地铁车辆充放电电阻烧损的原因与解决措施

苗伟明 曾恺若 付小龙

(1.大连地铁运营有限公司 辽宁 大连 116021；2.株洲中车时代电气股份有限公司 湖南 株洲 412001)



地铁车辆充放电电阻烧损的原因与解决措施

苗伟明1曾恺若2付小龙2

(1.大连地铁运营有限公司 辽宁 大连 116021；2.株洲中车时代电气股份有限公司 湖南 株洲 412001)

通过分析大连地铁车辆主电路工作原理，找到了牵引系统充放电电阻烧损的原因，并提出了相应的解决措施，经实践检验，措施简单、有效。关键词：牵引系统；充放电电阻；烧损

牵引系统是地铁车辆的重要组成部分，在使用可靠性和可维修性方面有着较高的要求。大连地铁车辆在调试期间曾经发生牵引系统充放电电阻烧损故障，影响了正常的调试工作。

1 大连地铁车辆简介

大连地铁车辆采用架空接触网供电，受电弓受流，额定电压为DC1 500 V。列车采用4动2拖编组，编组形式为=Tc-Mp-M+M-Mp-Tc=。其中：Tc为带司机室拖车，Mp为带受电弓动车，M为不带受电弓动车。

1.1 主电路工作原理

列车牵引系统采用VVVF逆变器-异步牵引电动机构成的交流电传动系统，为车控方式。列车牵引系统主电路采用两电平电压型直-交逆变电路，由受电弓接触受流输入的DC1 500 V直流电经牵引逆变器变换成频率、电压均可调的三相交流电，向异步牵引电动机供电。牵引逆变器由2个逆变模块单元组成，每个逆变器模块驱动2台牵引电动机，电阻制动斩波单元与逆变模块单元集成在一起。当电网电压在1 000～1 800 V之间变化时，主电路能正常工作，并方便地实现牵引-制动的无接点转换。动车的主电路型式结构完全相同，满足列车的牵引及制动特性的要求[1]。其中Mp车主电路原理图如图1所示。

1.2 高压电气箱组成

高压电气箱为地铁车辆电气牵引系统主电路的构成部分，实现牵引系统的电路通断和保护功能，主要器件有主隔离开关MQS、高速断路器HB、差分电流传感器LH、预充电接触器KM2、短接接触器KM1、充电电阻R1等。主隔离开关用于主电路的隔离以及通过机械连锁开关将支撑电容器的两端通过放电电阻连接后释放能量；高速断路器用于主电路的故障保护；差分电流传感器用于检测后续电路的接地故障；充电接触器用于支撑电容器的预充电；短接接触器用于电网直接向牵引逆变器供电。

1.3 高压电气箱工作原理

DC1 500 V 电源从受流器/受电弓经熔断器箱送到高压电气箱，经过隔离开关MQS、高速断路器HB、差分电流传感器LH1、短接接触器KM1、充放电电阻R1、充电接触器KM2，将电源输送到电抗器和牵引逆变器。MQS是手动操作的闸刀式机械开关，用绝缘棒操作，同时，MQS设置有专门用于释放牵引逆变器电容能量的放电开关MQS1，该开关与隔离开关主刀联锁，在确保断电5 min后，通过绝缘棒操作。HB为主牵引高压回路的保护开关，每个高压电气箱内都设有一个单极高速断路器，可以提供双向通断，给车上的牵引设备提供过流和短路保护。HB的断开方式有2种：一种是通过牵引控制单元DCU来控制；另一种由过流和短路故障而引发器件本身的脱扣分断。差分电流传感器LH是通过监测牵引电路中输入和输出电流的差值，从而为主电路提供保护的设备，当检测到1 A漏电流时发出警告信号，检测到50 A漏电流时则发出跳开HB信号。KM1、KM2为单极电磁型接触器，它们与R1、MQS1一起组成电容器充放电单元，用于主电路支撑电容器的充、放电[2]。

图1 大连地铁Mp车牵引主电路

2 故障现象

2014年5月25日，首列车(0201)在调试时，其02012车和02015车均报充电不良故障，现场检查后发现充电电阻R1和充电接触器KM2烧损(见图2)，电阻端部绝缘子有拉弧现象，同时变电站跳闸。从图2可以看出电阻承受了能量冲击，导致电阻釉面龟裂而掉落到柜体底部，充电接触器KM2动触头存在烧损情况。

图2 充电电阻和充电接触器烧损

3 故障原因分析

充电过程控制方式：充电接触器KM2合3 s，DCU 进行判断：(1)0.5 s 时中间电压需大于200 V，未达到则报充电超时故障；(2)2.8 s 时中间电压需大于或等于85%网压，或中间电压大于800 V，未达到则报充电超时故障，连续2次报充电超时故障时DCU会锁定故障。当DCU没有报充电超时故障时，短接接触器KM1合1 s 后，断开KM2[3]。

该首列车的试验线路约为1.2 km，当司机手柄回零后，间隔120 s才会断开KM1，所以如果存在2次连续充电的情况，2次连续充电间隔的最短时间为120 s(正常时的最短间隔时间)。充电的时间常数τ=RC=75×8.6×10-3=0.645(s)，根据以上描述的充电过程，可知2 s基本可以完成充电。在一次充电过程中，电阻上消耗的能量为1/2×C×U2=0.5×8.6×10-3×1 8002=13 932(J)(网压取最高1 800 V)。

大连地铁车辆高压电气箱使用的充电电阻标称阻值为75 Ω，额定功耗为300 W，表面温升350 K，额定电压150 V。由于故障现象中有充放电电阻烧损情况，因此对该型号电阻进行电阻额定温升试验，试验依据标准GB/T 5729—2003/IEC 60115—1∶2001《电子设备用固定电阻器第1部分:总规范》第4.14条温升进行，经试验验证当环境温度为29 ℃时，电阻表面最高点温度为395 ℃，温升为366 K，不满足技术参数要求。

由于故障现象中电阻端部绝缘子有拉弧现象且接触网断电，故分析可能是由于电阻烧损造成绝缘子拉弧，致使接地故障发生，将充电接触器触头烧损。发生故障后下载了当时的数据记录(见图3)，从中可以看出，在合主断路器后进行充电的过程中，支撑电容器两端电压先升高后中间电压急剧跌落，最后降为零。中间直流电流在短时间内迅速升高而后剧降为零，符合前面的分析，可能存在接地现象。

图3 故障发生时的数据记录

综上分析，电阻烧损的原因主要是由于电阻温升不满足电阻自身参数要求，表面涂层材料耐高温性能不够且端子对安装座绝缘易被破坏以致电阻在使用中釉面脱落，绝缘失效，造成损坏。另外，也有部分原因是由于现场调试工况，电阻较正常使用情况下负荷加重，累积能量冲击造成电阻失效。

4 解决措施

采用较大容量电阻替换现有电阻，高压电气箱在设计时，中隔板上已预留了以往项目使用的充电电阻的安装接口，因此改造便利。针对本次电阻使用中出现的问题，立即启动改造流程，将原先的1个电阻(型号为RX20-300W-75Ω±5%)换成2个电阻并联(型号为RXQ-S 500W-150Ω±5%)，等效阻值一样，对控制系统时间参数无影响，以彻底消除该电阻带来的隐患(见图4)。

5 结束语

按此解决措施对大连地铁所有地铁车辆的牵引系统高压电气箱进行了整改，截至目前，车辆未再发生充放电电阻烧损故障，车辆运行状况良好，问题得到解决，也验证了该解决措施简单、有效(见图4)。

图4 整改后的电阻

[1] 中车大连机车车辆有限公司.大连地铁1、2号线一期工程车辆操作手册[M].大连：中车大连机车车辆有限公司，2015.

[2] 中车大连机车车辆有限公司.大连地铁1、2号线一期工程车辆维护手册[M].大连：中车大连机车车辆有限公司，2015.

[3] 株洲中车时代电气股份有限公司.大连地铁1、2号线充电电阻烧损分析报告[R].株洲：株洲中车时代电气股份有限公司，2014.□

(编辑：林素珍)

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(中国中车)

2095-5251(2016)06-0028-03

2016-05-25

苗伟明(1979-)，男，硕士研究生学历，高级工程师，从事技术管理工作。

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