地铁车辆电气系统中牵引与辅助系统故障与检修

2017-04-09黄文斌

设备管理与维修 2017年11期

黄文斌

（中车时代电气股份有限公司，湖南株洲 412001）

1 电气牵引与辅助系统

1.1 牵引系统的特点

电气牵引与控制是通过车控实现的。每辆动车上的4台电机是利用1C4M式高压电路中的VVVF（Variable Voltage and Variable Frequency，可变电压、可变频率）逆变器实现供电的；利用无速度传感器的矢量有效控制交流牵引电机的转矩，以速度推算方式为基础进行滑行控制；电制动要滞后于再生制动，随着再生制动吸收条件的改变，电制动和再生制动之间灵活转换；在地铁车辆中设置母线断路器与贯通式高压母线线路，以保证地铁可以安全的通过每一处空线电分段区。整个电气系统充分利用地铁车辆的黏着条件，在地铁车辆空载与超负荷区域内进行有效调整，保证地铁车辆在超负荷与空载状态时能稳定加速。此外，还需兼顾滑行控制与空转控制功能。

1.2 牵引系统的构成

主要包括高速断路器、线路滤波元件、牵引逆变器、接地故障检测系统等。高速断路器被安装于逆变器中，作用是对短路、接地等引发的过流问题进行有效保护，保护范围需与变电所的保护相互协调；线路滤波器是为平滑输入电流，对车辆与接触网间的相互干扰进行抑制，可对雷击故障或变电所断路器断开造成的瞬时行波等进行保护，在突发接地故障时可保护牵引系统的其他设备不受损坏；牵引逆变器是由过压保护电阻、支持电容、制动斩波相、逆变桥、GDU（Graphics Display Units，图形显示单元）、DUC（Data Utilization Center，数据使用中心）控制板以及其他辅助元件等组成，在实际应用中需经过冷却处理，多采用热管散热器进行冷却。

1.3 辅助系统的构成

辅助系统分为蓄电池组、DC/AC逆变器组和DC/AC变换器组。蓄电池组是由多个电池单元组成，蓄电池保护方式有：与接触器分断，使蓄电池与负载处于隔离状态；隔离充电器与蓄电池，充电过程进行过流与过压保护；充电器控制充电电压。DC/AC逆变器也可称为辅助逆变器，通过将接触网架空来给其供电，以达到辅助电源的目的。变换器也称为蓄电池充电器，通常蓄电池充电器组应≥2个电池单元，如果其中一个出现问题，其他的可继续工作，以免影响车辆运行。

2 牵引故障分析与检修

2.1 故障分析

（1）非正常运行状态。地铁车辆在正常运行过程中，常会发生启动和制动的状态，该现象将会对地铁车辆的正常运行造成很大影响。此外，在上下班高峰期，地铁常处于过载状态，此时就会出现因车辆制动而引起的电流、电压不稳定等现象（类似短路情况），有可能造成继电器保护装置出现误动作，而对地铁车辆电网系统造成严重的影响。

（2）非金属性短路故障。它是在非金属状态下出现的短路故障，多发生在雨雪等状况，例如，轨道被雨雪覆盖，此时雨雪将是供电系统传播电流的导体，三轨是将整个绝缘支座固定在道床上，与接地扁铜有着可靠的绝缘关系。但随着地铁使用时间的延长，车辆的支撑体就会出现老化或污秽的情况，导致电流泄漏，这些电流绝缘支座传向接地扁铜，再通过变电所传回负极。因此，应对支撑体进行定期保养，以免上述故障发生。此外，电弧短路也较为常见，它是因导体接触到了带电体而造成的短路。

（3）金属性故障。它是三轨与钢轨间发生了接触而导致的故障，或因接地扁铜被击穿失去了绝缘性能，使三轨与接地扁铜间出现短路等情况。如检修人员将金属工具遗漏在三轨与钢轨之间，在送电时三轨与钢轨间就会造成直接短路。

2.2 故障检修

（1）故障仿真分析是检修中最常用的手段。因为地铁车辆电气牵引系统故障的位置，多处于供电臂远离牵引变电所的远端，利用仿真分析，得出远近端路点的馈线电流，根据电流稳态值的变化可以得出随着故障距离的减小电流稳态值逐步降低，且距离故障末端越近，电流变化越快，根据这一点可以判断出直流牵引网电压的变化情况。

（2）为了避免牵引变电站的子模型在最初阶段处于暂态的状态，可通过以下实验进行仿真分析，即设置一辆地铁在0.05 s内启动，在0.11 s时分别在距离3 m与5 m处设置故障，以此来模拟短路故障。通过分析直流馈线电流仿真结果可得出接近于指数的函数，与接触网末端的距离越近，电流的变化越快，其稳态值就越高。通过故障仿真分析，可以根据直流馈线的电流变化，准确得出牵引系统是否发生故障。

3 辅助系统的故障与检修

3.1 故障分析

（1）电容器故障。铝电解电容器处于逆变器内部，作用是稳定车辆的运行电压。因电容工作时极易对氧化膜造成破坏，虽然氧化膜可以自行愈合，但自愈速度远小于损坏速度，因此仅依赖氧化膜自愈是无法满足修补要求的，不仅会出现氧化膜破损，严重时还会被击穿，使电容器失效。

（2）电力半导体器件故障。对逆变器来说，一旦电力半导体失效，就会造成逆变器失效。因为电气系统设计过程中未对电力半导体器件采取一定的保护措施，所以容易造成其失效。

（3）半导体器件故障。逆变器内部的多个弱电半导体单元直接关系着逆变器能否正常工作，一旦某个部件出现故障，逆变器的整体功能将会受到影响，进而对逆变器的整体性能带来危害。逆变器失效原因可分为内部原因与外部原因。内部原因是逆变器固有特性发生了改变，外部原因是外界影响造成的故障。

3.2 故障检修分析

（1）创建网络系统。就是将辅助系统的故障采集数据一一输入到未经训练的网络系统当中，然后在网络系统中对故障采集的数据进行对应的ANN（Artificial Neural Networks，人工神经网络）训练，与此同时还可在训练过程中找出解决问题的最佳办法，以便获得与之相对应的诊断网络。其中，诊断网络是对故障进行检修的重要前提，必须通过诊断系统找出故障原因，才可有效的对故障进行检修。

（2）对网络的诊断，主要是通过神经网络对所得数据进行计算的一个过程，既是根据网络输入诊断出辅助系统故障原因与故障点的过程，也是提取与处理故障点的过程。完成故障诊断则可按照辅助系统的信息样本进行故障处理，最后在神经网络系统中做好相应的检查工作，这一点很重要，以免前功尽弃。