地铁电气系统中牵引与辅助系统的故障与检修

赫亮

[摘    要]为了提高地铁车辆的运营效率，有必要积极研究牵引供电系统和辅助供电系统的故障与检修方法，从而完善地铁故障检测程序，降低地铁故障发生率。文章从电气系统中的牵引与辅助系统的特点出发，阐述了地铁电动车辆牵引及辅助系统的特点，并在分析研究的基础上，对我国地铁电动车辆牵引及辅助系统的故障及检修方法进行了分析研究，希望能为我国地铁系统的完善提供一些参考。

[关键词]地铁车辆;电气系统;牵引与辅助系统;故障;检修

[中图分类号]U231.94 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）01–00–03

Faults and Maintenance of Traction and Auxiliary System in Metro Electrical System

He Liang

[Abstract]With the acceleration of urbanization and the rapid increase of the number of motor vehicles per capita， the traditional mode of transportation has seriously affected the efficiency of urban traffic， resulting in urban traffic congestion and emission pollution. In order to solve this increasingly serious urban traffic problem and improve the quality of urban environment， subway， as an important part of urban rail transit， has been widely used in the city. Subway is a very complex traffic operation system， in which the traction system and auxiliary system play an important role in the subway electrical system. In order to improve the operation efficiency of metro vehicles， it is necessary to actively study the fault and maintenance methods of traction power supply system and auxiliary power supply system， so as to improve the Metro fault detection program and reduce the incidence of Metro fault. Starting from the composition of the electrical system and the characteristics of the traction and auxiliary system， this paper expounds the characteristics of the traction and auxiliary system of Metro electric vehicles， and on the basis of analysis and research， analyzes and studies the faults and maintenance methods of the traction and auxiliary system of Metro electric vehicles in China， hoping to provide some reference for the improvement of the metro system in China.

[Keywords]metro vehicle; electrical system; traction and auxiliary system; fault; maintenance

1 地鐵车辆电气系统中牵引与辅助系统的特点

1.1 地铁车辆电气系统中牵引系统的特点

地铁车辆电气牵引系统是地铁的控制中枢，系统一般由四台电机完成供电功能，电机可以通过对高压电的频率的调整来达到对地铁速度的控制。这些电机还包括无速度传感器和无转矩传感器驱动等组件，可以解决传统的再生制动迟滞的特性，实现电制动与再生制动的自由转换。

地铁车辆牵引系统主要由牵引逆变器、接地故障检测系统、高速断路器和线路滤波器组成，各个组件的相互协调来保证输入电流的稳定，其中，线路滤波器可以使输入电流更加平滑，避免车辆与接触网之间的过大干扰，防止接触网对其他车辆正常运行造成影响;交流牵引电动机使用带逆变器的三相鼠笼式;由DOC控制板、GDU模块和逆变桥组成牵引逆变器;一般还需要增设高速断路器，避免接地短路引起系统过流。索引系统中包括的线路滤波控制器、GDU模块、斩波器制动模块、过压保护电阻、接地电阻等。一般情况下，还将热管散热、路器和高速断路器安装在逆变器中可以防止接地故障，与变电器协调工作保护牵引系统正常运行。

1.2 地铁车辆电气系统中辅助系统的特点及构成

地铁车辆辅助系统由包括充电模块、蓄电池模块、DC-DC变换器、AC-DC变换器和直流逆变模块等多个单元组成。作为辅助系统的核心部分，多个单元协调工作可以实现地铁直流电源、直流逆变电源、交流逆变电源和直流逆变电源的动态变换。蓄电池组带有电源保护功能，其主要通过断开触点的方式防止电源过载;蓄电池充电器也是电力辅助系统的重要组成部分，可以通过DC-DC变换器作为辅助逆变器满足地铁车辆电气系统中获取架空电能的要求，并且满足地铁电力车辆空调系统、风机等交流负荷供电需求。

2 地铁车辆电气系统中牵引系统故障和检修

2.1 牵引系统故障

首先，通过地铁出行已成为大中城市居民重要的交通手段，为减少故障的发生必须防患于未然，确保在第一时间排查潜在故障并在第一时间检修故障。造成这类故障其中一个重要原因就是地铁车辆牵引系统故障，造成这种故障的原因很多，本文主要从非正常运行状态、金属故障和非金属故障三个方面分析电力系统故障。

（1）正常运行状态下的牵引系统故障。在地铁车辆运行中，难免会出现一些非正常情况，如在城市人口高峰期地铁车辆满载或超载等特殊情况，且负荷过大，地铁会严重失控，处于非正常运营状态。当地铁车辆刚起步或处于高速运行状态遇到超载情况时，会增加地铁网电压、电流的异常波动，当达到一定程度时，可能导致系统自动识别错误，这种异常负载与牵引系统和继电保护的状态有关，保护系统装置误认为系统可能出现故障，自 动进行某种应对措施，这种系统自动采取的行动将带来不必要的损害，例如车辆制动造成电压和功率之间不稳定，这就相当于短路状态，将直接危及电网的运行，进而影响地铁车辆的运行。

（2）非金属短路故障。地铁牵引系统的非金属短路故障，是由地铁中的非金属原件导致的非金属短路故障，如供电系统被雨雪覆盖后，雨雪可能作为导体造成供电系统短路，绝缘体的老化或者绝缘体内进入杂质等会导致绝缘体失去绝缘的作用，致使电路直接暴露在外面导致电路电流泄露，造成漏电通过地网流入变电器负极引发短路，而且当支架通过变电站的铜绝缘板接地时，泄漏的电流会更加严重。地铁中采用的三轨供电系统也存在固有的缺陷，系统非常容易发生非金属电弧短路，因为带电体和导体接触过多，导致系统对地短路放电。

（3）金属性故障。在上文中提到三轨供电系统存在固有的缺陷，金属性故障与三轨供电原理相同，在地铁牵引系统中，金属轨与三轨之间的接触造成的故障就是金属性故障。因三轨与地面之间是绝缘的，铜支架上面放置接地板，地铁车辆供电系统之间的每个通信网络都非常容易在接地板上面产生接触短路，如地铁供电系统电气化改造导致停电后，维修人员如果忘记及时将金属工具放回轨道，就会导致轨道间金属接触。金属短路故障，通常发生在雨天或雪天，由于液体不能接通供电系统，从而影响镇流器的绝缘功能。所以随着运营时间的延长，势必造成地铁车辆支架的污染和老化，这些电流会使铜导线扁平化，所以必须采用更加先进的绝缘材料才能有效避免这一问题。只有使用先进的绝缘材料提高常规地铁车辆的合理支撑，才能保证地铁车辆的最佳运行和城市建设人员的出行安全。

2.2 地铁车辆电气牵引系统故障检修方法

地铁牵引系统的故障大多发生在远离牵引站的地方，为了解决地铁牵引系统的故障只能通过系统仿真来确定牵引系统的馈线电流。避免外界干扰的情况，根据当前仿真系统在故障分析处理中的变化曲线，通过数据分析，准确了解电路故障情况，这就要求维修人员在维修工作中应认真负责，制定严格的维修制度。

针对地铁车辆的牵引故障，本文主要分析了地鐵车辆牵引故障的几种常见情况，并针对这一故障在各种复杂情况下，采取的主要解决方法。首先，在维护过程中，如果系统操作方便，可在地铁牵引变电所远端进行相应的模拟改造，使各点与实际数据保持一致，这时候调整直流馈线的动作电流状态数据，使故障点之间的距离缩短，由于故障点与基点之间的距离减小，就可以得出在长距离高速条件下，高速电流会随着接触网两端距离的变化而变化。因此，通过故障模拟分析可以直接检测出地铁车辆的供电电流和供电率，更准确地判断系统是否存在电流不正常泄露。

一般来说，故障模拟分析是利用了维护地铁车辆的牵引系统工作原理，因终端往往是远程故障，所以对地铁车辆牵引故障进行仿真分析后得到的相应电流反馈可从近端和远端获得。电流状态值随近端故障距离的变化而变化。最大距离越近，故障点越大，网络越稳定，通过这种牵引变电所直流牵引电压的仿真分析，可以直接判断牵引变电所直流牵引电压是否发生突变，并可以有效地克服牵引变电所在模型建立初期存在电力泄露的问题。车辆启动后，相应的电流状态与0.11s的电流状态具有指数相似的函数关系，即超出接触网末端和减速高度的电流，数值较高，电流相对稳定，采用这种分析方法对直流电反馈线进行监测对故障准确定位，从而排除故障。

3 地铁车辆电气系统中辅助系统的故障与检修

3.1 辅助系统故障的主要表现

（1）地铁车辆辅助系统电容器故障。逆变器是辅助系统一个非常重要的组成部分。逆变器在提供电气系统内部交流电转换方面起着非常重要的作用，然而在地铁车辆的运行中，逆变器中的氧化铝膜非常容易被大电流击穿，虽然氧化铝薄膜有一定程度的自愈性，但其对电容器的保护非常重要，当氧化膜的损伤率大于自愈速度时，这就会造成氧化膜的不可修复性，永久造成氧化膜的损伤，最终电容器的击穿会导致辅助系统失效。许多逆变器中的电容器使用二次和双半导体器件，半导体出现弱故障电流是地铁车辆辅助系统常见故障之一。地铁车辆辅助系统中存在大量的半导体故障电流，这对地铁车辆辅助系统以及地铁安全构成了威胁。出现这种情况的主要原因是弱电流造成的严重的半导体故障，这样地铁车辆在行驶过程中就极易受到外界干扰，从而导致逆变器运行时间长，局部放电电流不稳定，导致辅助故障。

（2）功率半导体器件在逆变器工作环境中失效。如果功率半导体器件失效，逆变器也会失效。主要原因是设计人员在半导体设计过程中没有采取措施对大功率半导体器件进行保护，这会直接导致半导体器件失效。功率半导体器件的故障，是因为在设计功率半导体器件部分时就忽略了对功率半导体器件的保护措施，这就造成半导体器件容易损坏，导致半导体电流故障，当逆变器中许多双半导体器件损坏时，就会导致程度比较大的损伤即器件故障。

（3）弱电半导体器件故障。对于每台逆变器中的双半导体器件，其内部有许多半导体器件的弱电流，这将决定每台逆变器能否正常工作，其中有些器件存在缺陷，直接影响逆变器的整体性能，给整个逆变器带来一些隐患。主要原因是设计之初没有想到对其重点进行保护。

3.2 辅助系统的故障检修

地铁辅助系统的维修可充分利用人工神经网络系统，维修一般分为3个步骤：首先建立网络，即向网络输入相同的信息样本，建立辅助系统，本文主要从辅助系统中采集样本信息，样本信息不经过训练就传送到网络中，然后在网络中进行相应的训练，样本数据在网络中经过训练的同时，也能为网络诊断找到更好的解决方案，这是作为故障诊断成功与否的重要前提;然后通过训练得到故障诊断的目标，根据网络的诊断输入，设计系统诊断的相关过程，通过特征提取和识别对系统的样本信息和故障数据进行预处理;最后，在神经网络中进行相应的故障处理，值得注意的是，神经网络故障处理需要搜集引发故障的原因，其目的是制定科学化的维护策略。这种网络诊断的方式主要是利用神经网络来计算过程进而得出故障诊断，这种通过人工神经网络找出最优解的过程可以根据数据找出故障点和原因，并根据辅助系统中的相关信息进行故障诊断，进行故障检测，最终及时有效地解决故障。

4 结束语

地铁在我国城市发展中的重要作用是不言而喻的。牵引及辅助系统作为地铁电气系统的重要部分，同时也是地铁运营中最为薄弱的环节，因此，为了维持地铁车辆的正常運行，有必要加强牵引与辅助系统的改造。必须要对相关人员进行改造，对地铁车辆电气系统有深刻的了解，不断完善地铁牵引与辅助系统的维护模式，故障发生后能够更及时地进行维护。因此，地铁相关部门必须能够结合自身的实际情况，对地铁运营管理体制进行改革，在提高工作效率和技术能力的基础上，吸收国内外相关维修经验，为地铁运营安全提供更好的保障，提高城市建设服务质量综合发展水平。

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