青島地鐵車輛輔助變流器異響和充電機欠壓故障分析及對策

饒東杰 劉海濤 趙清良 饒沛南 周 帥 李志杰 熊輝明 劉呈宏 羅嗣欞 李澤庶

(1.株洲中車時代電氣股份有限公司， 412001， 株洲； 2.中車株洲電力機車研究所有限公司， 412001，株洲∥第一作者， 工程師)

1 青島地鐵2號線列車輔助變流器的主電路拓撲

輔助變流器作為地鐵列車核心裝備之一，一般安裝于車輛下部。其主要功能是將輸入的DC 1 500 V或DC 750 V高壓轉(zhuǎn)換為三相AC 380 V電壓和DC 110 V電壓，并給列車交流負載和直流負載供電。其中，交流負載主要包括空調(diào)、空氣壓縮機、電加熱和方便插座等；直流負載主要包括蓄電池、門控制系統(tǒng)、牽引輔助制動控制系統(tǒng)、廣播、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、直流照明等。

青島地鐵2號線(以下簡為“2號線”)為6節(jié)編組B型車，采用第三軌受流器供電，供電網(wǎng)壓為DC 1 500 V。每列列車共設(shè)置2臺輔助變流器，采用擴展供電為全列列車交流負載供電。正常時每臺輔助變流器為列車的3節(jié)車輛供電，若運行中1臺輔助變流器故障，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)會給故障輔助變流器發(fā)送停機指令并斷開其交流輸出，同時給列車空調(diào)發(fā)送減載指令，同時控制AC 380 V交流母線上的擴展接觸器吸合，并由另外1臺輔助變流器將交流輸出擴展至故障端的交流負載供電。整個系統(tǒng)擴展供電框圖如圖1所示。圖1中，Tc位于列車車頭，且在車下裝載輔助變流器；M1和M2均位于列車中部，且在車下裝載牽引變流器和牽引電機。Tc、M1和M2組成1個單元，并由1臺輔助變流器供電。

注：Tc為帶司機室的拖車；M1和M2為有受流器的動車；SIV為輔助變流器；KMK為擴展接觸器。

2號線輔助變流器的主電路拓撲如圖2所示，主要由輸入濾波電路、二電平逆變電路、變壓器隔離降壓電路、充電機電路等構(gòu)成。DC 1 500 V輸入高壓經(jīng)直流電抗器和直流電容器組成的LC濾波器(無源濾波器)濾波后，送至兩電平IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)逆變器逆變后輸出PWM(脈沖寬度調(diào)制)波交流電壓，再送入輸出工頻變壓器進行電壓隔離、降壓，經(jīng)三相交流濾波器濾波得到低諧波含量的三相準正弦電壓，輸出三相AC 380 V(有效值)/50 Hz電壓，從任何一相輸出線與變壓器的中性點之間均可得到單相AC 220 V(有效值)電壓。充電機從AC 380 V取電，經(jīng)過整流后，再經(jīng)過高頻DC/DC隔離變換，輸出DC 110 V電壓。

注：SV1為輸入網(wǎng)壓傳感器；L1為直流電抗器；KM1為短接接觸器；KM2為預(yù)充電接觸器；R1為預(yù)充電電阻；SV2為直流電容電壓傳感器；R2、R3為放電電阻；Fc為直流電容器；SC2、SC3為橋臂電流傳感器；U1、V1、W1為逆變電路輸出的三相電壓代號；T1為工頻變壓器；U2、V2、W2、N為變壓器次邊輸出電壓代號；ACC為三相交流濾波電容；TA1、TA2、TA3為三相交流輸出電流互感器；Z2為交流EMI(電磁干擾)濾波器；KMA為交流輸出接觸器；K4為風機保護斷路器；K11、K13為風機高速控制接觸器；K12為風機低速控制接觸器；M1為冷卻風機；U、V、W、N為三相交流輸出電壓代號；PT為三相交流輸出電壓變換器；QF11為充電機保護斷路器；AL為充電機輸入三相交流電抗器；KM11為充電機短接接觸器；RD1、RD2為充電機預(yù)充電電阻；AF1為充電機三相不控整流橋；SV11為充電機中間電壓傳感器；CF1、CF2為充電機中間支撐電容；A2為充電機逆變半橋；TR2為充電機高頻變壓器；AF2為充電機單相不控整流橋；DL為充電機輸出濾波電抗器；CF3為充電機輸出濾波電容；SV12為充電機輸出電壓傳感器；SC11為充電機輸出電流傳感器；SC12為充電機蓄電池傳感器；Z3為直流EMI濾波器；FU1為直流熔斷器；DBPS為應(yīng)急啟動電源；V2、V3為二極管；Z1為控制EMI濾波器；DBPS OK為應(yīng)急電源OK信號；Stop為輔助變流器停機信號；Reset為輔助變流器復(fù)位信號； OK為輔助變流器OK信號；Start為輔助變流器啟動信號；MVB為多功能車輛總線。

2號線從2017年底開通運營后，總體運行良好，但在2019年6月開始陸續(xù)出現(xiàn)幾起輔助變流器異響故障。輔助變流器異響故障的同時會伴隨充電機模塊報出中間電壓欠壓故障(故障代號為BILV)，且?guī)靸?nèi)和正線均有發(fā)生。如果該故障發(fā)生庫內(nèi)，影響相對較小，需要啟用備用車輛保障現(xiàn)場運營；如果該故障發(fā)生在正線，復(fù)位無效后就會啟動擴展供電使車輛跑完單趟行程而下線。輔助變流器異響故障會給正線運營造成一定的負面影響。

2 輔助變流器異響和充電機欠壓故障處理和分析

2.1 現(xiàn)場故障處理

其中1起典型故障為2號線0207車在2019年7月23日出庫前發(fā)生異響，同時司機室顯示器報出充電機中間電壓欠壓故障，對其復(fù)位后故障不消失，之后對充電機模塊進行了更換，但更換后故障并未消除。更換充電機模塊后重新啟動輔助變流器，站在輔助變流器所在的地板上能夠感受到明顯的振動異響。最后懷疑是風機導(dǎo)致的異響。對風機進行更換，但更換后異響仍然存在。針對該類故障，株洲中車時代電氣股份有限公司派技術(shù)人員赴現(xiàn)場進行排查。

2.2 故障詳細分析

2.2.1 軟件監(jiān)視分析

對故障輔助變流器進行快速波形監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)每次異響時輔助變流器交流輸出接觸器(器件代號為KMA)狀態(tài)信號都存在跳變。如圖3所示的典型波形，初步推測故障輔助變流器異響是由交流輸出接觸器頻繁分合導(dǎo)致的。

重點關(guān)注輔助變流器狀態(tài)信號(代號為SIVOK)、交流輸出接觸器控制命令(代號為KMAC)、交流輸出接觸狀態(tài)信號(代號為KMAS)等3個數(shù)字信號。交流輸出接觸器的控制邏輯如下：

當輔助變流器完成正常啟動，變流器柜體內(nèi)部電壓變換器檢測到交流輸出接觸器前端的三相輸出電壓AC 380 V正常后(SIVOK置 1)，控制單元會發(fā)送交流輸出接觸器吸合命令(KMAC置1)至交流輸出接觸器，通過其閉合給交流負載(包括充電機)供電，同時交流輸出接觸器會將其狀態(tài)信號(KMAS置1)反饋至控制單元。如果交流輸出接觸器控制命令發(fā)出3 s后，未收到交流輸出接觸器正常的高電平狀態(tài)(KMAS置1)反饋，控制單元會報出交流輸出接觸器卡分故障(故障代號為KMAF)。

由圖3可見，輔助變流器輸出正常后，控制單元發(fā)出交流輸出接觸器吸合命令后，交流輸出接觸器的狀態(tài)在1和0之間頻繁跳變，說明交流輸出接觸器存在反復(fù)吸合和分斷。因其吸合功率較大(達到1 000 W)，推測其反復(fù)吸合和分斷導(dǎo)致了輔助變流器的異響，同時導(dǎo)致充電機報出中間電壓欠壓故障。但由于吸合和釋放的時間間隔較短(<3 s)，未達到交流輸出接觸器卡分的觸發(fā)條件，故控制單元未報出交流輸出接觸器故障。

注：方框顯示故障時刻交流輸出接觸器狀態(tài)頻繁跳變。圖3 輔助變流器異響故障時刻波形截圖

2.2.2 現(xiàn)場測試分析

2.2.2.1 故障交流輸出接觸器KMA測試分析

采用電壓探頭分別測試交流輸出接觸器KMA控制線圈電壓、接觸器前端VW兩相之間線電壓和接觸器后端WV兩相之間線電壓，其電壓波形如圖4～5所示。

注:①為前端VW之間的線電壓；②為后端WV之間的線電壓；③為接觸器KMA控制線圈兩端電壓。

由圖4可知，輔助受流器升靴給電3次，每次故障情況均類似。前2次當交流輸出接觸器KMA前端電壓正常后，交流輸出接觸器KMA后端電壓會由于控制線圈的頻繁得失電而導(dǎo)致其后端輸入電壓需經(jīng)過一段時間調(diào)整才會恢復(fù)到和交流輸出接觸器KMA前端電壓一致；而第3次交流輸出接觸器KMA后端電壓一直未恢復(fù)到和交流輸出接觸器KMA前端一致。

圖5為交流輸出接觸器KMA頻繁分合前、后兩端的電壓放大波形。由圖5可見，交流輸出接觸器KMA前端的電壓一直穩(wěn)定輸出AC 380 V，但由于其直流控制線圈頻繁得失電導(dǎo)致后端AC 380 V輸出斷續(xù)。在此期間，現(xiàn)場能感受到輔助變流器的異響。

圖5 故障交流輸出接觸器電壓放大波形截圖

2.2.2.2 故障交流輸出接觸器KMA更換前后對比測試分析

對故障交流輸出接觸器KMA更換后，重新對其進行測試分析，其電壓波形如圖6～7所示。

由圖6可見，輔助受流器升靴給電7次，每次啟動波形完全一致。當交流輸出接觸器KMA前端電壓正常，且交流輸出接觸器KMA吸合后，交流輸出接觸器KMA后端輸出電壓和前端完全一致。交流輸出接觸器KMA控制線圈一直穩(wěn)定在115 V左右，未出現(xiàn)頻繁得失電現(xiàn)象。

圖6 更換故障交流輸出接觸器后電壓波形截圖

圖7為接觸器KMA正常吸合動作前后兩端的電壓放大波形。由圖7可見，接觸器KMA前、后端的電壓波形完全一致，穩(wěn)定輸出AC 380 V；其控制線圈電壓也穩(wěn)定在DC 115 V左右，未出現(xiàn)任何跌落。在此期間，輔助變流器再未出現(xiàn)任何異響。

注:①為前端VW之間的線電壓;②為后端VW之間的線電壓;③為接觸器KMA控制線圈的兩端電壓。

2.2.3 故障器件返修分析

故障接觸器KMA返回株洲中車時代電氣股份有限公司后，在接觸器試驗室對其進行了相關(guān)測試分析，分析如下：

1)外觀分析。外觀檢查無損傷，自身緊固件無松動，整體外觀未見明顯異常。

2)接觸器動作測試。接觸器控制端通過外接DC 110 V電源，控制接觸器吸合和釋放動作，接觸器動作正常，其控制電壓、電流波形如圖8所示。

注：①為控制線圈電壓；②為主觸頭串入的電阻兩端電壓；③為接觸器KMA線圈電流。

3)接觸電阻測試。采用毫歐表測量接觸器輔助觸頭接觸電阻。通過接觸器吸合狀態(tài)測試，發(fā)現(xiàn)一側(cè)代號為43-44的輔助常開觸頭的接觸電阻為25 mΩ，在正常范圍(<100 mΩ)內(nèi)。但接觸器另一側(cè)代號為13-14的輔助常開觸頭接觸電阻為無窮大，通過檢查發(fā)現(xiàn)，代號為13-14的輔助常開觸頭未動作，存在異常。

4)異常輔助觸頭拆解分析。拆解代號為13-14的輔助觸頭盒的傳動插銷脫落。正常情況下，該傳動插銷應(yīng)安裝在輔助觸頭圓孔內(nèi)(緊配合)，輔助觸頭盒安裝到接觸器側(cè)面后，傳動插銷伸入接觸器本體推板方孔內(nèi)，接觸器吸合/釋放動作時通過插銷帶動輔助觸頭動作。

3 輔助變流器異響和充電機欠壓故障機理分析

通過上述分析，發(fā)現(xiàn)2號線輔助變流器異響和充電機欠壓故障主要由接觸器KMA失效導(dǎo)致的。引起接觸器工作失效的原因是輔助觸頭的傳動插銷脫落，其詳細失效機理與接觸器KMA的控制原理相關(guān)。如圖9所示，接觸器KMA的詳細控制原理為：由于接觸器KMA的線圈吸合功率較大，無法通過控制單元進行直接控制，控制單元通過中間繼電器K2對接觸器KMA進行間接控制；控制單元發(fā)出接觸器控制命令后，中間繼電器K2先得電，然后通過中間繼電器K2的主常開觸頭閉合來為接觸器KMA線圈供電，進而控制接觸器KMA吸合；接觸器KMA主觸頭吸合后會通過其代號43-44輔助常開觸頭的閉合將接觸器狀態(tài)反饋至控制單元，同時另一路通過代號13-14的輔助常開觸頭的閉合來實現(xiàn)線圈吸合自鎖。

注：A、B、C、N為Z2濾波器的交流輸入的代號；A′、B′、C′、N′為Z2濾波器的交流輸出代號；A1、A2為接觸器KMA的線圈代號；RV9為過壓吸收電阻；A9為接線端子排代號；K2為中間繼電器；K3為小的交流接觸器；RV8為過壓吸收電阻；XP7指接線端子排代號。箭頭所示為接觸器線圈的自鎖保持電路。

接觸器KMA的代號13-14輔助常開觸頭盒推桿上的傳動插銷脫落，導(dǎo)致代號13-14輔助常開觸頭不能動作閉合。該輔助常開觸頭在實際電路中串聯(lián)于接觸器KMA的線圈控制電路中，實現(xiàn)吸合自鎖功能。若代號13-14輔助觸頭不能閉合，則線圈不能持續(xù)得電自鎖，接觸器KMA于是失電斷開。這樣控制單元又重新發(fā)送控制指令，造成接觸器KMA反復(fù)吸合又分斷，最終導(dǎo)致輔助變流器的異響以及充電機模塊報出的中間電壓欠壓故障。

由圖10所示的充電機主電路可見，由于充電機輸入連接在輔助變流器的交流輸出后端，交流輸出電壓經(jīng)過充電機的三相不控整流橋轉(zhuǎn)換為中間直流電壓。中間直流電壓完全由三相輸入電壓決定。接觸器KMA的反復(fù)吸合和分斷最終導(dǎo)致充電機報出中間電壓欠壓故障。

注：AF1、AF2為不控整流橋。圖10 充電機電路原理圖Fig.10 Diagram of charger circuit

4 輔助變流器異響和充電機欠壓故障解決方案

綜上分析， 2號線現(xiàn)場輔助變流器的異響，以及充電機模塊報出的中間電壓欠壓均是由交流輸出接觸器KMA本身器件故障導(dǎo)致的。具體表現(xiàn)為：其代號13-14的輔助觸頭內(nèi)部傳動插銷脫落，導(dǎo)致不能與主觸頭實現(xiàn)動作同步。由此可見，該故障與風機和充電機模塊無關(guān)。將該故障件反饋接觸器廠家，廠家針對該傳動插銷使用中偶發(fā)脫落和接觸不良問題，制作了專門的夾具(見圖11)用于對該傳動插銷進行拉拔力和壽命測試，以篩選出隱患產(chǎn)品。經(jīng)測試和篩選后的輔助觸頭未再出現(xiàn)1例類似故障。

圖11 專用夾具對輔助觸頭進行拉拔力和壽命測試

5 結(jié)語

本文針對2號線列車運行期間輔助變流器異響和充電機中間電壓欠壓故障，通過軟件監(jiān)視、故障數(shù)據(jù)分析、現(xiàn)場對比試驗、故障件返修測試及拆解分析等手段，結(jié)合故障發(fā)生機理，確定輔助變流器異響和充電機中間電壓欠壓故障為交流輸出接觸器KMA輔助觸頭的傳動插銷脫落導(dǎo)致。株洲中車時代電氣股份有限公司聯(lián)合廠家制定了相應(yīng)的改進措施，即通過對交流輸出接觸器增加壽命測試和拉拔力測試篩選等手段，篩掉極少數(shù)不良品。整改措施實施后2號線現(xiàn)場再未出現(xiàn)類似故障，徹底消除了故障隱患，保證了軌道交通的正常運營服務(wù)。