西安地鐵2號線車載制動電阻過溫故障研究

劉 海

（西安市地下鐵道有限責任公司運營分公司，陜西西安 710016）

西安地鐵?2?號線?2018?年最小行車間隔已經達到2??min??30??s?以內，部分站距小于?2??min，列車運行密度大，列車啟動和制動頻繁。制動方式以電制動為主、空氣制動為輔，電制動在列車安全運行中起到關鍵作用。當列車再生制動時，產生的制動能量由牽引電機通過牽引逆變器傳輸到接觸網中，如果不能被其他列車吸收，會造成接觸網網壓升高，影響運營安全。這時多余的制動能量需要制動電阻發熱來消耗。

1 制動電阻結構特點

西安地鐵?2?號線列車采用?6?輛編組，3?輛動車?3?輛拖車，其中?2、3、5?車為動車。制動電阻器采用車下懸掛安裝方式，在每輛動車上安裝?1?套。制動電阻與?VVVF逆變器裝置組合，構成再生、電阻混合制動系統。制動電阻采用自然風冷，無強制通風散熱，減少了額外的能量消耗。裝置結構簡單、故障率低。為防止列車行駛時雨水或泥水等飛濺至制動電阻器表面，影響其設備美觀和散熱性能，在制動電阻器框架上分別安裝了底部擋泥蓋板和側部擋泥蓋板。

1?臺制動電阻器與?1?臺牽引逆變器連接，每臺牽引逆變器為?1?輛車的?4?臺牽引電機提供逆變電源。當列車實施制動時，列車動能將通過牽引逆變器轉換成電能，回饋給電網；電網不能吸收時，通過制動電阻發熱消耗能量。每臺制動電阻器由?3?個制動電阻單元組成，3?個制動電阻單元串聯接入高壓電路中。制動電阻器結構示意如圖?1?所示。

圖1 制動電阻器外觀結構

2 制動電阻維護及散熱設計

西安地鐵?2?號線車載?RRW.H-80K-3?型制動電阻規格參數：電阻值?2.277?Ω，額定容量?84.9??kW，溫度上升容許值?455??K。

2.1 制動電阻維護

車載制動電阻由支撐絕緣子、電阻元件、銅排、隔熱板以及側板等組成。電阻元件由鎳鎘合金組成。支撐絕緣子材料為陶瓷，日常不需要維修，主要進行外觀檢查是否有異物、灰塵堵塞，以免影響部件散熱及導電性能。制動電阻在列車運營間隔?60?萬km?時，需要從車上拆卸進行檢修作業，檢修主要有?3?項內容：①進行電阻值測定，確認是否在?±10%?范圍內；②檢查確認電阻元件與車體安裝處絕緣電阻和絕緣耐力滿足要求；③確認電阻元件無生銹及腐蝕。

為了確認制動電阻日常工作溫度在正常范圍內，在電阻上方張貼?71～110??℃溫度貼，如果發現溫度異常及時跟進處理。

2.2 制動電阻散熱設計

制動電阻器是列車將動能轉化成熱能并散發熱量的裝置。作為發熱裝置，2?號線車載制動電阻器與其周圍設備要有充分的間距，確保排熱風的進出路。其中橫向和縱向距離其他設備?500??mm?以上。制動電阻與車體之間配置有隔熱板，隔熱板與客室地板下表面間距100??mm?以上。制動電阻器單元間連接配線及其到車體的配線需要使用耐高溫電線，避免因制動電阻發熱影響線纜壽命，造成線纜早期劣化。

電阻元件使用特殊電阻帶，經反復連續的平折加工而成，耐熱溫度約?850?℃，遠高于電阻的工作溫度。電阻元件的支撐絕緣子使用耐熱絕緣子材料。為了防止受熱后電阻元件膨脹導致變形，電阻元件和支撐絕緣子之間設置了約?0.5??mm?的間隙。

在制動電阻附近避免安裝空調排水管（圖?2）。列車運行過程中制動電阻發熱，一方面會造成排水管變形堵塞，另一方面空調排水會將冷凝水滴吹到處于高溫狀態的電阻片上，白色的水霧散發到客室內容易造成乘客恐慌。

圖2 排水管布置在電阻旁邊

3 制動電阻過溫故障調查

制動電阻器過溫保護，簡稱為?BRTHD?故障，溫度判定條件為?450??K，在?2?號線列車運營過程中有?2?個典型故障。

（1）0204?車在早上出庫壓道過程中，司機室監控信息顯示屏彈出故障信息“02042?車制動電阻器過溫保護”。列車回庫后查看列車運行日志，故障發生時列車網壓?1??741??V，列車運行速度?28??km/h，電制動有效并充分發揮，網壓達到制動電阻投入條件。制動電阻器的溫升顯示為?451??K，達到制動電阻器過溫保護的判定標準?450??K。

（2）0210?車在凌晨調試過程中，在運動公園站至北苑站途中，司機室監控信息顯示屏彈出故障信息“02102?車制動電阻過溫保護”。列車回庫后查看列車運行日志，故障發生時列車網壓?1??733??V，電制動有效并充分發揮，網壓達到制動電阻投入條件。制動電阻器的溫升顯示為?455??K，達到制動電阻器過溫保護的判定標準?450??K。

2?次典型故障都發生在凌晨出車情況下，列車3?輛動車中?3?車和?5?車制動電阻器沒有發生制動電阻器過溫保護，都是?2?車發生制動電阻器過溫保護。以下結合制動電阻器安裝位置、工作特性和現場環境?3?個方面進行調查分析。

3.1 安裝位置分析

類比西安地鐵?1?號線車載制動電阻器，2?號線車輛增加了底部和側面擋泥蓋板。2?號線車載制動電阻器距離輪對位置較近，1?號線車載制動電阻器相對輪對位置較遠，未增加底部和側面擋泥蓋板（圖?3）。

統計時間段為?2014?年?10?月至?2017?年?5?月，對比?1?號線和?2?號線車載制動電阻器過溫故障發生情況可知，2?號線發生?11?次，1?號線發生?0?次。從上述對比情況，可見制動電阻擋泥板和制動電阻離輪對的距離是影響制動電阻器散熱的主要因素。

3.2 工作特性分析

列車在早上壓道和凌晨調試作業過程與正線運營相比，開關門時間較短，列車在站臺停車時間較短，設備投入時間較長。同時正線上列車較少，在發生電制動過程中造成接觸網電壓較高。

圖3 車載制動電阻器布置位置差異

從?0210?車?VVVF?數據可以得知，制動電阻過溫時，濾波電容器電壓為?1??733??V，與正線網壓相等。查閱VVVF?技術規格書得知，濾波電容器電壓超過?1??720??V時，若此時正線上沒有其他列車可以有效地將多余的能量吸收掉，只能通過制動斬波器動作來抑制濾波電容器電壓上升，從而造成制動電阻頻繁投入，列車在施加制動時頻繁處于電阻能耗制動狀態。

車載制動電阻器的工作模式是反復、間歇性工作模式。在無再生吸收條件下，制動電阻器容量滿足列車在速度?50??km/h、平均減速度不小于?0.8??km/s2條件下的制動環境。最苛刻、最嚴酷的制動電阻器功率曲線如圖?4?所示。若車載制動電阻在列車高速運行時（大于?50??km/h）就投入制動電阻器，或者制動電阻器反復工作時間小于98.5??s，則制動電阻器比較容易出現過溫故障。

圖4 制動電阻器功率曲線

3.3 現場環境分析

考慮同樣載荷、網壓等工況條件，類比?3?車和?5?車VVVF?逆變器相同的工作環境，僅?2?車發生制動電阻器過溫保護，排除制動電阻器產品差異。調查制動電阻器的外觀狀態和工作環境，2?車擋泥板周圍泥漿、灰塵堆積較多，靠近輪對側制動電阻罩板散熱網孔（擋泥板附近）堵塞嚴重，外觀狀態較差，影響其散熱性能；3?車和?5?車制動電阻灰塵較少（圖?5）。

推測判定，臟污的外表影響其散熱性能，并導致制動電阻器過溫保護。經調查，0204?車于故障當日作為壓道車首發，1?車為上行司機激活端，運行時?2?車輪對粘附軌道防護油膏脂，堆積灰塵堵塞網孔，散熱受阻，導致過溫保護。

4 結論

經過對故障列車制動電阻器外觀狀態和所有?2?號線車載制動電阻工作的環境狀態確認和觀察，初步判定0204?車?2?車制動電阻器過溫保護與其工作環境和當時列車使用制動電阻的頻次、當日車輛運行模式等有關。最終判定?0204?制動電阻器過溫保護是運行時軌道上涂抹的防護油膏脂飛濺至外殼后，吸附并堆積灰塵堵塞散熱網孔，導致制動電阻器散熱不良導致。故障列車扣修后對其制動電阻外表灰塵進行清理，日常加強對制動電阻器灰塵的清理，運行?1?年來，制動電阻器過溫故障未再出現，說明對故障的判斷是準確的。

從預防維修角度考慮，當車載制動電阻器外殼上粘附泥漿灰塵較多時，在檢修中應增加對制動電阻散熱孔檢查的工作內容，發現有灰塵較多的情況及時清理，避免故障再次發生。

考慮制動電阻溫升是逐漸累積的過程，列車進行正線調試時適當延長開關門時間并在折返處停留?15??min?左右，保證制動電阻溫度下降的時間；制動電阻架修時在隔熱板下方的線管處張貼溫度貼，并在調試過程中持續跟蹤。

圖5 制動電阻器外觀狀態（左側為 2 車，右側為 3 車）