广州地铁2号线车辆直流传输线故障分析及解决措施

原宇博

(广州市地下铁道总公司 运营事业总部 车辆中心,广东广州510310)

广州地铁2号线车辆采用4动2拖6节编组A型地铁车辆。6节车由 A、B、C 3种车型,按照 A—B—C—C—B—A的方式组成,车辆之间以半自动车钩和半永久牵引杆相连。其中A车是带司机室的拖车,B车是带受电弓和驱动电机的动车,C车是仅带驱动电机的动车,动车结构基本相同。

本文基于2号线车辆MCM的工作原理来分析正线运营期间频繁报直流传输线(OVC最大值)的故障原因,并提出相应解决措施。

1 牵引控制模块MCM工作原理

1.1 牵引控制模块MCM概述

MCM通过将1 500 V直流电逆变为0～1 400 V,0～120 Hz的交流电,为每节车4个并联牵引电机提供电源,是牵引系统的核心部件。MCM由3个主要子系统组成:三相逆变器、DC电容和过压/制动斩波器。牵引逆变器控制单元(DCU/M)用来控制和监测这3个系统。在MCM 内部有一个电源模块,向DCU/M、门极驱动单元(GDU)和相关测量装置如电压传感器、电流传感器供电(图1)。

1.2 DCU/M工作原理

DCU/M具有自诊断、故障诊断和存储及自监视功能,是用来控制和监控MCM的主要部件。DCU/M 通过MVB总线与列车计算机(VTCU)进行通信,对VT CU传来的转矩参考值进行修正,并根据车辆状态,如车轮直径和空转/滑行情况、DC电压、电机/MCM 温度和MCM输出电流等,得到最佳转矩给定值,从而控制三相逆变器的输出。

图1 MCM主电路图

DCU/M的运行和停止是通过以下逻辑实现的:如果网压正常,并且DCU/M接收到高速断路器(HSCB)已经合上的信息,DCU/M就处于充电状态,再接收到牵引指令,DCU/M就处于运行状态,如图2所示。如果DCU/M 处于非充电状态,或者出现快速/紧急制动指令、无牵引安全反馈信号和电制动故障的任何一种情况,DCU/M就停止运行,如图3所示。

图2 DCU/M运行状态逻辑图

图3 DCU/M运行停止状态逻辑图

1.3 DC电容和过压/制动斩波器工作原理

三相逆变器内有两相过压/制动斩波器,均与直流电容并联,每相输出分别与一个制动电阻相连,如图4所示。通过投切制动/过压斩波器来控制DC电压幅值。

图4 斩波器相引脚

DC电压的额定值为1 500 V,允许的上限值为1 800 V。MCM中有一个专门测量DC电压的传感器,当电压传感器检测到DC电压超过1 800 V时,DCU/M就向斩波器中的GDU发出指令,开启制动斩波器,将能量消耗在制动电阻上。当DC电压降到1 800 V以下时,制动斩波器关闭。当电压传感器检测DC电压超过指定公差3%,也就是超过1 850 V时,就会报直流传输线故障(OVC最大值),在连续3次出现此故障或者一次故障时间较长时,MCM模块就被保护性关断。同时,DCU/M还对制动电阻的温度进行监控,如果制动电阻的温度超过最大允许值,则DCU/M将切除相应制动电阻。

2 问题的提出

广州地铁2号线车辆于2004年投入正线运营,近两年来列车牵引逆变器(MCM)报直流传输线故障(OVC最大值)次数显著增加,据统计,从2008年开始MCM模块报直流传输线测量故障的次数占所有故障次数的6%～7%,每月次数从几次到二十几次不等,其中2009年4月就出现20例正线直流传输线测量故障。由于此故障连续检测到3次后,DCU/M将封锁逆变器,造成列车动力下降,对地铁运营造成了较大影响。

直流传输线故障(OVC最大值)多发于正线,同时伴随制动电阻高温,但是回库检查后发现车辆并没有故障。报故障时的数据如图5、图6。

图5 MCM故障诊断信息

图6 故障时网压检测值

从数据可以看出,故障时列车处于制动状态,此时检测到的网压为1 898 V,超出DC电压允许的最大值1 850 V,但此时同单元另一节车检测的电压为1 771 V,说明故障显示的OVC参考最大量是由于本节车网压检测过高引起的;由于检测到网压一直处于1 800 V以上,DCU/M启动了制动斩波器,长时间工作将导致出现制动电阻过温故障。综上所述,直流传输线故障(OVC最大值)是由于网压检测有误造成的。以下3种原因均可能导致网压检测有误:

①电压传感器故障;②DCU/M板故障;③电磁干扰。

3 直流传输线故障(OVC最大值)原因分析

3.1 电压传感器和DCU/M板的故障分析

MCM模块中的电压传感器采用霍尔传感器,将待测量的电压转为电流信号输出,输出的电流信号与被测电压之间是线性关系。但是霍尔元件的线性工作区是有一定范围的,额定工作电压Ue为1 500 V,其上限为1.5Ue(2 250 V),当待测电压达到 2Ue(3 000 V)时,电流畸变将十分显著。

因此测试时,输入电压选用27 V和116 V(模拟高压)是满足要求的。对20个报直流传输线故障而更换的电压传感器进行测试,发现只有4个电压传感器故障,其余16个均检查正常,说明报直流传输线故障的根本原因不是电压传感器存在故障。

然而在测试过程中发现,不同电压传感器接在同一个DCU/M 板时呈现不同的输出值,测试分别选取4个电压传感器与同一块DCU/M板相连,4个电压传感器的零点漂移依次分别为0.17,0.18,0.08,0.07 mA(注1 mA对应30 V即1∶30比例),然后对各自转换电压进行比较,具体数据见表1。

表1 不同传感器在同一块DCU/M板的输出电压

测试过程中还发现,同一电压传感器与不同DCU/M板相连,输出值也不相同,测试选取表1中记录的传感器1分别与4块DCU/M板相连,然后对各自转换电压进行比较,具体数据见表2。

由于传感器和DCU/M板本身存在测量误差,再结合表1和表2可以得出电压传感器与DCU/M板之间存在匹配问题,根据以往的检修经验,要求电压传感器在±27 V电源情况下,零点漂移最大不能超过0.18 mA;装在MCM模块上用27 V和116 V输入电压测试时,实际电压传感器输出值越接近输入电压值越好。

表2 同一传感器在不同DCU/M板的输出电压比较

经验表明,在低压情况下越接近,高压下实际值与DCU/M计算值也相对接近,不至于报直流传输线故障。

3.2 电磁干扰引发的故障分析

对部分电压传感器检测后,发现对零点漂移大于0.18 mA,或者在试验台低压、模拟高压测试时与实际值相差大于2%的电压传感器进行装车后,偶尔会报直流传输线故障,这与电压传感器安装于MCM高压工作环境,以及其内部设备的导电构件、供电电源、电感、电容和互感元件等产生干扰信号的叠加有关,电磁干扰造成了网压检测信号的畸变或缺失,从而导致输出信号的不准确,畸变波形图如图7所示。

图7 网压信号畸变波形图

4 解决措施

4.1 电压传感器与DCU/M进行匹配

对出现直流传输线故障的MCM模块,首先对其电压传感器进行零点漂移检测(不大于0.18 mA即5.4 V),另外对电压传感器与模块进行配对试验,分别装在MCM模块上用27 V和116 V电源(模拟高压)进行测试,要求电压传感器的输出值与PTU上显示DCU/M实际值越接近越好,最大误差为2%。在匹配误差为2%的条件下,即使再生制动或网压波动使电压达到1 800 V,DCU显示的电压也才1 836 V,没有超过1 850 V的最大允许值,就不会报直流传输线故障。

4.2 对电压传感器加装磁环

为了降低电磁干扰对网压检测信号的影响,对2号线车辆电压传感器进行加装磁环的改造,改造后效果明显,正线故障率有所降低。

5 结束语

通过对电压传感器与DCU/M板匹配和加装磁环的改造,有效的解决了广州地铁2号线车辆频繁报直流传输线的故障难题。按照此匹配原则,广州地铁2号线对已装车6组电压传感器和DCU/M板进行跟踪,出现不正常的报直流传输线故障(OVC最大值)的情况大为减少,列车运行的稳定性大大提高。这为今后2号线列车处理此类故障提供了较大的参考价值,对工程设计也有一定的借鉴意义。

[1] GMC.广州地铁2号线车辆系统培训教材(下)[Z].2007.

[2] CBRC.广州地铁2号线车辆维修手册[Z].2004.

[3] Bombardier.广州地铁2号线车辆软件描述[Z].2004.