地鐵車輛輔助逆變器故障分析及整改研究

鄭 超

（鄭州地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司，河南鄭州 450046）

0 引言

為提升研究的實(shí)踐價(jià)值，選擇鄭州地鐵2號線與深圳地鐵2號線作為研究對象，鄭州地鐵2號線經(jīng)常發(fā)生IGBT輔助逆變器故障，深圳地鐵2號線則在庫內(nèi)激活環(huán)節(jié)頻繁出現(xiàn)IVLB（接觸器）與3PhMK（接觸器）觸點(diǎn)不一致故障。

1 輔助逆變器IGBT故障

1.1 故障描述

鄭州地鐵2號線輔助逆變器出現(xiàn)IGBT故障后，該模塊停止工作，HMI（人機(jī)界面）提示輔助逆變器出現(xiàn)嚴(yán)重故障，空壓機(jī)無法打風(fēng)，空調(diào)（車用空調(diào)）無法正常工作，車輛正常運(yùn)行因此受到嚴(yán)重影響。

1.2 故障調(diào)查

結(jié)合實(shí)例，某輔助逆變器出現(xiàn)嚴(yán)重故障，圖1數(shù)據(jù)顯示 FB00（A相上管反饋故障（FASF））、FB01（A 相下管反饋故障（FAXF）），即系統(tǒng)反饋輔逆故障點(diǎn)，檢測對應(yīng)時(shí)刻，發(fā)現(xiàn)圖2三相輸出開始異常。

現(xiàn)場檢查所有IGBT外觀無異常，但接通控制電后脈沖分配板A相上下管故障燈亮紅，對模塊三相的IGBT的驅(qū)動(dòng)線進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)A相上管驅(qū)動(dòng)板的GE極出現(xiàn)短路，解體模塊后對所有IGBT進(jìn)行靜態(tài)測量。測量結(jié)果見表1。

圖1 輔助逆變器故障記錄

圖2 故障時(shí)間段波形

由此判斷V3位置（A相上管）的IGBT損壞，因?yàn)镮GBT關(guān)斷失效而導(dǎo)致元件內(nèi)部形成短路，當(dāng)A相下管IGBT導(dǎo)通時(shí)，由于A相上管IGBT已經(jīng)短路形成上下管直通的情況，導(dǎo)致下管發(fā)生保護(hù)而報(bào)出A相下管保護(hù)故障。廠家對故障IGBT深入分析，發(fā)現(xiàn)故障原因多為工作環(huán)境溫度過高、散熱不良，需解決IGBT散熱問題才能降低故障率。

表1 IGBT靜態(tài)測量阻值

1.3 整改方案及實(shí)施效果

輔助逆變器采用強(qiáng)迫風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，運(yùn)行時(shí)靠風(fēng)機(jī)經(jīng)進(jìn)風(fēng)口濾網(wǎng)抽風(fēng)散熱。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，故障多數(shù)發(fā)生在每年4～6月，非全年最高氣溫月份。初步判斷該時(shí)間段故障增多與鄭州空氣中柳絮、楊絮較多，濾網(wǎng)堵塞嚴(yán)重有關(guān)。前期濾網(wǎng)為整體結(jié)構(gòu)，清潔耗時(shí)且效果較差，作業(yè)在雙周檢執(zhí)行。為解決該問題，采用濾網(wǎng)外層與濾芯分離結(jié)構(gòu)，并可通過鎖扣直接拆除濾網(wǎng)外層，清潔濾芯，耗時(shí)短且效果良好，不受檢修計(jì)劃影響，雙日檢也可以完成。截止目前，整改效果良好，未發(fā)生IGBT故障。

2 IVLB與3PhMK觸點(diǎn)不一致故障

2.1 故障描述

深圳地鐵2號線輔助供電系統(tǒng)主要由輔助逆變器、整流裝置、DC-DC斬波裝置組成，輔助逆變器由2個(gè)逆變?nèi)航M成。地鐵車輛輔助逆變器的每個(gè)逆變?nèi)壕O(shè)有1個(gè)HK（放電用接觸器），1，2群分支回路前設(shè)置1個(gè)IVLB（線路接觸器），并在1，2群合流后設(shè)置1個(gè)3PhMK（接觸器），圖3為現(xiàn)場輔助逆變器IVLB與3PhMK觸點(diǎn)不一致故障時(shí)序圖。

2.2 故障調(diào)查

結(jié)合圖3與輔助逆變器的啟動(dòng)時(shí)序，可初步判斷故障源于輔助逆變器1群HK狀態(tài)不穩(wěn)定，這種狀態(tài)不穩(wěn)定可能存在兩種原因，一種是主觸點(diǎn)接觸不穩(wěn)定，另一種是輔助觸點(diǎn)接觸不良，前者可能導(dǎo)致輔助觸點(diǎn)斷開，后者則會(huì)直接引發(fā)反饋信息不穩(wěn)定。基于初步判斷，圍繞HK開展了深入檢查，但檢查發(fā)現(xiàn)其主觸點(diǎn)無燒損痕跡且狀態(tài)良好，而在更換故障輔助逆變器HK主觸點(diǎn)與正常輔助逆變器HK主觸點(diǎn)后，故障未出現(xiàn)轉(zhuǎn)移，且之前發(fā)生故障的輔助逆變器仍存在觸點(diǎn)不一致故障，因此可排除HK主觸點(diǎn)接觸不穩(wěn)原因。

圖3 IVLB與3PhMK觸點(diǎn)不一致故障時(shí)序

輔助逆變器HK共有4對輔助觸點(diǎn)，表2為各輔助觸點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)，而對輔助觸點(diǎn)3的檢查中，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)該輔助觸點(diǎn)存在明顯的發(fā)黑現(xiàn)象，結(jié)合表2可發(fā)現(xiàn)該觸點(diǎn)電阻值較高。使用掃瞄式電子顯微鏡進(jìn)行觸點(diǎn)3的成分分析，可確定變黑物質(zhì)存在 C，Ni，Si，Ag，Au 等元素，Ag，Au 為觸點(diǎn)組成的固有金屬成分，進(jìn)一步分析可確定C，Si來源于觸點(diǎn)吸著有機(jī)物氣體放電分解，而由于觸點(diǎn)電阻會(huì)受到Si的直接影響，因此可確定Si的出現(xiàn)是該觸點(diǎn)電阻偏高的根本原因。

表2 HK各輔助觸點(diǎn)電阻值 Ω

2.3 整改方案及實(shí)施效果

結(jié)合上述分析，可確定輔助逆變器IVLB與3PhMK觸點(diǎn)不一致故障與鍍金材料HK輔助點(diǎn)存在的電流最小值要求存在直接聯(lián)系，控制電壓在下限值時(shí)，輔助觸點(diǎn)的電流值未得到滿足，因此接觸不穩(wěn)定情況出現(xiàn)。此外，電流變小使得觸點(diǎn)的附著物清潔效果受到了影響，由此集聚的附著物殘留、電阻增大最終導(dǎo)致故障頻發(fā)。結(jié)合故障原因，更改輔助逆變器內(nèi)部配線，通過并聯(lián)之前投入的電阻與預(yù)留電阻，控制邏輯裝置內(nèi)的總電阻值變?yōu)?0 kΩ（原為20 kΩ），流過HK輔助點(diǎn)的電流因此變?yōu)樵瓉淼?倍。在后續(xù)跟蹤過程中，發(fā)現(xiàn)輔助逆變器IVLB與3PhMK觸點(diǎn)不一致故障率大幅降低，且3個(gè)月內(nèi)未發(fā)生同類故障。

3 結(jié)語

綜上所述，地鐵車輛輔助逆變器故障的影響較為深遠(yuǎn)，在此基礎(chǔ)上，本文涉及的調(diào)整風(fēng)機(jī)高低速轉(zhuǎn)換、變更風(fēng)機(jī)超溫信號、更改輔助逆變器內(nèi)部配線等內(nèi)容，提供了可行性較高的地鐵車輛輔助逆變器故障整改思路，為了更好地保證地鐵車輛輔助逆變器穩(wěn)定運(yùn)行，故障根本原因的判明、輔助逆變器IGBT狀態(tài)的識別同樣需要得到重視。