北京地鐵首都機場線輔助供電系統問題分析與改造

胡強

（北京京城地鐵有限公司 北京 101304）

隨著城市公共交通工具不斷革新，城市軌道交通、有軌電車新技術不斷涌現。從1890年12月18日世界上第一條真正的電氣化地鐵誕生以來，城市軌道交通成為現代城市必不可少的重要交通工具，是維持城市居民工作、學習和生活正常秩序的重要保障。

北京地鐵首都機場線目前使用的是由龐巴迪公司設計制造的早期地鐵車輛，采用的是十多年前老式供電方式及陳舊的箱體設計方案，從而無法應對現階段的使用要求，在車輛運行過程中有著較高的故障率。本文將重點介紹目前北京機場線列車輔助供電系統技術特點及現狀，針對目前車輛輔助供電系統常見的故障案例進行分析，并對車輛輔助供電系統的內部接觸器換型并進行控制方式的改造。

1 國內外城市軌道交通輔助供電系統現狀

城市軌道交通車輛中的輔助供電系統是最為重要的一個環節，關系到整個列車的運營。輔助供電的逆變電壓技術大部分采用旋轉式電動發電機組供電，主接觸軌則是為軌道電動車輛提供直流的高壓電，再通過電動機帶著發電機進行工作，輸出三相交流電為車輛的所有電氣元件供電；輔助供電系統再通過使用三相變壓器和整流等相關設備對直流電進行變換，并將輸出三相交流電轉變為低壓控制使用的直流110V和直流24V。

地鐵列車中具有分散供電及直接供電兩種復雜供電方式，多數的列車車輛中都會配置靜止的輔助逆變器及控制電源對其進行集中的供電。在傳統的地鐵中，應用的方式為分散供電模式，此種方式無法在出現故障時實現及時有效的供電。對此，在科學的快速發展過程中，多數的城市軌道列車都通過直接供電方式進行供電，此種方式可以提升整體的舒適度。對此，在實際中，必須要加強對城市軌道交通列車的輔助供電系統的相關要求的研究，只有這樣，才可以在根本上提升其整體質量，進而為人們提供更為優質的服務。

2 北京地鐵首都機場線列車輔助供電系統概況

2.1 系統概述

輔助供電系統（APU）將給所有車載設備提供其所需工作電壓并提供高壓電給車輛的配電系統［1］，從受流器或車間電源接收750VDC高壓電，將其轉換成3-相50Hz、380VAC，1-相50HZ、220VAC，以及低壓48VDC（額定）。

380VAC 供電給電熱器、通風和空調（HVAC）系統、牽引系統電源轉換裝置（PCU）的冷卻風扇、線性感應電機（LIM）冷卻風扇、供氣壓縮機（僅A車）、盤式制動器液壓泵（僅B車）和擋風玻璃加熱器；220VAC供電給便利插座；48VDC供電給低壓DC總線并且保持蓄電池充電。APU也給地板電熱器提供750VDC。

2.2 系統主要工作原理

APU包括有一個逆變器、一個單相變壓器、一個低壓供電電源（LVPS）和所有必要的控制、保護和監控設備［2］，APU在得到高壓電后將自動啟動并產生其控制電壓，即使在蓄電池完全放電的情況下，只要得到高壓電后即可起動，它的750VDC一次電輸入級具有反極保護。

2.3 系統運行輸出情況

2.3.1 三相380VAC供電

三相逆變器提供APU三相380VAC、50Hz輸出［3］，連續額定功率為65kVA 三相380VAC。三線輸出供電給HVAC裝置、牽引動力轉換裝置（PCU）冷卻風扇、線性感應電機（LIM）冷卻風扇、供風壓縮機（僅A車）、盤式制動液壓泵（僅B車）和風擋加熱器。

2.3.2 單相220VAC供電

APU 單相220VAC 供電從逆變器的三相380VAC輸出中得出逆變器輸出的兩相供電單相降壓變壓器（TX1），變壓器二次繞組提供220VAC、50Hz的輸出，最大額定負載為5kVA（22.7AMPS）。

2.3.3低壓供電（LVPS）

在APU 中的LVPS 裝置轉換一次電給低壓DC，用來供電低壓配電總線和充電蓄電池，輸出電壓公稱48VDC，但是可在34VDC和60VDC之間變化，并且輸出額定功率為16kW，LVPS輸出電壓予以獨立控制來提供適當的電壓用于蓄電池充電（充電狀態和相依的溫度）。

3 列車輔助供電系統典型故障案例處理分析

3.1 典型故障情況

首都機場線的輔助供電系統主要故障包括板卡類故障、接觸器類故障、逆變單元故障、內部電感類故障。針對板卡類故障，通過定期檢測內部供電板卡的輸出，從而控制內部其他板卡的安全工作環境，改善板卡故障率；接觸器類故障，通過換型改造后，故障率下降明顯，近幾年未發生內部接觸器故障。

在所有故障中，內部電感故障比較典型。由于北京環境的特殊性，地面線及高架線運營較長，周圍環境的樹葉、柳絮及雨雪天氣都很容易造成輔助系統內部電感位置的異物堆積、進水進雪問題，造成箱體內部濾波電感的接地故障。

3.2 針對輔助供電系統典型故障分析及處理

3.2.1 故障概況

故障現象是輔助供電系統無交流380V輸出，造成本節車380V用電設備無法正常工作，出現單節車少牽引及制動泵不工作造成的供應壓力低等故障。

3.2.2 故障處理經過

車輛正線運營，在東直門站停查車時，發現2號車供應壓力低至123Bar，故障報警報2 號車EHU 壓力生成率比預期低。

先期故障預判斷，接報后先期預判斷有下列5種故障點原因：（1）報活故障2號車制動單元故障；（2）輔助供電系統高壓側逆變器控制板故障；（3）輔助供電系統380V輸出接觸器故障；（4）輔助供電系統380VIGBT逆變總成故障；（5）輔助供電系統380V輸出電感故障。

3.2.3 故障現象確認

車輛回段后檢查故障報警顯示，EHU 壓力生成率比預期低，下載行車記錄進行分析后發現，2號車380V用電設備的電源狀態異常跳變，無法穩定輸出工作，車輛制動系統泵電機收到工作指令，但供應壓力無法正常上升，處于供應壓力低的狀態，初步排除故障點A的2 號車制動單元故障。從記錄中發現的故障現象分析，故障點在380V輸出電源回路。

3.2.4 故障檢查過程

首先，對故障的輔助供電箱進行送電觀察［4］，針對先期預判的疑似故障點1 逆變器控制板故障進行排查，檢查發現380V 輸出接觸器CON3 閉合正常，從而排除疑似故障點B、C 的逆變器控制板和380V 輸出接觸器故障。

隨后，通過輔助供電系統高壓側電路圖紙（見圖1）進行分析，利用排除法進行分段測量。測量疑似故障點D的380VIGBT逆變總成的三相輸出是否正常，將后面的電感接線切除，再次通電對380VIGBT逆變總成的三相輸出點進行測量，測量結果數值正常，排除疑似故障點D的問題。

圖1 輔助供電系統高壓側電路圖

通過以上故障點的排除，初步確定故障點在后面，繼續對疑似故障點E 電感進行搖絕緣測試，發現存在搖表指針跳零的接地現象，判斷電感可能存在故障。

將故障輔助供電箱下車，把存在異常的濾波電感拆解，過程中發現電感周圍箱體內部堆積大量異物，并伴有潮濕的現象。電感拆下后，發現表面有接地燒損現象，隨即對該濾波電感進行更換。

隨后，對更換濾波電感的輔助供電箱進行再次送電試驗，輔助系統啟動正常，經萬用表測量交流輸出端電壓AC380V 輸出正常，其他狀態顯示燈顯示正常。將箱體重新上車試驗，車輛狀態良好，制動泵正常打泵，故障報警消失，輔助供電系統工作正常。

3.2.5 故障產生的直接原因與邏輯分析

此次380V 交流濾波電感故障造成輔助供電系統的380V 電源無法正常輸出，造成車輛380V 用電設備無法正常工作［5］。通過電路原理圖分析可以看出，當輸出端的380V交流濾波電感損傷或功能降低后，對輔助供電系統的380V 輸出主回路不能起到有效濾波的作用，將直接影響到車輛380V 用電設備的正常使用［6］。本案例中，380V交流濾波電感自身的損傷是造成輔助供電系統380V電源輸出不穩定、造成制動系統的供應壓力低的直接原因。

3.2.6 該類故障預防措施

由于此類故障屬于高壓電器部件故障，在日常檢修過程中將加強關注，在故障發生后進行了所有車輛的普查工作，并且在隨后的修程中安排進行重點檢查，對輔助供電箱體內的電感位置進行吹風，減少內部異物堆積，通過目視、耳聽、鼻聞等細致檢查確認部件狀態是否良好，從而減少內部電感的外部接地等故障。

4 輔助供電系統內部接觸器換型及控制原理改造

4.1 換型及改造原因

首都機場線在2013年期間針對車輛輔助供電系統內部CON3、CON2 接觸器故障較高的問題進行了接觸器換型。CON3接觸器是系統中的主要負載接觸器，控制列車的380V 輸出，車輛各重要系統都會受到CON3 接觸的影響。并且針對控制電路的電壓較低會發生無法穩定控制接觸器的現象，對控制電路進行了改造，從而通過低電壓來控制高電壓，加強了接觸器的工作穩定性。

4.2 改造方法及原理

將原有的CON2 接觸器TAE50 和CON3 接觸器TAE95 更換為新型接觸器AF50 和AF95［7］。在導軌上安裝新增加的端子排型繼電器CON2.1 和CON3.1，改造設計圖紙見圖2。

圖2 接觸器線路改造控制原理圖

CON3 接觸器的改造：從CON3 接觸器的A1 端子布一根線到CON3.1 繼電器的A1 端子上，線號為90線，將CON3接觸器A2 端子的206控制線接到CON3.1繼電器A2 端子。在CON3.1 繼電器輸出端的11 端子布線到CON3接觸的A2端子處，在CON3.1繼電器輸出端的14 端子處布線到輔助供電板的負極，線號為33線。從而實現通過控制繼電器CON3.1達到控制CON3接觸器控制線圈的得電和失電。

CON2 接觸器的改造：CON2 接觸器的控制回路原理與CON3接觸器的原理相同，但在CON2的控制回路里增加了CON3接觸的輔助觸點控制，當CON3線圈的電導通后，通過輔助觸點的33B和33C閉合，從而控制CON2 的控制回路導通，使負極回到輔助供電板的33線，達到通過控制CON2.1 而控制CON2 接觸器控制線圈的得電和失電。

4.3 改造后的優點

更新改造前2010年到2012年輔助供電系統故障137 條，由于內部接觸器故障為28 條；更新改造后，2014年到2016年輔助供電系統故障78 條，由于內部接觸器故障為9條，故障率下降明顯。

5 結語

本文系統地對北京首都機場線列車輔助供電系統進行了詳細的介紹，并梳理了車輛運營期間該系統主要發生故障，針對其中典型的故障案例，進行了詳細介紹，將其處理過程進行了梳理，為日后再次發生此類故障時可以有目標地進行處理，加快相關人員對車輛故障的處理時間和效率，為未來線路的安全運營奠定了重要的技術基礎。

目前，北京首都機場線所有上線運營車輛在進行了輔助供電系統內部接觸器創新改造后運營至現在，其接觸器故障率下降明顯，通過故障數據統計對比后，得出了改造效果優異、故障率有較明顯的下降等結論。接觸器創新改造有效解決了接觸器控制方面的問題，極大地改善了接觸器故障對輔助供電系統的影響，大大降低輔助供電系統故障率。該改造項目可在其他輔助供電系統接觸器控制方式的地鐵軌道車輛上應用。