地鐵車輛輔助逆變器故障分析及整改研究

鄭 超

（鄭州地鐵集團有限公司運營分公司，河南鄭州 450046）

0 引言

為提升研究的實踐價值，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（人機界面）提示輔助逆變器出現(xiàn)嚴重故障，空壓機無法打風，空調(diào)（車用空調(diào)）無法正常工作，車輛正常運行因此受到嚴重影響。

1.2 故障調(diào)查

結合實例，某輔助逆變器出現(xiàn)嚴重故障，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，檢測對應時刻，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)動線進行測試，發(fā)現(xiàn)A 相上管驅(qū)動板的GE 極出現(xiàn)短路，解體模塊后對所有IGBT 進行靜態(tài)測量。測量結果見表1。

圖1 輔助逆變器故障記錄

圖2 故障時間段波形

表1 IGBT 靜態(tài)測量阻值

由此判斷V3 位置（A 相上管）的IGBT 損壞，因為IGBT 關斷失效而導致元件內(nèi)部形成短路，當A 相下管IGBT 導通時，由于A 相上管IGBT 已經(jīng)短路形成上下管直通的情況，導致下管發(fā)生保護而報出A 相下管保護故障。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。

1.3 整改方案及實施效果

輔助逆變器采用強迫風冷結構，運行時靠風機經(jīng)進風口濾網(wǎng)抽風散熱。根據(jù)統(tǒng)計，故障多數(shù)發(fā)生在每年4～6 月，非全年最高氣溫月份。初步判斷該時間段故障增多與鄭州空氣中柳絮、楊絮較多，濾網(wǎng)堵塞嚴重有關。前期濾網(wǎng)為整體結構，清潔耗時且效果較差，作業(yè)在雙周檢執(zhí)行。為解決該問題，采用濾網(wǎng)外層與濾芯分離結構，并可通過鎖扣直接拆除濾網(wǎng)外層，清潔濾芯，耗時短且效果良好，不受檢修計劃影響，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 個逆變?nèi)航M成。地鐵車輛輔助逆變器的每個逆變?nèi)壕O有1 個HK（放電用接觸器），1，2 群分支回路前設置1 個IVLB（線路接觸器），并在1，2群合流后設置1 個3PhMK（接觸器），圖3 為現(xiàn)場輔助逆變器IVLB 與3PhMK 觸點不一致故障時序圖。

2.2 故障調(diào)查

結合圖3 與輔助逆變器的啟動時序，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，一種是主觸點接觸不穩(wěn)定，另一種是輔助觸點接觸不良，前者可能導致輔助觸點斷開，后者則會直接引發(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主觸點與正常輔助逆變器HK 主觸點后，故障未出現(xiàn)轉移，且之前發(fā)生故障的輔助逆變器仍存在觸點不一致故障，因此可排除HK 主觸點接觸不穩(wěn)原因。

圖3 IVLB 與3PhMK 觸點不一致故障時序

輔助逆變器HK 共有4 對輔助觸點，表2 為各輔助觸點的測量數(shù)據(jù)，而對輔助觸點3 的檢查中，技術人員發(fā)現(xiàn)該輔助觸點存在明顯的發(fā)黑現(xiàn)象，結合表2 可發(fā)現(xiàn)該觸點電阻值較高。使用掃瞄式電子顯微鏡進行觸點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 為觸點組成的固有金屬成分，進一步分析可確定C，Si 來源于觸點吸著有機物氣體放電分解，而由于觸點電阻會受到Si 的直接影響，因此可確定Si 的出現(xiàn)是該觸點電阻偏高的根本原因。

表2 HK 各輔助觸點電阻值 Ω

2.3 整改方案及實施效果

結合上述分析，可確定輔助逆變器IVLB 與3PhMK 觸點不一致故障與鍍金材料HK 輔助點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，輔助觸點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、電阻增大最終導致故障頻發(fā)。結合故障原因，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 觸點不一致故障率大幅降低，且3 個月內(nèi)未發(fā)生同類故障。

3 結語

綜上所述，地鐵車輛輔助逆變器故障的影響較為深遠，在此基礎上，本文涉及的調(diào)整風機高低速轉換、變更風機超溫信號、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。