地鐵車輛電氣系統中牽引及輔助系統故障檢修研究

翟好璟

（成都中車四方軌道車輛有限公司，四川成都 610101）

0.引言

地鐵作為城市交通體系的重要構成，支持城市居民的正常出行，影響著社會經濟的發展，電氣系統作為地鐵運行的核心構成，其穩定性極為重要。電氣系統中牽引和輔助系統故障發生率較高，需要采取對應的檢修策略，以保證地鐵的穩定運行。

1.地鐵車輛電氣系統中牽引系統的設計

牽引系統設計時需滿足部分故障狀態下，能保證列車安全。假設地鐵牽引系統故障，損失1/4牽引動力，在一定荷載量范圍內，列車可以自動啟動運行至終點。假設坡度為3‰，曲線半徑為150m，啟動加速度極限值為0.3km/h/s，若車輛超過啟動加速度可以正常啟動。牽引系統故障造成1/4動力損失后，列車加速度超過0.312m/s2時，才能保證穩定運行。在動力損失和超載情況下，列車可以在軌道上啟動運行至鄰近車站，最大程度保障地鐵運行安全。

2.地鐵車輛輔助系統中牽引系統的設計

地鐵輔助電源系統由輔助逆變器作為主電路供電，從供電啟動至負載完全正常供電控制在10s之內，輔助供電系統可以承受地鐵通過絕緣分段電壓以及電流的沖擊，輔助逆變器和蓄電池采取IGBT技術，使用微機系統進行電壓調節和保護，在規定條件下，保證電流和電壓穩定，不會出現振蕩。輔助逆變器輸入線設置了熔斷器保護，一旦遇到緊急情況，蓄電池可緊急啟動。輔助系統連接高壓母線，高壓母線可以給輔助系統供電，電源功能和輔助系統供電互相聯鎖，地鐵在任何時候只有一種供電方式[1]。

3.地鐵車輛電氣系統中牽引系統的故障檢修分析

3.1 牽引系統常見故障

（1）過流保護故障，如超載運行狀態，導致牽引系統故障。在上下班高峰時間段，地鐵車輛處于負荷異常狀態，電氣系統出現電壓和電流的波動，都會引發牽引系統過流過載保護，進而影響電氣系統正常運行。（2）非金屬短路故障。地鐵車道沒能充分排水，會引發電氣系統非金屬短路故障。在三軌供電系統中最常發生，主要為帶電體放電導致短路故障，最典型的是第三軌對地面放電[2]。

3.2 檢修方法

以某市地鐵運營出現的非金屬短路故障為例，地鐵在運行中出現異常響動，車輛管理系統通報故障，復位牽引系統后仍然無法解決，需要隔離地鐵牽引系統才能處理。若牽引系統損失過大，要進行全面檢查，避免地鐵車輛拋錨，引發緊急事故。

如圖1所示為該地鐵牽引系統的主要設備，為保護牽引系統，斷開線路接觸器、制動斬波，關閉閘極，斷開高速斷路器，同時報紅色故障，對上述情況進行排查。（1）檢查牽引系統外觀，是否發現明顯接地點。（2）對牽引系統展開絕緣測試，確認設備是否出現多點接地以及設備接地的問題，避免接地故障影響系統正常運行，甚至引發觸電事故。（3）檢查接觸器以及斷路器，檢查接地瞬間大電流是否對設備造成燒毀，通過目測結合布線分析的方式進行排查。檢查隔離開關箱體，查看開關是否出現異常情況，斷開501線纜，對線纜至高速斷路器開關進行絕緣測試，并對濾波電抗器進行短接、對高速斷路器斷開，并進行絕緣測試[3]。短接端子進行絕緣測試要檢查絕緣值是否處于正常范圍中，經過排查后可以確定接地點。這類接地故障主要是由于濾波電抗器接線盒中有異物進入、制動電阻有異物進入以及濾波電抗器受到絕緣擊穿。

圖1 牽引系統主要設備圖

3.3 處理措施

針對過流保護故障，可利用列車的“復位按鈕”，消除控制開關跳閘故障，復位后重新啟動列車即可排除故障。針對上述案例中的非金屬短路故障，主要采取以下措施進行處理：對于濾波電抗器受到絕緣擊穿問題，需要增加濾波電抗器檢修頻率以及范圍，并注意對濾波電抗器運行環境進行優化，預防絕緣擊穿問題再次發生。針對接線盒有異物進入的問題，需要更換為全封閉式接線盒。針對制動電阻有異物進入問題，要求完善軌行區運行環境，在日常檢修工作中注意定時清理設備異物，重點對不完全封閉設備展開檢查和清潔。對于線路接觸器以及高速斷路器出現的斷合、極容易出現拉弧燒毀的問題，需要擴大檢修范圍，增加檢修次數進行檢查，保證地鐵能夠穩定運行。在處理故障后，檢修人員需要詳細記錄故障位置以及信息，進一步分析，準確確認故障的方位，找出故障原因。

4.地鐵車輛電氣系統中輔助系統的故障檢修分析

4.1 輔助系統特點

地鐵電氣系統的輔助系統主要包括蓄電池、充電機、逆變模塊等。蓄電池由電池單元構成，要通過斷開接觸器進行保護，促使蓄電池和負載保持隔離狀態。充電機模塊作為電氣輔助系統的組成部分，能夠有效滿足地鐵對直流電的需求。逆變器作為地鐵的輔助逆變器，可以從架空接觸網接收電能，輔助系統故障會嚴重影響輔助功能發揮。例如，輔助逆變器故障會影響列車內器件的正常供電，導致列車照明系統、空調系統失效，電客車不得不停止運營。

4.2 輔助系統常見故障

（1）IGBT器件故障。若出現IGBT異常，逆變器模塊會失去效果，根本原因在于設計電氣系統時未注意對電氣系統的保護，IGBT器件容易出現故障[4]。（2）電容器故障。地鐵逆變器中包含濾波電容器，能夠穩定運行電壓。電容器在工作過程中可能破壞氧化膜，造成電容器故障的發生。（3）參數性故障。在輔助系統中元件參數出現容差，其變化量超過容差，元件會發生故障。發生故障后會對輸出指標產生影響，還會對輔助系統安全性產生負面影響，引發嚴重經濟損失。常規檢查多進行結構性故障排查，對于參數性故障存在一定忽略。

4.3 檢修方法

首先，要建立TCMS網絡，采集輔助系統數據，將數據上傳至TCMS網絡中，找到解決故障的方法，從而得到相匹配的診斷網絡，以有效解決系統故障?；赥CMS網絡計算數據，能夠根據數據異常情況分析故障成因，對故障位置進行定位，從而進一步處理故障。其次，利用神經網絡實現動態化檢修，有效判斷輔助系統發生的故障。根據地鐵電氣系統相關信息樣本，將采集的信息輸送至神經網絡，進行ANN訓練。訓練過程中制定科學合理的解決方案，便于有效獲取診斷網絡，給故障檢修提供參考。網絡動態化診斷本質上是利用神經網絡計算模擬，根據不同故障的表現和特點進行預先處理，并將計算結果作為診斷依據，輔助檢修人員實現動態化檢修工作。

4.4 處理措施

針對IGBT器件故障及電容器故障，運維人員應重新更換IGBT器件與電容器。針對參數性故障，以某市地鐵為例。該地鐵電容儲電能力降低造成逆變器負載能力減弱。負載增加會出現直流回路欠電壓，持續損壞電容，甚至出現電壓震蕩，嚴重損傷逆變模塊。參數性故障不易察覺，檢修時電容數據顯示正常，故障較為隱蔽。利用MATLAB/SIMULINK軟件進行仿真模擬，對逆變系統逆變部分進行分析。仿真參數要求和實際參數相同，逆變器輸出電感0.25mH，2mΩ。負載為6.2Ω，濾波電容參數為3個78F經1個0.5F。IGBT逆變橋載波參數為6kHz，空占比為0.95，載波比為12，直流電壓為650V。根據仿真分析結果，濾波電路器截止的頻率為1140Hz，超過1140Hz頻段迅速衰減。由于電容發生變化，使得濾波器對濾波產生的抑制作用也發生影響，進而導致總諧波失真，使用軟件對不同容差對電壓幅值的影響進行分析，如表1所示。

表1 不同電容差下電壓幅值和THD值的變化

根據仿真分析結果，電容差改變并未對電壓幅值造成明顯變化。耳尖電容差減少，THD值也會顯著減小。電容差減小時，THD值逐漸減小，諧波分量會顯著減小，在電容差減小至-30%時，電壓THD值也會顯著低于5%規定范圍，但變化并不明顯。在電容差為-30%時，產生諧振較多，會影響電壓負載。一旦負載超過允許范圍，輔助逆變器發生故障。排查輔助系統故障可積極使用MATLAB/SIMULINK軟件進行仿真分析，準確發現參數性故障，有利于故障排查和維修。

5.地鐵電氣系統檢修策略的優化

5.1 定期進行狀態檢修

在傳統電氣系統檢修工作中，根據檢修計劃按部就班地檢修，檢修方法落后，長此以往，檢修人員工作積極性顯著降低，責任心降低，甚至出現漏診問題，不利于檢修質量和地鐵運行安全。因此，需要采取更靈活的檢修方式，善用信息手段，減少檢修人員的工作量。采取狀態檢修方式，以地鐵電氣系統運行情況作為基礎展開檢修，采集電氣系統實時運行數據，進行檢測分析，按照相關標準診斷。根據設備情況安排檢修工作，狀態檢修以監控電氣系統運行狀態數據作為故障的評估標準，狀態檢修可減少日常檢修工作的投入，節約人力和物力，提高企業的經濟效益。狀態檢修的根本目的在于事前控制，提前察覺故障，預防故障的發生，主要對變壓器、變電柜等設備展開監控，能夠第一時間發現異常。電氣系統狀態檢修主要可以分為監控、診斷、決策、實施檢修、評價5個部分，是以保證地鐵可靠運行作為目的展開。通過調度管理系統快速做出決策，安排檢修工作，并根據檢修結果對故障和狀態檢修效果進行評價。

5.2 定期組織檢修人員培訓

提高檢修人員專業素養是提高檢修水平的關鍵，定期組織檢修人員培訓能夠讓其學習理論知識和實踐技能，提高其職業道德。在培訓中要圍繞狀態檢修的模式，指導檢修人員靈活使用計算機軟件輔助檢修工作，提高檢修效率。積極使用管理手段建立良性競爭，使用績效獎金方式激勵檢修人員，提高積極性。完善考核制度，將檢修績效、成果和檢修人員工資結合，激發檢修人員的動力。

5.3 充分挖掘電氣系統數據

首先，需要檢修人員在工作期間注意對電氣系統運行數據以及相關參數進行收集整理，詳細記錄故障特征以及維修操作，建立設備臺賬，完善記錄相關數據。其次，將電氣系統歷史數據作為數據分析的基礎，制定更適合狀態檢修的方案，針對故障高發設備提高檢修頻率，對存在缺陷的設備采取跟蹤檢測，對于新設備、無缺陷和故障部件，可減少檢修頻率。最后，對數據進行檔案式管理，有專業工程師對數據進行分析，善用大數據分析技術、數據庫技術以及仿真分析等，評估各部件的運行狀態，從而優化檢修方案，實現預防性檢修工作，最大程度上降低故障發生率，保證地鐵穩定運行。

6.結語

地鐵車輛結構復雜，一旦發生故障將產生嚴重影響，造成乘客出行障礙。常規無法控制故障影響，尤其是電氣系統故障，容易引發安全事故，威脅地鐵運行安全。因此需要提高電氣系統檢修水平，實現事前控制，預防故障的發生。從牽引和輔助系統兩個方面分析故障特征，加強對檢修人員培訓，掌握常見故障種類，注意對系統數據的收集，采取狀態檢修，對不同設備采取差異化檢修頻率，預防故障的發生。