南京地鐵車輛主熔斷器熔斷后對整車的影響研究

摘" 要：該文主要介紹南京地鐵2號線ALSTOM項目車型在車輛牽引系統中主熔斷器熔斷后對整車的影響。著重對TCMS系統的牽引高斷閉合授權、牽引系統的預充電管理邏輯進行詳細說明并提出相應的設計方案。

關鍵詞：地鐵；主熔斷器；TCMS；高斷閉合授權；預充電

中圖分類號：U279" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）08-0156-04

Abstract： This paper mainly introduces the impact of the main fuse blowing in the vehicle traction system of the ALSTOM project model of Nanjing Metro Line 2. Emphasis is placed on the detailed explanation of the traction high-breaking and closing authorization of the TCMS system and the pre-charging management logic of the traction system， and the corresponding design scheme is proposed.

Keywords： metro; main fuse; TCMS; high-break closing authorization; pre-charging

南京地鐵2號線于2010年5月開始運營，車輛由中車南京浦鎮車輛有限公司生產，采用6節車編組A型車（A1-B1-C1-C2-B2-A2），其中A車為帶司機室的拖車，B車為帶受電弓的動車，C車為不帶受電弓的常規動車。南京地鐵2號線列車控制與管理系統（Train Control and Management System，TCMS）和牽引系統使用ALSTOM設計方案，4個牽引系統分別懸掛在B、C車，每個牽引系統各自獨立，相互之間沒有通信，全列車采用2個受流裝置分別安裝在2個B車，每個受流裝置分別為各自單元B、C車牽引系統提供高壓。TCMS與牽引系統是制約地鐵列車安全、正點運營的關鍵，在運營期間由于多次出現因單個牽引系統故障造成主熔斷器熔斷后另一個牽引鎖閉的問題，導致出現了正線清客事件，給正線行車組織帶來了較大的安全隱患。

1" 原因分析

1.1" 事件情況介紹

2022年9月4日5時36分電調報孝陵衛牽混所211開關、苜蓿園牽混所213開關跳閘，自動重合閘成功，故障導致孝陵衛至苜蓿園（不含）下行接觸網短時失電，苜蓿園下行0801（027+028）次司機報PCE4（Propulsion Control Electronics4）（028B）被鎖閉并伴有焦糊味，行調組織列車單弓（后弓）運行后出現PCE3（028C）牽引鎖閉，后運行至油坊橋基地下線。

2022年8月23日19時31分電調報元通至集慶門接觸網跳閘，自動重合閘不成功，影響集慶門至漢中門上行（不包含）短時失電，故障區域內有1列車2912次（029+030）。該車司機報PCE1（029B）被鎖閉，在集慶門上行清客完畢后降前弓運行后出現PCE2（029C）牽引鎖閉，后運行至苜蓿園存車線下線。

上述2起事件都是由于單個牽引系統故障而造成弓網跳閘、車輛主熔斷器熔斷。但在故障處置中發現，只要將故障牽引系統相應的受流裝置降下后，單弓運行時，就會出現沒有高壓受流的另一個沒有故障的牽引系統鎖閉的情況。下載的數據顯示均為預充電失敗故障導致的牽引鎖閉。

1.2" 車輛數據分析

圖1為2022年9月4日故障時間段，車輛行車記錄儀中記錄的數據。如圖所示，列車由于028B車牽引逆變器故障導致接觸網跳閘后，該牽引逆變器被鎖閉，司機單弓運行，在運行的過程中出現了028C車牽引被鎖閉的情況。行車記錄儀數據2顯示，列車在單弓運行時一旦出現牽引指令，028C車牽引系統高速斷路器（High Speed Circuit Breaker，HSCB）就被打開，在HSCB被打開3次后該牽引逆變器被鎖閉。此時出現了2種異常情況：①受電弓降下后，在沒有高壓的情況下，028C車非故障牽引系統HSCB閉合了；②028C車牽引在連續報了3次故障后被鎖閉。

圖2中分別記錄了028C（非故障牽引）與028B車（故障牽引）的牽引數據。通過比對數據發現，在司機降下故障牽引單元受電弓推牽引動車時，028C車（非故障牽引）牽引系統報“預充電失敗Sup filter charging fault-short”的故障，連續報3次該故障后逆變器鎖閉。并且在故障事件的環境變量中發現了異常，在正常情況下，本單元的受電弓降下后牽引系統的前端線電壓應該為0 V，但在數據中記錄了028B車前端線電壓為900 V左右，而028C車前端線電壓為0 V，此時028B的主熔斷器已經熔斷了，不應該出現900 V左右的電壓情況。并且，028C車已經檢測不到前端線電壓，不應出現預充電的過程。

通過比對2022年8月23日同類型故障及其他由于牽引逆變器問題導致接觸網跳閘的故障，發現了共性的問題。只要任意單元B車的主熔斷器熔斷，并且降下故障單元的受電弓后，就會出現：①同故障牽引單元的C車牽引系統HSCB異常閉合，并且在牽引工況下出現預充電失敗的故障；②故障牽引系統的存在900 V左右的前端線電壓。

1.3" 故障的原因及影響

1.3.1" HSCB異常閉合原因分析

根據高斷授權閉合的邏輯分析，當牽引控制器接受到來自于TCMS系統的HSCB閉合授權信號PCElt;igt;_CAuthClsHSCB后，牽引控制器就會閉合HSCB。而PCElt;igt;_CAuthClsHSCB信號則是判斷本單元的2個牽引任意一個有高壓存在信號，并且沒有降弓請求與降弓命令（脈沖信號）。通過圖2發現，雖然受電弓在降弓狀態，但028B的牽引數據中記錄了前端線電壓為900 V左右。因此TCMS判斷符合高斷閉合授權的條件，隨即向028B和028C發送PCElt;igt;_CAuthClsHSCB的命令，028B車由于是故障牽引已經鎖閉，因此HSCB沒有閉合，而028C車牽引收到PCElt;igt;_CAuthClsHSCB的命令后閉合了HSCB[1]。

1.3.2" 非故障牽引逆變器報“預充電失敗”的故障原因分析

如圖3所示預充電的邏輯分析，對于牽引系統預充電的條件必須滿足：①高壓存在信號，該信號由前端低壓檢測器（Low Voltage Monitoring Device，LVMD）檢測到大于950 V電壓來判定。②或者受到了牽引指令，該信號由TCMS通過車輛MVB網絡發送。③HSCB已經閉合并且主充電接觸器（KIC）、預充電接觸器（Charging Contactor，CCC）打開。④沒有打開HSCB、KIC的故障請求。⑤沒有施加緊急制動。雖然028C車牽引系統沒有檢測到高壓信號，但由于028B車的高壓值異常，TCMS已經向本單元的2個牽引系統發送了高斷授權閉合信號，028C車的高斷已經閉合，此時只要收到列車發送的牽引指令，就會進入預充電程序。當進入預充電后，牽引控制器首先會閉合預充電接觸器CCC，這樣線電壓通過CCC向預充電電阻CCZ充電，當后端線電壓檢測器（Fuse Voltage Monitoring Device，FVMD）檢測到電壓達到900 V時，就會閉合主接觸器KIC，斷開CCC，完成充電過程。但由于028C車本身沒有線電壓，無法完成充電，FVMD沒有檢測到電壓值，因此判斷為預充電失敗[2-3]。

1.3.3" 故障牽引系統電壓異常的原因分析

根據圖4牽引系統高壓部分原理圖進行分析，來自接觸網的高壓通過B車頂部高壓受流裝置，再通過主熔斷器MF（Main Fuse）1和MF2，分別向B、C車牽引系統提供高壓電。并且通過B車牽引系統高壓轉換開關IES將列車兩端A車的輔助系統的高壓母線連接在一起。牽引與輔助系統的高壓通過IES中的輔助二極管（Analog Driver，AD）進行隔離，即本單元的受流裝置可以通過輔助二極管AD向輔助母線提供高壓，但由于二極管反向截止的特性，另一單元的受流裝置不能通過輔助母線向本單元的牽引系統提供高壓[4]。

將高壓電路簡化為圖5所示的等效電路，在反向AD后串接了LVMD與高壓檢測繼電器（High Voltage Detection Relay，HVDR）的并聯電路，等效電阻值是LVMD大于反向AD，反向AD遠遠大于HVDR。當降下一個受流裝置后，來自另一個受流裝置的高壓在本單元B車的輔助二極管AD處反向截。通過二極管的特性，雖然電壓值在截止區，但截止區仍然有微小的電流流過。通過歐姆定律得知，AD處的壓降要遠遠大于LVMD處的壓降，此時B車的LVMD檢測到的電壓很小，無法向TCMS發出高壓存在的信號，那么B、C車的高斷閉合授權也不會發送。一旦在此狀態下，B車主熔斷器MF1熔斷，那么反向AD后電路就變成了只串接了一個LVMD，由于等效電阻值LVMD大于反向AD，此時AD處壓降變小，LVMD壓降變大，造成了LVMD檢測到較高電壓。

2" 故障驗證

為了驗證上述情況，對028C車牽引數據進行監控，降下本單元受電弓后前端線電壓值為13 V左右，緩解緊急制動后在沒有線電壓的情況下HSCB閉合，給牽引指令后，開始預充電CCC閉合，200 ms后由于后端線電壓沒有達到預定值，判定預充電失敗，打開HSCB。后對028B車數據進行監控，此時前端線電壓值一直停留在1 000 V左右。驗證情況符合分析結果。

3" 問題與解決方案

3.1" 存在的問題

南京二號線線網情況較為復雜，剛性接觸網、柔性接觸網并用，地下站、地面站、高架站均有，這就使得接觸網壓時有波動，對于主熔斷器的工作要求非常高，在部件參數達標合格的情況下類似這種主熔斷器熔斷情況還是時有發生。加之由于車輛在正線發生主熔斷器MF1熔斷后，按照目前的故障處理條例，司機會控制列車進入降單弓運行模式，并且因為二號線線路實際情況，會長時間執行此操作，必然會對同單元C車牽引產生連鎖反應，使之鎖閉。一旦發生C車牽引鎖閉，按照南京地鐵正線行車要求，即會安排車輛就近請客下線，這無疑擴大了故障影響，造成市民出行不便。所以，該系統邏輯設計完全不能滿足設計需求。

3.2" 解決方案

第一，車輛軟件方面：聯合法國ALSTOM公司、中車南京浦鎮車輛有限公司、南京地鐵運營有限責任公司車輛分公司三方共同研究在高速斷路器授權閉合邏輯中增加對主熔斷器的判斷要求，使之邏輯更加嚴謹。

第二，部件設計方面：建議中車南京浦鎮車輛有限公司對南京地鐵2號線ALSTOM項目B車高壓熔斷器箱內的高壓檢測繼電器HVDR位置進行變更，由原先接在MF1前端改為MF1后端，這樣即使在MF1熔斷后，仍可與LVMD進行并聯，減小了LVMD處的等效電阻。

第三，日常檢修方面：對各車主熔斷器運行時間進行統計摸排，對其使用壽命時間進行論證，優化部件檢修方案。

4" 結束語

牽引系統是列車運行的重要系統，首要考慮的是該系統的可靠性與穩定性，已經出現故障后的安全性。南京地鐵2號線在出現B車主熔斷器MF1熔斷后會影響C車牽引功能，鑒于此故障對列車安全性帶來重大影響，因此對控制與管理邏輯進行優化。經過對改進后運營數據的比對與跟蹤，該設計方案可以有效地解決上述問題。

參考文獻：

[1] 中車浦鎮車輛廠有限公司.TCMS功能與故障診斷說明書[Z].南京：中車浦鎮車輛廠有限公司，2017.

[2] ALSTOM有限責任公司.牽引功能需求說明書[Z].上海：上海ALSTOM有限責任公司，2017.

[3] ALSTOM有限責任公司.牽引軟件需求規范[Z].上海：上海ALSTOM有限責任公司，2017.

[4] ALSTOM有限責任公司.牽引系統電器原理圖[Z].上海：上海ALSTOM有限責任公司，2017.