地铁车辆110 V继电器故障及对策分析

2020-02-02王楠

通信电源技术 2020年20期

王楠

（苏州轨道交通集团运营分一公司，江苏苏州 215000）

0 引言

苏州地铁2号线由2013年运营至今，已经跨过了7个年头，2号线主线车及增购车将陆续完成架修。随着运营时间的增加，继电器出现触点卡滞和粘连的故障频次逐渐上升。而继电器一旦发生故障，将对正线车辆运营造成较大影响。因此，研究了继电器使用现状及其故障特点，提出了相应继电器的维护措施，实现继电器的全寿命周期管理。

1 苏州地铁2号线车辆控制继电器现状

1.1 继电器使用情况

苏州地铁2号线为3动2拖5节编组，目前有主线车24列，增购车16列，共计40列车。列车控制继电器包括利奇、施密特以及ABB3个品牌共计19种继电器，如表1所示。

1.2 运营至今故障情况

行车指标用于评价城轨交通的运营情况，包括晚点、清客、抽线、下线及列出准点率等。影响行车指标的事件叫做行车指标事件，该事件对应造成的影响叫做指标影响。不同程度上对行车指标的影响叫做层次指标影响，包括2～5 min晚点、5～15 min晚点、15 min以上晚点、清客、下线、抽线及救援等。运营至今，苏州地铁设备故障共发生61次行车指标事件。根据苏州轨道交通集团运营分一公司技术部对于事故事件中的指标定责进行责任划分，某中心/单位承担全部责任的，涉事中心/单位承担100%责任指标，涉及两家中心/单位，主要责任的中心/单位承担70%责任指标，另一方承担30%责任指标，涉及3家中心/单位，主要责任的中心/单位承担70%责任指标，另外两家中心/单位各承担15%责任指标，涉及4家中心/单位，主要责任的中心/单位承担70%责任指标，另外3家中心/单位各承担10%责任指标，涉及5家中心/单位，主要责任的中心/单位承担60%责任指标，另外4家中心/单位各承担10%责任指标，涉及多家中心/单位且无主要责任的，责任指标平均分配。经统计，继电器故障导致行车指标事件共19次事件，占31%。

表1 继电器使用情况统计表

故障按照其所在系统的特点，主要集中在车门控制系统、制动控制系统、受电弓控制系统司机室占有控制以及继电器指示灯模块，如图1所示。

图1 故障数系统分布图

苏轨2号线车辆的继电器中车门控制和制动控制动作次数较为频繁，而受电弓及司机室占有控制为长时间得电的继电器。通过后期检查发现，故障主要为触点卡滞、继电器线圈故障以及继电器指示灯模块内部损坏，如图2所示。继电器故障存在较强的阶段性，随着使用年限的延长，继电器性能会随之下降，继电器的故障率则会相应上升，特别是使用频次较高的继电器，此现象会更加明显。由于架修和大修期间批量性更换继电器，故障情况会有一阶段相应的好转，故障成阶梯状分布。

图2 故障类型占比图

1.3 维护现状

在均衡修修程周期内，每3个月清理继电器柜及继电器表面，检查继电器外观和可视线缆，在每5年、10年的架修和大修修程内，架修时批量更换常用继电器及个别重点继电器，在大修时则更换所有常用继电器及重点继电器。继电器存在易在运营后期及架修和大修前期故障率上升这一情况。

2 继电器故障风险分析

继电器出现故障的原因是多样的，按照其内部故障状态，可分为触点粘连、触点卡滞以及线圈故障3类。不同的电路结构导致出现这3种故障现象的风险不尽相同，并且3种故障风险也相互影响，因此电路结构的选择必须考虑电路本身的作用和影响。一般粘连故障的安全风险更高，对于重要和需要避免触点粘连的继电器控制回路，需选择触点形式为双断双开的继电器，而对于其他控制回路，则可以选择触点形式为单刀双掷的继电器[1]。现阶段，继电器发生线圈故障的情况较少，因此根据继电器发生触点粘连或卡滞的情况所能造成的影响，将继电器触点故障的影响等级分为轻微、中等以及严重，分类后各等级占比如图3所示。对于故障时可能造成严重影响的继电器，则推荐使用行程冗余机制或通过有效的按钮和开关等旁路触点对其进行旁路，以减少其故障所可能产生的影响。

图3 继电器故障影响等级占比图

3 继电器故障对策及整改措施

3.1 优化电路结构

优化继电器控制线路，能够在不影响实际功能的前提下，减少单个继电器及其触点故障所可能造成的影响。

3.1.1 继电器触点并联

由于开门电路为上升沿触发，并且开门逻辑中考虑了零速和使能，因此在4号线电路中的ZVR采用了并联结构，1号线为单触点结构。对于不可取消的关键继电器，使用两个继电器并联同时得电，而以其常开触点串联反馈信号的门联锁继电器DIR1和DIR2为例，增设一组此两个继电器的串联常开触点，与之进行并联，在保证门联锁安全优先级的情况下，对其反馈信号进行冗余设置，避免其因为门联锁继电器任意一个常开触点的故障所可能造成的列车未收到所有门关信号反馈命令，导致列车牵引封锁的问题[2]。

3.1.2 取消中转继电器

电客车继电器主要具有低功率控制大功率和逻辑中转功能，部分的中转继电器可以取消。例如，开/关门继电器DOR、DCR和非零速继电器TZVR，在苏州4号线后期项目中已取消。

3.1.3 增加旁路开关

为减少故障影响，结合实际影响，可增加旁路开关或者多选取一个设备信号。目前，许多电路中已有旁路开关，如门联锁旁路。实际2号线门联锁继电器故障率较高，但对正线行车基本无影响。鉴于2号线开关门回路故障率较高，出问题即清客，可以考虑设置开门和关门回路硬线旁路开关。

3.1.4 取消或减少使用串联形式的继电器常开触点

取消或减少使用串联形式的继电器常开触点，能够减少由于该组触点故障所产生的相应故障。例如，取消KSR3钥匙激活继电器的一组位于司控器向前位输出命令信号线路中的触点，不影响其实际功能，同时避免由于该组继电器触点故障所产生的没有向前位输出命令信号，造成列车牵引封锁的问题。

3.1.5 控制继电器反馈触点的逻辑

对于不可取消且无法冗余备份其触点的继电器反馈触点，在列车网络可备份的情况下，优化控制逻辑，使用网络信号反馈进行备份。在系统逻辑中对网络及硬线信号取或门，避免单个继电器触点故障造成影响。以气制动缓解反馈信号为例，在8个气制动缓解BRR继电器触点串联反馈，形成整车气制动缓解反馈信号的情况下，增设其对应EP阀的网络反馈命令，与之形成或门控制，提升EP阀网络反馈制动缓解命令的优先级，避免单个气制动BRR继电器反馈触点故障造成列车控制系统判断列车气制动未缓解，产生牵引封锁的问题。

3.2 维修策略调整

跟踪关键继电器使用情况，按阶段分批次评估关键继电器性能，评估内容包括响应时间、负压时间、触点接触电阻、线圈电阻、最小吸合以及释放电压等。适当缩短批量更换线圈得电时间长、动作频次高的关键继电器的周期，以减少总体使用时间[3]。

3.3 LCU改造

目前，主流使用LCU替代继电器，使用mosfet替代继电器触点，并且有两路并联冗余设计。LCU一般可替代80%的继电器，一般不替代大功率负载继电器和应急电路继电器。LCU通过硬件与软件结合，应用新型光耦和场效应管等电路实现无触点控制，替代原控制电路中的时间继电器和中间继电器等有触点的器件，完成列车控制所需的各种逻辑和延时控制功能[4]。LCU具有以下3点优势。第一，减少了维护周期。LCU含有网络通信和处理器，可以内置自检检修软件，通过简单命令就可以快速完成自检检修工作，极大地简化了一线检修人员的日常性检修及故障处置工作。第二，提高了系统可靠性。LCU的逻辑整体采用光耦和MOSFET等无触点电子元件替代继电器有触点的机械部件，具有损耗小和寿命长的特点。地铁LCU系统设计采用高可靠性的双系统热备方案，包含网络热备冗余、接口和控制单板热备冗余以及双电源系统，单点故障不引起系统异常，从而极大提高了系统的可靠性。第三，提升了故障诊断能力。地铁LCU系统设计包含故障智能诊断功能，内部实时扫描产品电路运行状态，隔离和切换故障单元，外部实现双路检测和驱动，能够可靠地诊断故障[5]。LCU利用软件实现了逻辑定制、故障诊断以及运行记录等功能。