武漢地鐵21號線牽引主回路接地故障分析與研究

(武漢地鐵運營有限公司,湖北武漢 430000)

0 引言

現今地鐵日益普及，已成為構成大中城市公共交通不可或缺的一部分，極大地改變了人們的出行方式[1]。而安全和準點是地鐵運營的首要目標，武漢地鐵21號線自2017年12月起運營，采用A型車，牽引系統由株洲時代電氣有限公司提供，牽引電傳動系統作為地鐵車輛的主要部件，其性能和可靠度直接關系到地鐵運營的核心指標，武漢地鐵21號線牽引系統整體運行平穩，但仍難以避免出現故障。其中較為典型的牽引主回路接地故障將導致車輛損失部分牽引力，對車輛的安全準點運行造成較大影響，為此，有必要針對地鐵車輛牽引主回路故障的分析與處理進行探討。

1 牽引主回路接地故障分析

1.1 故障現象

2020年1月23日7點58分，正線U15車司機報智能顯示設備HMI上彈出4項故障提示：M2車DCU模塊元件總故障、M2車DCU模塊C相上管故障、M2車DCU模塊B相下管故障及M2車DCU差分電流大于50A。武漢地鐵21號線為4節編組，兩動兩半動，全車共有12臺牽引電機，動車的兩個轉向架均為動力轉向架，各帶有2臺牽引電機，兩節動車分別提供全車三分之一的牽引力；半動車的1位側為無動力轉向架，2位側為動力轉向架，動力轉向架帶有2臺牽引電機，兩節半動車則分別提供全車六分之一的牽引力，由于株洲時代電氣有限公司提供的牽引系統控制方式為車控，因而該故障會封鎖M2車變流器模塊控制脈沖，該動車的4臺牽引電機全部停止工作，車輛整體將損失三分之一的動力。

1.2 牽引主回路主說明

地鐵列車牽引系統主電路采用兩電平電壓型直-交逆變電路，牽引主回路電路如圖1所示，經受流器輸入的1500V直流電通過充電回路、濾波回路及變流器模塊處理后驅動牽引電機。當線網電壓在1000V-1800V之間變化時，牽引主電路能夠正常工作，可靠地實現牽引制動工況轉換。

列車電制動包括再生制動和電阻制動，再生制動能量可以回饋電網供線網上其他地鐵車輛使用。常用制動采取電制動優先的模式，當電制動不足時使用空氣制動補足，而緊急制動則僅使用空氣制動。

牽引主回路各部件主要作用如下：

（1）支撐電容充電回路：充電回路由短接接觸器KM1、充電接觸器KM2、充電電阻R1組成。當司控器的方向手柄置于非零位時，閉合充電接觸器KM2，高壓電源經充電電阻R1給后端支撐電容C充電，當支撐電容C兩端電壓達到線網電壓的85%時，短接接觸器KM1閉合，充電接觸器KM2隨即斷開，支撐電容充電過程完成。

（2）濾波回路：濾波回路由線路電抗器L和支撐電容C組成。線路電抗器與支撐電容組成的濾波單元可用來限制直流側的電壓波動，同時濾除高次諧波，抑制供電側電壓突變對二次側電氣設備的損害。

（3）逆變單元：變流器模塊中的逆變單元是整個牽引主回路的核心部分，完成了將直流電變換為三相交流電這一關鍵過程。逆變單元為兩電平逆變電路，由6個帶無功反饋二極管的IGBT組成，工作時由DCU發出控制脈沖，通過控制IGBT的順序導通關斷，將直流電變換為電壓頻率可調的三相交流電。另外，當牽引電機工作在發電機狀態時，逆變單元可反向實現整流功能，將三相交流電整流為直流電后回饋電網。

（4）制動斬波單元：地鐵車輛在下坡或制動過程中，牽引電機工作在發電機狀態，其產生的反力矩使得列車減速，而當產生的電能不能夠被線網吸收時，將使得支撐電容端電壓升高，此時制動斬波單元發揮作用，IGBT導通由制動電阻吸收這部分電能。此外，當線網電壓波動超過閾值時，為了防止支撐電容端電壓過高，制動斬波回路也將導通，來降低過電壓，保護相關設備。同時，制動斬波單元還具有快速放電功能，作為常規放電回路的補充，極大的縮短了斷電后的放電時間，給予檢修安全雙保險。

（5）牽引電機：三相交流異步牽引電動機，其轉子為鼠籠式結構，定子為無機殼結構，懸掛方式為架承式全懸掛，絕緣等級為200級，冷卻方式為帶內風扇自通風，額定功率為190kW。

（6）檢測元件：檢測元件包括正線直流輸入電流傳感器LH1、負線直流輸入傳感器LH2、牽引電流傳感器LH3及LH4、斬波電流傳感器LH5、線網電壓傳感器VH1、支撐電容電壓傳感器VH2，以上均為霍爾傳感器。

1.3 故障分析

牽引控制單元DCU與列車網絡控制和診斷系統之間通過MVB網絡方式交換數據，通信單元可以將符合MVB協議格式的數據包傳輸給列車網絡控制和診斷系統，同時能接收網絡發來的數據，接受VCM的調度，并將變流器的運行狀態和故障情況反饋給VCM。

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牽引控制單元DCU具有記錄波形數據的功能，在故障發生前后的一段時間里，對相關電氣參數（模擬量和數字量）的采樣數據進行記錄并存儲到FLASH里保存，以便維護工程師進行后續故障分析。DCU的保護分為硬件保護和軟件保護兩種，其中，硬件保護功能由FPGA實現，主要包括IGBT元件故障保護、逆變輸出過流保護及硬件過壓保護等；軟件保護功能由OMAP芯片實現，各種保護參數可通過軟件靈活設置，主要包括牽引電機過熱保護、充電超時保護及欠壓保護等。

牽引控制單元DCU通過獲取電流傳感器LH1和LH2的采集值，經計算處理后實現永久性監控牽引主回路正線輸入電流和負線輸入電流的差值，當該差值超過50A的預設值時，牽引控制單元DCU將會上報VVVF嚴重故障并在智能顯示設備HMI上彈出相應故障提示DCU模塊差分電流大于50A，同時封鎖故障變流器模塊控制脈沖，避免設備損失進一步擴大。

使用維護軟件PTU查看事發時故障數據快速波形，數據顯示正線直流輸入傳感器LH1采集到故障發生時正線輸入電流峰值約1500A，負線直流輸入電流傳感器LH2采集到故障發生時負線輸入電流峰值約-900A（正常情況下，正線輸入電流與負線輸入電流基本相等，約為200A），兩者瞬時差值遠超50A，表征牽引主回路出現嚴重接地短路故障。

DCU模塊C相上管故障和DCU模塊B相下管故障同時報出，說明因檢測元件故障從而誤報管故障的概率較小，此故障應是變流器模塊內部出現短路情況或牽引主回路其他部位短路故障引起變流器模塊內IGBT燒損所致，DCU模塊元件總故障是牽引控制單元DCU故障診斷功能的結果。

1.4 故障排查

針對該故障，進行了以下排查[2，3]：

（1）檢查車下牽引主回路線纜、牽引逆變器箱體外觀，觀察是否存在明顯的接地點，未發現異常情況；

（2）檢查變流器模塊周圍及內部有無炸裂、燒損、銹蝕等痕跡，未發現異常情況；

（3）檢查牽引逆變器箱體內接觸器、傳感器、電阻等元件是否有燒損、銹蝕等痕跡，檢查銅排狀態，對銅排緊固螺栓進行力矩校驗，未發現異常情況；

（4）檢查牽引逆變器接線箱及航插，接線箱內緊固螺栓標記線無偏移，未發現縮針、虛接情況，測量正極銅排對地電阻約100kΩ，均未發現異常；

（5）對電抗器進行清潔后，檢查電抗器表面及周圍線纜，完好未見燒損；

（6）檢查牽引電機接線盒，防護良好、內部潔凈，電機定子繞組進行直流2500V絕緣測試，測量阻值結果為無窮大；

（7）檢查車下過渡接線盒，可見顯著燒損痕跡，M8螺栓已松動，如圖2所示。

圖2 過渡接線盒燒損位置

2 結論及措施

武漢地鐵21號線此次牽引主回路接地故障是因為車下過渡接線盒內M8固定螺栓松動（工藝標準力矩10Nm），且地鐵車輛運行過程中難以避免振動，導致前后端線纜的接觸電阻顯著增大，引起局部過熱從而損傷線纜絕緣，線纜絕緣性能日益下降，最終在高壓下絕緣被擊穿并引起主回路接地短路。

故障修復工作過程如下：燒損的過渡接線盒需整體更換，牽引電機側線纜無余量需整體更換，牽引逆變器箱側線纜設計時留有余量，剪短10cm后表面未見燒損或氧化，且絕緣測試和耐壓測試通過，經處理后可繼續使用。鑒于該螺栓松動后果嚴重，因此有必要組織對所有車下過渡接線盒進行普查，調整優化檢修周期，同時進一步細化年修規程中關于車下接線盒的檢查技術要求及工藝規范，并在定修修程中考慮加入力矩校驗項目。

3 結語

武漢地鐵21號線牽引主回路接地故障對正線行車產生了較大影響，本文介紹了牽引主回路各部件主要功能，針對牽引主回路接地故障的產生原因進行了分析，制定了對應的處理措施，并就后續優化檢修標準和預防提供了建議，為后續此類故障的處理提供了依據，確保地鐵車輛的安全可靠運行。