地鐵車輛110 V繼電器故障及對策分析

王 楠

（蘇州軌道交通集團運營分一公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引 言

蘇州地鐵2號線由2013年運營至今，已經跨過了7個年頭，2號線主線車及增購車將陸續完成架修。隨著運營時間的增加，繼電器出現觸點卡滯和粘連的故障頻次逐漸上升。而繼電器一旦發生故障，將對正線車輛運營造成較大影響。因此，研究了繼電器使用現狀及其故障特點，提出了相應繼電器的維護措施，實現繼電器的全壽命周期管理。

1 蘇州地鐵2號線車輛控制繼電器現狀

1.1 繼電器使用情況

蘇州地鐵2號線為3動2拖5節編組，目前有主線車24列，增購車16列，共計40列車。列車控制繼電器包括利奇、施密特以及ABB3個品牌共計19種繼電器，如表1所示。

1.2 運營至今故障情況

行車指標用于評價城軌交通的運營情況，包括晚點、清客、抽線、下線及列出準點率等。影響行車指標的事件叫做行車指標事件，該事件對應造成的影響叫做指標影響。不同程度上對行車指標的影響叫做層次指標影響，包括2～5 min晚點、5～15 min晚點、15 min以上晚點、清客、下線、抽線及救援等。運營至今，蘇州地鐵設備故障共發生61次行車指標事件。根據蘇州軌道交通集團運營分一公司技術部對于事故事件中的指標定責進行責任劃分，某中心/單位承擔全部責任的，涉事中心/單位承擔100%責任指標，涉及兩家中心/單位，主要責任的中心/單位承擔70%責任指標，另一方承擔30%責任指標，涉及3家中心/單位，主要責任的中心/單位承擔70%責任指標，另外兩家中心/單位各承擔15%責任指標，涉及4家中心/單位，主要責任的中心/單位承擔70%責任指標，另外3家中心/單位各承擔10%責任指標，涉及5家中心/單位，主要責任的中心/單位承擔60%責任指標，另外4家中心/單位各承擔10%責任指標，涉及多家中心/單位且無主要責任的，責任指標平均分配。經統計，繼電器故障導致行車指標事件共19次事件，占31%。

表1 繼電器使用情況統計表

故障按照其所在系統的特點，主要集中在車門控制系統、制動控制系統、受電弓控制系統司機室占有控制以及繼電器指示燈模塊，如圖1所示。

圖1 故障數系統分布圖

蘇軌2號線車輛的繼電器中車門控制和制動控制動作次數較為頻繁，而受電弓及司機室占有控制為長時間得電的繼電器。通過后期檢查發現，故障主要為觸點卡滯、繼電器線圈故障以及繼電器指示燈模塊內部損壞，如圖2所示。繼電器故障存在較強的階段性，隨著使用年限的延長，繼電器性能會隨之下降，繼電器的故障率則會相應上升，特別是使用頻次較高的繼電器，此現象會更加明顯。由于架修和大修期間批量性更換繼電器，故障情況會有一階段相應的好轉，故障成階梯狀分布。

圖2 故障類型占比圖

1.3 維護現狀

在均衡修修程周期內，每3個月清理繼電器柜及繼電器表面，檢查繼電器外觀和可視線纜，在每5年、10年的架修和大修修程內，架修時批量更換常用繼電器及個別重點繼電器，在大修時則更換所有常用繼電器及重點繼電器。繼電器存在易在運營后期及架修和大修前期故障率上升這一情況。

2 繼電器故障風險分析

繼電器出現故障的原因是多樣的，按照其內部故障狀態，可分為觸點粘連、觸點卡滯以及線圈故障3類。不同的電路結構導致出現這3種故障現象的風險不盡相同，并且3種故障風險也相互影響，因此電路結構的選擇必須考慮電路本身的作用和影響。一般粘連故障的安全風險更高，對于重要和需要避免觸點粘連的繼電器控制回路，需選擇觸點形式為雙斷雙開的繼電器，而對于其他控制回路，則可以選擇觸點形式為單刀雙擲的繼電器[1]。現階段，繼電器發生線圈故障的情況較少，因此根據繼電器發生觸點粘連或卡滯的情況所能造成的影響，將繼電器觸點故障的影響等級分為輕微、中等以及嚴重，分類后各等級占比如圖3所示。對于故障時可能造成嚴重影響的繼電器，則推薦使用行程冗余機制或通過有效的按鈕和開關等旁路觸點對其進行旁路，以減少其故障所可能產生的影響。

圖3 繼電器故障影響等級占比圖

3 繼電器故障對策及整改措施

3.1 優化電路結構

優化繼電器控制線路，能夠在不影響實際功能的前提下，減少單個繼電器及其觸點故障所可能造成的影響。

3.1.1 繼電器觸點并聯

由于開門電路為上升沿觸發，并且開門邏輯中考慮了零速和使能，因此在4號線電路中的ZVR采用了并聯結構，1號線為單觸點結構。對于不可取消的關鍵繼電器，使用兩個繼電器并聯同時得電，而以其常開觸點串聯反饋信號的門聯鎖繼電器DIR1和DIR2為例，增設一組此兩個繼電器的串聯常開觸點，與之進行并聯，在保證門聯鎖安全優先級的情況下，對其反饋信號進行冗余設置，避免其因為門聯鎖繼電器任意一個常開觸點的故障所可能造成的列車未收到所有門關信號反饋命令，導致列車牽引封鎖的問題[2]。

3.1.2 取消中轉繼電器

電客車繼電器主要具有低功率控制大功率和邏輯中轉功能，部分的中轉繼電器可以取消。例如，開/關門繼電器DOR、DCR和非零速繼電器TZVR，在蘇州4號線后期項目中已取消。

3.1.3 增加旁路開關

為減少故障影響，結合實際影響，可增加旁路開關或者多選取一個設備信號。目前，許多電路中已有旁路開關，如門聯鎖旁路。實際2號線門聯鎖繼電器故障率較高，但對正線行車基本無影響。鑒于2號線開關門回路故障率較高，出問題即清客，可以考慮設置開門和關門回路硬線旁路開關。

3.1.4 取消或減少使用串聯形式的繼電器常開觸點

取消或減少使用串聯形式的繼電器常開觸點，能夠減少由于該組觸點故障所產生的相應故障。例如，取消KSR3鑰匙激活繼電器的一組位于司控器向前位輸出命令信號線路中的觸點，不影響其實際功能，同時避免由于該組繼電器觸點故障所產生的沒有向前位輸出命令信號，造成列車牽引封鎖的問題。

3.1.5 控制繼電器反饋觸點的邏輯

對于不可取消且無法冗余備份其觸點的繼電器反饋觸點，在列車網絡可備份的情況下，優化控制邏輯，使用網絡信號反饋進行備份。在系統邏輯中對網絡及硬線信號取或門，避免單個繼電器觸點故障造成影響。以氣制動緩解反饋信號為例，在8個氣制動緩解BRR繼電器觸點串聯反饋，形成整車氣制動緩解反饋信號的情況下，增設其對應EP閥的網絡反饋命令，與之形成或門控制，提升EP閥網絡反饋制動緩解命令的優先級，避免單個氣制動BRR繼電器反饋觸點故障造成列車控制系統判斷列車氣制動未緩解，產生牽引封鎖的問題。

3.2 維修策略調整

跟蹤關鍵繼電器使用情況，按階段分批次評估關鍵繼電器性能，評估內容包括響應時間、負壓時間、觸點接觸電阻、線圈電阻、最小吸合以及釋放電壓等。適當縮短批量更換線圈得電時間長、動作頻次高的關鍵繼電器的周期，以減少總體使用時間[3]。

3.3 LCU改造

目前，主流使用LCU替代繼電器，使用mosfet替代繼電器觸點，并且有兩路并聯冗余設計。LCU一般可替代80%的繼電器，一般不替代大功率負載繼電器和應急電路繼電器。LCU通過硬件與軟件結合，應用新型光耦和場效應管等電路實現無觸點控制，替代原控制電路中的時間繼電器和中間繼電器等有觸點的器件，完成列車控制所需的各種邏輯和延時控制功能[4]。LCU具有以下3點優勢。第一，減少了維護周期。LCU含有網絡通信和處理器，可以內置自檢檢修軟件，通過簡單命令就可以快速完成自檢檢修工作，極大地簡化了一線檢修人員的日常性檢修及故障處置工作。第二，提高了系統可靠性。LCU的邏輯整體采用光耦和MOSFET等無觸點電子元件替代繼電器有觸點的機械部件，具有損耗小和壽命長的特點。地鐵LCU系統設計采用高可靠性的雙系統熱備方案，包含網絡熱備冗余、接口和控制單板熱備冗余以及雙電源系統，單點故障不引起系統異常，從而極大提高了系統的可靠性。第三，提升了故障診斷能力。地鐵LCU系統設計包含故障智能診斷功能，內部實時掃描產品電路運行狀態，隔離和切換故障單元，外部實現雙路檢測和驅動，能夠可靠地診斷故障[5]。LCU利用軟件實現了邏輯定制、故障診斷以及運行記錄等功能。

4 結 論

本文通過分析繼電器使用現狀和故障發生的特點，提出整改策略，將有助于繼電器的維護，并減少繼電器故障的發生，使正線列車更加平穩有序地運營。