廈門地鐵1號線輔助供電系統相電流不平衡故障分析與改進

劉 超 張紅星 高興華 王景波

(中車唐山機車車輛有限公司，063035，唐山∥第一作者，高級工程師)

輔助供電系統是城市軌道交通車輛控制中低壓用電設備供電的重要組成部分。目前，德國西門子股份公司、阿爾斯通公司和龐巴迪公司等供應商主要采用中壓并網供電技術。其配合列車控制與管理系統(TCMS)的管理實現了負載利用率最大化；在某些輔助逆變器故障情況下可通過其余輔助逆變器確?？照{系統的運行，保障了乘客舒適性。但列車受實際運營環境的干擾，并網供電控制過程也可能受到影響[1-3]。本文主要針對廈門地鐵1號線(以下簡稱“1號線”)列車發生的輔助供電系統相電流不平衡故障進行分析，并重點闡述故障改進方案，從而保障列車安全有效地運營。

1 輔助供電系統簡介

輔助供電系統對于列車功能至關重要，它給其他重要的設備和系統，如空氣壓縮機、牽引設備風機以及空調系統供電。為保證輔助供電系統的最大可用性，6節編組列車一般配備4臺輔助逆變器和2臺低壓電源兼作蓄電池充電機。輔助逆變器采用三相AC 380 V、 50 Hz電源滿足空調和空氣壓縮機等設備用電需求；低壓電源兼作蓄電池充電機為蓄電池和所有的控制電路及TCMS等提供DC 110 V電源[4-5]。4臺輔助逆變器采用先進的并網供電技術，這保證了即使在某臺逆變器故障時，整列車的輔助負載不需要任何降級。輔助供電系統在列車中控制分布如圖1所示。

圖1 輔助供電系統控制框圖Fig.1 Block diagram of auxiliary power supply system control

2 故障分析

2.1 故障現象

2018年4月5日，1號線輔助供電系統報出相電流不平衡故障而導致車輛下線。故障當天下載的列車數據記錄儀中的記錄數據如圖2所示。由圖2可知，在10:57:01:521時，列車中DCUA診斷出“1車相電流平衡故障保護性封鎖請求”，隨后其他車也上報了該故障。在10:57:07:281時，TCMS也診斷出“1車DCUA作為主啟動失敗故障”。

圖2 列車故障記錄截圖Fig.2 Screenshot of train fault record

2.2 控制原理

1號線列車輔助供電系統采用的是并網供電控制方式。其通過TCMS控制并網供電的DCUA實現輔助逆變器的并網啟動。TCMS控制DCUA啟動的輸出信號主要有“禁止空閑啟動指令”及“禁止啟動指令”兩個。其中，“禁止空閑啟動指令”用于主輔助逆變器的選定，“禁止啟動指令”用于主/從輔助逆變器的啟動控制。針對DCUA的并網啟動控制，在軟件設計中考慮了DCUA切除控制、DCUA復位控制、DCUA主控制、DCUA從控制、DCUA封鎖控制及DCUA故障下的減載控制等，從而確保列車交流負載和直流負載的正常供電，保障列車安全舒適的運行。

在存在多個DCUA并網供電的情況下，TCMS通過DCUA控制輔助逆變器并網啟動，其主要控制邏輯如下：

1) 在啟動之前，TCMS通過向所有的DCUA發送“‘禁止空閑啟動指令’為1” 以及“‘禁止啟動指令’為1”禁止它們的啟動。

2) TCMS指定某DCUA為主DCUA，向其發送“‘禁止空閑啟動指令’為0” 及“‘禁止啟動指令’為0”來啟動該DCUA。該DCUA將嘗試在母線空閑的情況下啟動，如果啟動不成功，則TCMS將指定另一臺DCUA為主DCUA。

3) 當三相中壓母線達到標稱電壓之后，主DCUA向TCMS反饋“‘ACM(交流電源模塊)母線激活’為1”。之后TCMS向其他DCUA依次發送“‘禁止啟動指令’為0”來實現同步啟動。

4) 當任一個DCUA已經處于工作狀態，和三相母線完成同步，并閉合負載接觸器之后，向TCMS發送“‘普通母線上ACM激活’為1”。

在緊急牽引模式下，輔助逆變器的并網控制通過硬線實現，TCMS不參與控制。

2.3 原因分析

根據故障現象，本文主要從網絡系統控制并網供電邏輯、輔助供電系統診斷功能角度分析故障原因。

2.3.1 網絡系統角度分析

根據上述控制原理，網絡系統控制并網供電時，與DCUA相關的列車運行狀態數據在數據記錄儀中的記錄狀態如圖3所示。

圖3 列車運行狀態數據截圖Fig.3 Screenshot of train operation status data

列車發生故障前，輔助供電系統的各DCUA均工作正常， TCMS正常發送“‘禁止空閑啟動指令’為0”及“‘禁止啟動指令’為0”的信號狀態給1車DCUA。當故障發生時，結合圖2中列車故障數據和圖3中列車運行狀態數據，故障產生過程分析如圖4所示。

圖4 故障產生過程分析Fig.4 Analysis of fault occurrence process

綜上分析，在列車發生“相電流平衡故障保護性封鎖請求”故障時，TCMS按照正常并網供電控制啟動時序迅速將主啟動指令轉移到下一個DCUA，實現了TCMS對DCUA的正常啟動控制；在輔助供電系統反饋故障信息時，TCMS快速診斷并在司機顯示屏上正常提示了“x車DCUA作為主啟動失敗故障”。

2.3.2 輔助供電系統角度分析

為了防止輔助逆變器損壞，輔助供電系統會根據發生故障的等級進行自身保護。如發生相電流不平衡的故障時，輔助供電系統會進行保護性封鎖即封鎖變流器。根據司機指南和維修操作指南，初步分析DCUA可能存在如下故障原因：① 輔助變頻器外負載不平衡，如過高的單相負載；② U相電流測量故障；③ V相電流測量故障；④ 輔助變頻器內三相系統電纜故障等。

故障發生當日列車回庫后上車檢查車輛，通過檢查連接器及負載設備狀態、電流傳感器狀態、每個輔助負載接觸器及內部線纜狀態等均未發現異常。隨后對故障列車跟蹤檢查，通過反復故障模擬實現了相電流不平衡故障的復現。故障復現后，在檢查連接器及負載設備狀態過程中，發現2車與3車間高壓分線箱AC 380 V母線連接器存在W相縮針，進而導致連接器燒損現象。

輔助供電系統設計中利用電流傳輸器測量U相和V相的電流，根據三相電流相加為0的算法，DCUA持續計算W相的電流。U相和V相電流的準確監測是保護逆變器的基礎，保護功能在DCUA控制單元內執行，如果相電流之間差值超過了限額且持續時間超過了監控時間，則會觸發三相不平衡或負載不平衡故障，DCUA則開始對逆變器執行保護性封鎖并發送診斷信息。

可見，高壓分線箱AC 380 V母線連接器中W相縮針導致連接處的中壓母線缺相，進而使得相電流之間差值超過了限額，造成輔助變頻器外負載不平衡，從而導致DCUA診斷出相電流平衡故障保護性請求封鎖，輔助供電系統封鎖輔助逆變器，進而影響列車的正常運營。

3 改進方案

3.1 硬線控制改進

考慮對箱體施工的影響以及改進周期，本項目改進方案是將貫穿整車的AC 380 V中壓母線分為兩個車輛單元，改進后的輔助供電系統控制如圖5所示。在圖5中，3車與4車之間高壓分線箱處用于車端連接的線纜被拆除，列車中壓母線被分成1～3車和4～6車2個單元，每個單元包含2臺輔助逆變器，為本單元交流負載供電。當中壓母線上單點出現故障時，對應單元的輔助逆變器會封鎖輸出，整列車將損失2臺輔助逆變器，但不會導致整列車輔助電源停止工作。這既可以避免列車三相不平衡造成的列車無法運營，又降低了改造箱體的難度和安全隱患。

圖5 改進后的輔助供電系統控制框圖Fig.5 Block diagram of improved auxiliary power supply system control

3.2 網絡控制改進

3.2.1 并網供電控制邏輯優化

目前并網供電控制邏輯為網絡TCMS控制4臺輔助逆變器依次并網。根據改進方案，網絡TCMS需分別控制每個車輛單元內的2臺輔助逆變器并網啟動，即在單元內TCMS先指定一臺輔助逆變器為主輔助逆變器并向其發送禁止空閑啟動指令和禁止啟動指令，然后向本單元內另一臺輔助逆變器發送禁止啟動指令。兩個單元分別并網供電控制程序如圖6所示。

圖6 兩個單元分別并網供電控制程序Fig.6 Grid connected power supply control of two units respectively

針對圖6中兩個單元分別并網供電控制時，每個單元內的DCUA是否滿足主啟動的判斷過程如圖7所示。其中：

1) 高壓輸入正常的判斷條件是：輔助供電系統任一控制單元反饋網壓成功。

2) 封鎖所有DCUA的判斷條件是：隔離接地開關在受電弓位且受電弓在降弓位。

3) 本DCA工作正常的判斷條件是：輔助供電系統反饋設備工作正常。

4) 本DCUA啟動使能的判斷條件是：非緊急牽引模式且無蓄電池低壓啟動且本DCUA無內部或外部短路故障。

5) 本DCUA作為主啟動故障的判斷條件是：TCMS發送禁止空閑啟動指令和禁止啟動指令后6 s內未收到本DCUA反饋的母線激活。

針對圖6中2個單元分別并網供電控制時，每個單元內的DCUA作為從啟動需同時滿足以下判斷條件：① 高壓輸入正常為真；② 封鎖所有DCUA為假；③ 本DCUA工作正常為真；④ 本DCUA啟動使能為真；⑤ 本DCUA作為主啟動故障為假；⑥ 其他任一DCUA為主啟動成功為真；⑦ 本DCUA反饋母線激活為假。

3.2.2 負載管理優化

整車AC 380 V中壓母線被分為2個車輛單元，其輔助逆變器的冗余性減弱。網絡軟件中，空壓機打風邏輯和空調減載控制邏輯需根據列車中壓母線供電狀態進行適應性優化。列車中負載能耗需求如表1所示。

圖7 DCUA滿足主啟動的判斷流程Fig.7 Flow chart of DCUA satisfying main initiation judgement

本項目輔助供電系統設計為單臺輔助逆變器在風機半速時容量為117 kVA，即列車總容量為117 kVA×4=468 kVA；單臺輔助逆變器在風機全速時容量為150 kVA，即列車總容量為150 kVA×4=600 kVA。根據表1中整車負載能耗需求以及改進后的并網供電控制方案，遇到輔助逆變器故障時，每個車輛單元內的負載管理方案優化如下：

表1 列車負載能耗需求Tab.1 Requirements of train load energy consumption

3.2.2.1 夏季遇到輔助逆變器故障

夏季每個車輛單元內，列車AC 380 V/220 V交流負載容量需達190.125 kVA，輔助逆變器才正常運行。風機半速情況下，列車可提供234.000 kVA的容量，完全可滿足列車190.125 kVA的交流負載需要。

1) 一臺輔助逆變器發生故障。故障輔助逆變器所在車輛單元內另一臺輔助逆變器容量可以提升到150.000 kVA，但仍無法滿足一個車輛單元內190.125 kVA的輔助負載需求，因此優化方案中需網絡給故障輔助逆變器所在車輛單元內的空調系統發送減載指令，使空調系統減載50%運行?？照{減載后該單元內的交流負載為126.825 kVA，單臺輔助逆變器容量滿足此功率要求。無故障車輛單元內空調系統保持正常工作。

2) 兩臺輔助逆變器發生故障。當兩臺故障輔助逆變器在同一個車輛單元內，則本單元交流負載將停止工作，網絡給該車輛單元內空調系統發送緊急通風指令；同時如果該車輛單元內的空氣壓縮機為主空氣壓縮機，TCMS將變更主、從空氣壓縮機指定邏輯，即指定另一車輛單元內的空氣壓縮機為主空氣壓縮機；當兩個故障輔助逆變器分別在兩個車輛單元內，此時TCMS給全列空調系統發送減載指令，使空調系統減載50%運行。

3) 三臺輔助逆變器發生故障。優先考慮空壓機打風需求，TCMS給全列空調發送緊急通風指令。

4) 四臺輔助逆變器故障，列車請求救援。

3.2.2.2 冬季遇到輔助逆變器故障

冬季每個車輛單元內，列車AC 380 V/220 V的交流負載容量需達52.775 kVA。

1) 一臺輔助逆變器發生故障。故障輔助逆變器所在車輛單元另一臺輔助逆變器容量為117.000 kVA，滿足負載需求，空調系統工作狀態不受影響。

2) 兩臺輔助逆變器發生故障。當兩臺故障輔助逆變器處在同一個車輛單元內，負載管理策略與夏季時一致；當兩個故障輔助逆變器分別在兩個車輛單元內，空調系統工作狀態不受影響。

3) 三臺或四臺輔助逆變器故障，負載管理策略與夏季時一致。

4 結語

通過對廈門地鐵1號線輔助供電系統相電流不平衡故障的分析，得出中壓母線車端連接器縮針是導致該故障的根本原因。為盡可能減少線路造成的輔助逆變器封鎖，針對列車輔助供電系統分為兩個車輛單元分別控制并網的改進方案，進一步優化了網絡系統并網供電控制邏輯和負載管理邏輯，從而解決了中壓母線故障情況下列車無法運營的問題。此改進方案已裝車驗證，目前列車運行狀況良好。對于今后的項目，可基于本文所提改進方案，在設計之初考慮中間車增加一個中壓母線接觸器，使整車AC 380 V中壓母線經此接觸器后貫穿全列。當中壓母線出現相電流不平衡故障時，斷開該接觸器，從而將中壓母線一分為二，這樣既可提高輔助逆變器的冗余性，又可避免中壓母線故障而造成的列車無法運營的情況。