武漢地鐵21號(hào)線牽引主回路接地故障分析與研究

邱磊 陳曉 方鵬飛

摘 要：武漢地鐵21號(hào)線電動(dòng)客車(chē)牽引系統(tǒng)由株洲時(shí)代電氣有限公司提供，動(dòng)車(chē)牽引主回路出現(xiàn)接地故障會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛損失三分之一牽引力，對(duì)車(chē)輛的安全準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行造成較大影響，本文介紹了牽引主回路各部件主要功能，分析了武漢地鐵21號(hào)線牽引主回路接地故障的產(chǎn)生原因，制定了對(duì)應(yīng)的處理措施，并就后續(xù)優(yōu)化檢修標(biāo)準(zhǔn)和故障預(yù)防提供了建議，以期為地鐵車(chē)輛牽引主回路接地故障的處理和預(yù)防提供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵車(chē)輛;牽引系統(tǒng);接地短路;故障

0 引言

現(xiàn)今地鐵日益普及，已成為構(gòu)成大中城市公共交通不可或缺的一部分，極大地改變了人們的出行方式[1]。而安全和準(zhǔn)點(diǎn)是地鐵運(yùn)營(yíng)的首要目標(biāo)，武漢地鐵21號(hào)線自2017年12月起運(yùn)營(yíng)，采用A型車(chē)，牽引系統(tǒng)由株洲時(shí)代電氣有限公司提供，牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)作為地鐵車(chē)輛的主要部件，其性能和可靠度直接關(guān)系到地鐵運(yùn)營(yíng)的核心指標(biāo)，武漢地鐵21號(hào)線牽引系統(tǒng)整體運(yùn)行平穩(wěn)，但仍難以避免出現(xiàn)故障。其中較為典型的牽引主回路接地故障將導(dǎo)致車(chē)輛損失部分牽引力，對(duì)車(chē)輛的安全準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行造成較大影響，為此，有必要針對(duì)地鐵車(chē)輛牽引主回路故障的分析與處理進(jìn)行探討。

1 牽引主回路接地故障分析

1.1 故障現(xiàn)象

2020年1月23日7點(diǎn)58分，正線U15車(chē)司機(jī)報(bào)智能顯示設(shè)備HMI上彈出4項(xiàng)故障提示：M2車(chē)DCU模塊元件總故障、M2車(chē)DCU模塊C相上管故障、M2車(chē)DCU模塊B相下管故障及M2車(chē)DCU差分電流大于50A。武漢地鐵21號(hào)線為4節(jié)編組，兩動(dòng)兩半動(dòng)，全車(chē)共有12臺(tái)牽引電機(jī)，動(dòng)車(chē)的兩個(gè)轉(zhuǎn)向架均為動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，各帶有2臺(tái)牽引電機(jī)，兩節(jié)動(dòng)車(chē)分別提供全車(chē)三分之一的牽引力;半動(dòng)車(chē)的1位側(cè)為無(wú)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，2位側(cè)為動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，動(dòng)力轉(zhuǎn)向架帶有2臺(tái)牽引電機(jī)，兩節(jié)半動(dòng)車(chē)則分別提供全車(chē)六分之一的牽引力，由于株洲時(shí)代電氣有限公司提供的牽引系統(tǒng)控制方式為車(chē)控，因而該故障會(huì)封鎖M2車(chē)變流器模塊控制脈沖，該動(dòng)車(chē)的4臺(tái)牽引電機(jī)全部停止工作，車(chē)輛整體將損失三分之一的動(dòng)力。

1.2 牽引主回路主說(shuō)明

地鐵列車(chē)牽引系統(tǒng)主電路采用兩電平電壓型直-交逆變電路，牽引主回路電路如圖1所示，經(jīng)受流器輸入的1500V直流電通過(guò)充電回路、濾波回路及變流器模塊處理后驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)。當(dāng)線網(wǎng)電壓在1000V-1800V之間變化時(shí)，牽引主電路能夠正常工作，可靠地實(shí)現(xiàn)牽引制動(dòng)工況轉(zhuǎn)換。

列車(chē)電制動(dòng)包括再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)，再生制動(dòng)能量可以回饋電網(wǎng)供線網(wǎng)上其他地鐵車(chē)輛使用。常用制動(dòng)采取電制動(dòng)優(yōu)先的模式，當(dāng)電制動(dòng)不足時(shí)使用空氣制動(dòng)補(bǔ)足，而緊急制動(dòng)則僅使用空氣制動(dòng)。

牽引主回路各部件主要作用如下：

（1）支撐電容充電回路：充電回路由短接接觸器KM1、充電接觸器KM2、充電電阻R1組成。當(dāng)司控器的方向手柄置于非零位時(shí)，閉合充電接觸器KM2，高壓電源經(jīng)充電電阻R1給后端支撐電容C充電，當(dāng)支撐電容C兩端電壓達(dá)到線網(wǎng)電壓的85%時(shí)，短接接觸器KM1閉合，充電接觸器KM2隨即斷開(kāi)，支撐電容充電過(guò)程完成。

（2）濾波回路：濾波回路由線路電抗器L和支撐電容C組成。線路電抗器與支撐電容組成的濾波單元可用來(lái)限制直流側(cè)的電壓波動(dòng)，同時(shí)濾除高次諧波，抑制供電側(cè)電壓突變對(duì)二次側(cè)電氣設(shè)備的損害。

（3）逆變單元：變流器模塊中的逆變單元是整個(gè)牽引主回路的核心部分，完成了將直流電變換為三相交流電這一關(guān)鍵過(guò)程。逆變單元為兩電平逆變電路，由6個(gè)帶無(wú)功反饋二極管的IGBT組成，工作時(shí)由DCU發(fā)出控制脈沖，通過(guò)控制IGBT的順序?qū)P(guān)斷，將直流電變換為電壓頻率可調(diào)的三相交流電。另外，當(dāng)牽引電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí)，逆變單元可反向?qū)崿F(xiàn)整流功能，將三相交流電整流為直流電后回饋電網(wǎng)。

（4）制動(dòng)斬波單元：地鐵車(chē)輛在下坡或制動(dòng)過(guò)程中，牽引電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，其產(chǎn)生的反力矩使得列車(chē)減速，而當(dāng)產(chǎn)生的電能不能夠被線網(wǎng)吸收時(shí)，將使得支撐電容端電壓升高，此時(shí)制動(dòng)斬波單元發(fā)揮作用，IGBT導(dǎo)通由制動(dòng)電阻吸收這部分電能。此外，當(dāng)線網(wǎng)電壓波動(dòng)超過(guò)閾值時(shí)，為了防止支撐電容端電壓過(guò)高，制動(dòng)斬波回路也將導(dǎo)通，來(lái)降低過(guò)電壓，保護(hù)相關(guān)設(shè)備。同時(shí)，制動(dòng)斬波單元還具有快速放電功能，作為常規(guī)放電回路的補(bǔ)充，極大的縮短了斷電后的放電時(shí)間，給予檢修安全雙保險(xiǎn)。

（5）牽引電機(jī)：三相交流異步牽引電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子為鼠籠式結(jié)構(gòu)，定子為無(wú)機(jī)殼結(jié)構(gòu)，懸掛方式為架承式全懸掛，絕緣等級(jí)為200級(jí)，冷卻方式為帶內(nèi)風(fēng)扇自通風(fēng)，額定功率為190kW。

（6）檢測(cè)元件：檢測(cè)元件包括正線直流輸入電流傳感器LH1、負(fù)線直流輸入傳感器LH2、牽引電流傳感器LH3及LH4、斬波電流傳感器LH5、線網(wǎng)電壓傳感器VH1、支撐電容電壓傳感器VH2，以上均為霍爾傳感器。

1.3 故障分析

牽引控制單元DCU與列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制和診斷系統(tǒng)之間通過(guò)MVB網(wǎng)絡(luò)方式交換數(shù)據(jù)，通信單元可以將符合MVB協(xié)議格式的數(shù)據(jù)包傳輸給列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制和診斷系統(tǒng)，同時(shí)能接收網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，接受VCM的調(diào)度，并將變流器的運(yùn)行狀態(tài)和故障情況反饋給VCM。

牽引控制單元DCU具有記錄波形數(shù)據(jù)的功能，在故障發(fā)生前后的一段時(shí)間里，對(duì)相關(guān)電氣參數(shù)（模擬量和數(shù)字量）的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并存儲(chǔ)到FLASH里保存，以便維護(hù)工程師進(jìn)行后續(xù)故障分析。DCU的保護(hù)分為硬件保護(hù)和軟件保護(hù)兩種，其中，硬件保護(hù)功能由FPGA實(shí)現(xiàn)，主要包括IGBT元件故障保護(hù)、逆變輸出過(guò)流保護(hù)及硬件過(guò)壓保護(hù)等;軟件保護(hù)功能由OMAP芯片實(shí)現(xiàn)，各種保護(hù)參數(shù)可通過(guò)軟件靈活設(shè)置，主要包括牽引電機(jī)過(guò)熱保護(hù)、充電超時(shí)保護(hù)及欠壓保護(hù)等。

牽引控制單元DCU通過(guò)獲取電流傳感器LH1和LH2的采集值，經(jīng)計(jì)算處理后實(shí)現(xiàn)永久性監(jiān)控牽引主回路正線輸入電流和負(fù)線輸入電流的差值，當(dāng)該差值超過(guò)50A的預(yù)設(shè)值時(shí)，牽引控制單元DCU將會(huì)上報(bào)VVVF嚴(yán)重故障并在智能顯示設(shè)備HMI上彈出相應(yīng)故障提示DCU模塊差分電流大于50A，同時(shí)封鎖故障變流器模塊控制脈沖，避免設(shè)備損失進(jìn)一步擴(kuò)大。

使用維護(hù)軟件PTU查看事發(fā)時(shí)故障數(shù)據(jù)快速波形，數(shù)據(jù)顯示正線直流輸入傳感器LH1采集到故障發(fā)生時(shí)正線輸入電流峰值約1500A，負(fù)線直流輸入電流傳感器LH2采集到故障發(fā)生時(shí)負(fù)線輸入電流峰值約-900A（正常情況下，正線輸入電流與負(fù)線輸入電流基本相等，約為200A），兩者瞬時(shí)差值遠(yuǎn)超50A，表征牽引主回路出現(xiàn)嚴(yán)重接地短路故障。

DCU模塊C相上管故障和DCU模塊B相下管故障同時(shí)報(bào)出，說(shuō)明因檢測(cè)元件故障從而誤報(bào)管故障的概率較小，此故障應(yīng)是變流器模塊內(nèi)部出現(xiàn)短路情況或牽引主回路其他部位短路故障引起變流器模塊內(nèi)IGBT燒損所致，DCU模塊元件總故障是牽引控制單元DCU故障診斷功能的結(jié)果。

1.4 故障排查

針對(duì)該故障，進(jìn)行了以下排查[2，3]：

（1）檢查車(chē)下?tīng)恳骰芈肪€纜、牽引逆變器箱體外觀，觀察是否存在明顯的接地點(diǎn)，未發(fā)現(xiàn)異常情況;

（2）檢查變流器模塊周?chē)皟?nèi)部有無(wú)炸裂、燒損、銹蝕等痕跡，未發(fā)現(xiàn)異常情況;

（3）檢查牽引逆變器箱體內(nèi)接觸器、傳感器、電阻等元件是否有燒損、銹蝕等痕跡，檢查銅排狀態(tài)，對(duì)銅排緊固螺栓進(jìn)行力矩校驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)異常情況;

（4）檢查牽引逆變器接線箱及航插，接線箱內(nèi)緊固螺栓標(biāo)記線無(wú)偏移，未發(fā)現(xiàn)縮針、虛接情況，測(cè)量正極銅排對(duì)地電阻約100kΩ，均未發(fā)現(xiàn)異常;

（5）對(duì)電抗器進(jìn)行清潔后，檢查電抗器表面及周?chē)€纜，完好未見(jiàn)燒損;

（6）檢查牽引電機(jī)接線盒，防護(hù)良好、內(nèi)部潔凈，電機(jī)定子繞組進(jìn)行直流2500V絕緣測(cè)試，測(cè)量阻值結(jié)果為無(wú)窮大;

（7）檢查車(chē)下過(guò)渡接線盒，可見(jiàn)顯著燒損痕跡，M8螺栓已松動(dòng)，如圖2所示。

2 結(jié)論及措施

武漢地鐵21號(hào)線此次牽引主回路接地故障是因?yàn)檐?chē)下過(guò)渡接線盒內(nèi)M8固定螺栓松動(dòng)（工藝標(biāo)準(zhǔn)力矩10Nm），且地鐵車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中難以避免振動(dòng)，導(dǎo)致前后端線纜的接觸電阻顯著增大，引起局部過(guò)熱從而損傷線纜絕緣，線纜絕緣性能日益下降，最終在高壓下絕緣被擊穿并引起主回路接地短路。

故障修復(fù)工作過(guò)程如下：燒損的過(guò)渡接線盒需整體更換，牽引電機(jī)側(cè)線纜無(wú)余量需整體更換，牽引逆變器箱側(cè)線纜設(shè)計(jì)時(shí)留有余量，剪短10cm后表面未見(jiàn)燒損或氧化，且絕緣測(cè)試和耐壓測(cè)試通過(guò)，經(jīng)處理后可繼續(xù)使用。鑒于該螺栓松動(dòng)后果嚴(yán)重，因此有必要組織對(duì)所有車(chē)下過(guò)渡接線盒進(jìn)行普查，調(diào)整優(yōu)化檢修周期，同時(shí)進(jìn)一步細(xì)化年修規(guī)程中關(guān)于車(chē)下接線盒的檢查技術(shù)要求及工藝規(guī)范，并在定修修程中考慮加入力矩校驗(yàn)項(xiàng)目。

3 結(jié)語(yǔ)

武漢地鐵21號(hào)線牽引主回路接地故障對(duì)正線行車(chē)產(chǎn)生了較大影響，本文介紹了牽引主回路各部件主要功能，針對(duì)牽引主回路接地故障的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，制定了對(duì)應(yīng)的處理措施，并就后續(xù)優(yōu)化檢修標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)防提供了建議，為后續(xù)此類(lèi)故障的處理提供了依據(jù)，確保地鐵車(chē)輛的安全可靠運(yùn)行。

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