝置，確認(rèn)閘極控制裝置工作狀態(tài)。

經(jīng)確認(rèn)，電客車未進(jìn)行過相關(guān)整改且設(shè)備狀態(tài)正常。考慮到過電壓保護(hù)在不同電客車上頻繁發(fā)生且自動恢復(fù)后正常運行，排除電客車本身故障。

2.3.2其他因素分析

(1) 整改情況：經(jīng)調(diào)查在故障發(fā)生前信號、供電、工務(wù)等專業(yè)對設(shè)備均未進(jìn)行過相關(guān)整改；

(2) 車況分析：所有過壓保護(hù)列車均處在制動工況，且此時的速度較大均在70 km/h左右，需求的制動力較大，電制動反饋的電能就多，促使網(wǎng)壓提升。

(3) 線路分析：青年大街站為沈陽地鐵1、2號線換乘站，故障發(fā)生點位于線路的最底層，坡度最大。由于電客車存在一個向前的加速度，使其停車的電制動反饋電能越多，促使網(wǎng)壓提升。

(4) 載客量分析：由于故障發(fā)生在早晚高峰點，載客量比較大，使其停車的電制動反饋電能越多，促使網(wǎng)壓提升。且由于客流量突然增加等因素，可能導(dǎo)致該故障的發(fā)生。

(5) 行車組織分析

在同一供電區(qū)間內(nèi)，同時無電客車處于牽引工況消耗電能，拉低網(wǎng)壓。

(6) 信號控車分析

① 指令控制分析

在信號控車即ATO運行模式下，其控車指令在速度達(dá)到最大時存在突變情況，即在速度最高時存在突然施加較大制動力的情況，而此時也是SIV過電壓故障的發(fā)生點(見圖2所示)。

圖2 信號故障截圖

② 指令變化情況分析

減少制動指令次數(shù)可降低電制動的投入次數(shù)，在電制動整體投入時間減少的情況下，減少制動指令可減少電制動能量的反饋。經(jīng)調(diào)查，在信號控車即ATO運行模式下，電客車存在制動指令投入較多、持續(xù)時間較長，牽引制動指令變化相對較為頻繁的情況，圖3為事件記錄儀中某站點牽引制動指令的變化情況。

③ 速度變化趨勢分析

速度較高時施加制動可引起網(wǎng)壓更高幅度的提升，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析過程中發(fā)現(xiàn)速度存在持續(xù)時間較短、速度較高情況(如圖4所示)。

(7) 接觸網(wǎng)空載網(wǎng)壓值分析

接觸網(wǎng)網(wǎng)壓的輸出標(biāo)準(zhǔn)值為1 500 V，通過對沈陽地鐵1號線空載網(wǎng)壓(區(qū)間不行車時的網(wǎng)壓)進(jìn)行分析，目前的實際輸出網(wǎng)壓基本保持在1 650 V 左右，最高達(dá)到1 716 V (如圖5所示)，總網(wǎng)壓值為空載網(wǎng)壓與電客車反饋網(wǎng)壓之和。

圖3 事件記錄截圖

圖4 速度較高持續(xù)時間較短截圖

圖5 空載網(wǎng)壓記錄

2.4 原因分析

在過電壓故障發(fā)生前車輛、信號，供電、工務(wù)等專業(yè)均未進(jìn)行過整改作業(yè)，而過電壓故障是由于上述各種因素疊加導(dǎo)致，因此推斷過電壓故障是由于運營高峰期的客流突增因素引起。

3 解決措施

通過對影響網(wǎng)壓波動的各因素進(jìn)行綜合分析并對實際實施的可行性進(jìn)行綜合評估后，解決途徑如下：

3.1 限速

針對電客車在高速行車過程中施加制動時報此故障，即針對高速停車時需求的制動力大即電制動反饋電能多的情況，目前沈陽地鐵已在故障區(qū)段限速65 km/h 運行，限速后未再報SIV過壓保護(hù)。由于區(qū)間限速影響電客車的正線旅行速度，須綜合考慮其影響。

3.2 提高門檻值

可通過提高SIV過電壓故障門檻值的方法來解決過電壓故障，但必須考慮既定設(shè)備承受過壓故障的能力，防止因電壓過高燒損設(shè)備。

3.3 降低空載網(wǎng)壓值

通過降低接觸網(wǎng)的空載網(wǎng)壓降低總網(wǎng)壓的方法解決SIV過電壓故障。

3.4 調(diào)整控車方式

3.4.1指令控制調(diào)整

由于在故障發(fā)生時的速度高、制動力大，此時反饋的電能就多，將信號的控制方式優(yōu)化為速度較低，制動施加較小的控制方式。

3.4.2指令變化調(diào)整

在信號控車過程中，當(dāng)信號控制的目標(biāo)速度與實際速度相差一定數(shù)值(此規(guī)定數(shù)值即為控制參數(shù))時，信號方給出相應(yīng)的牽引、制動指令進(jìn)行調(diào)整，以縮小相差值。1號線正線運行時電客車的控制參數(shù)為250(0.9 km/h)，在ATO模式下分別完成控制參數(shù)分別為500(1.8 km/h)、750(2.7 km/h)、1 000(3.6 km/h)的測試工作，分析相關(guān)測試數(shù)據(jù)得出：經(jīng)控制參數(shù)調(diào)整后，牽引、制動以及牽引制動指令總數(shù)隨控制參數(shù)的調(diào)大呈減少趨勢(如圖6)。通過減少制動指令次數(shù)可降低電制動的投入次數(shù)，在電客車電制動整體投入時間減少的情況下，可減少電制動的能量反饋，從而減小網(wǎng)壓提升、減小過電壓故障的發(fā)生概率。

圖6 指令隨控制參數(shù)調(diào)整趨勢圖

3.4.3速度變化趨勢調(diào)整

通過對電客車的最高速度進(jìn)行優(yōu)化，計算合適的速度值由持續(xù)時間較短、速度較高情況優(yōu)化為持續(xù)時間較長、速度較低的變化趨勢(如圖7所示)，使速度控制更為平緩。

圖7 速度較低持續(xù)時間較長情況

4 結(jié)束語

通過對輔助電源系統(tǒng)的過電壓故障進(jìn)行原理分析，并結(jié)合故障發(fā)生的時間、地點、速度、工況以及故障情況對可能的各因素進(jìn)行綜合分析，得出網(wǎng)壓波動的影響因素，并結(jié)合可實施性提出相應(yīng)的解決途徑，從而提高服務(wù)質(zhì)量，保障車輛正常運營。