地铁车辆电气系统中牵引与辅助系统的故障与检修

白海波

摘 要：概述了地铁车辆电气系统中的牵引系统和辅助系统，探析了地铁车辆电气系统中牵引系统和辅助系统的故障、检修情况，以期为日后相关工作提供参考。

关键词：地铁；电气系统；牵引与辅助系统；故障；检修

中图分类号：U231.94 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）10-0027-02

地铁车辆在长期的运行过程中，不可避免地会产生一系列的故障，其中，电气系统中牵引系统和辅助系统的故障是最常见的。下面从牵引系统和辅助系统的特点、出现的故障、检修方法三方面进行分析。

1 牵引系统和辅助系统的特点

1.1 牵引系统的特点

在地铁车辆电气系统中，牵引系统包括以下几个方面：接地故障检测系统、牵引逆变器模块、线路滤波元件、高速断路器等。

1.1.1 线路滤波器

线路滤波器主要是用来平滑输入电流，抑制接触网和车辆之间的相互干扰，进而降低接触网对车辆和其他系统的影响。线路滤波器对由车辆变电所断路器断开或雷击故障所引起的瞬时行波起到一定的保护作用，能够保证发生突然接地故障时，不至于损坏牵引系统的其他设备。

1.1.2 牵引机电

牵引机电采用逆变器供电方式的三相鼠笼式一部交流牵引电动机，通常采用架承式悬挂方式。

1.1.3 牵引逆变器

牵引逆变器由DUC控制板、GDU单元、逆变桥、制动斩波相、支持电容、过压保护电阻和其他辅助元件组成。

1.1.4 高速断路器

高速断路器安装在逆变箱中，能够有效地保护由于接地、短路等造成的过流情况，其保护范围要与变电所的保护相协调。

1.2 辅助系统的特点

辅助系统通常包括蓄电池组、DC/DC变换器、DC/AC逆变器三部分。

1.2.1 蓄电池组

蓄电池组由若干个额定电压的电池单元组成，对蓄电池的保护方式有：蓄电池充电器对充电电压的控制；高分断/低电压能力熔断器接到蓄电池的正负极；对充电时的过电压、过电流的保护；蓄电池要与充电器隔离；蓄电池分断接触器，使蓄电池和负载隔离。

1.2.2 DC/DC变换器

DC/DC变换器即蓄电池充电器，是地铁车辆的直流供电。通常设置两个或两个以上的蓄电池充电器。如果1个蓄电池充电器发生故障，将会由其他的蓄电池充电器供电，让辆继续运行。

1.2.3 DC/AC逆变器

DC/AC逆变器即辅助逆变器，辅助逆变器从架空接触网上受电，用作辅助电源，为空调装置、空气压缩机、风扇电机和车辆内的所有交流负载供电。

2 地铁车辆电气系统中牵引的故障分析与检修

2.1 牵引系统的故障分析

牵引系统的故障分析包括以下几个方面。

2.1.1 非正常运行状态

由于地铁车辆运行时处于制动、过三轨无电区、启动状态，并且车辆在上下班高峰时段经常会处于过载的运行状态。这时会导致车辆制动，制动会导致电网的电流和电压发生较大的波动。这种负荷状态与牵引系统的短路状态十分相似，可能会导致继电器保护装置的误动作，对地铁车辆的电网系统造成损害。

2.1.2 非金属性短路故障

非金属性短路故障主要指的是发生在非金属性状况下的短路故障，例如雨雪覆盖或淹没轨道的状况。这时，雨雪可以作为供电系统在启动阶段的导体，三轨由于整体绝缘支座固定在道床上，与接地扁铜之间具有良好的绝缘效果。但是，随着地铁车辆运行时间的增加，支撑件上会出现污秽或绝缘支座绝缘保护老化的情况，由此产生的泄露电流经过绝缘支座流向接地扁铜，然后通过变电所地网重新流回变电所负极。这种由于绝缘故障导致的短路故障是非金属性短路故障中最常见的一种。此外，在三轨供电系统中，还有一种常见的非金属性短路故障，即电弧短路故障，它是指带电体对导体放电而引起的短路，例如第三轨对地放电。

2.1.3 金属性故障

金属性故障指的是钢轨和三轨间发生的金属接触，或是绝缘支座（支座底部设置了接地扁铜，与整个供电系统的地网结构连接，主要用于三轨和大地的绝缘）被击穿，导致接地扁铜和三轨直接发生短路的情况。例如供电系统在进行停电检修工作时，检修人员并没有将放置在钢轨和三轨之间的金属工具带走，这会导致系统重新送电时发生钢轨与三轨之间的直接短路故障。

2.2 牵引系统的故障检修

地铁车辆牵引系统故障检修通常采用故障仿真分析进行检修。地铁牵引系统故障的位置通常位于供电臂原理牵引变电所的远端，通过对近远端断路故障进行仿真分析，分别得出近远端断路点的馈线电流，从中能够看出电流的稳态值会随着故障距离的变化而发生变化，即随着故障距离的减小而增大，并且故障点离接触网末端越近，电流上升的速度也就越慢，它能够诊断出直流牵引网电压有没有发生突变。模拟仿真分析为了避开牵引变电站子模型的初始阶段存在的暂态过程，通过设置以下模拟实验进行故障仿真分析，即设置1台地铁车辆在0.05 s启动，在0.11 s时分别在2 km、3 km处设置远端故障模拟试验，以此模仿实际的短路故障。通过分析直流馈线电流仿真结果，能够得出类似的指数函数，即距离接触网末端的距离越远，电流上升的越慢，电流的稳定值就越高。通过故障仿真分析，检测地铁车辆直流馈线的电流大小和上升率，能够准确地检测出牵引系统有没有发生故障。

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

3.1.1 电容器故障

逆变器内部安装有起到稳压作用的铝电解电容器。铝电解电容器的氧化膜在电容工作时很容易被损坏，虽然其自身有一定的自愈性，但是，当氧化膜的破坏速度大于其自愈速度时，氧化膜来不及修补，就会导致氧化膜被损坏甚至是击穿，导致电容器失效。

3.1.2 电力半导体器件故障

逆变器经常在强烈的电浪涌环境中工作，逆变器失效通常是由电力半导体器件失效引起的，但是，设计师在设计的过程中并不重视对电力半导体器件的保护，所以，导致电力半导体器件失效。

3.1.3 弱电半导体器件故障

逆变器中存在许多弱电半导体器件，只要其中的一个器件失效，都会降低整个系统的性能，甚至会使整个系统丧失功能。导致半导体器件失效的原因包括两个方面，一方面是内因，由于器件自身的固有可靠性；另一方面是外因导致的故障，主要包括温度失效、机械过应力失效、静电损伤失效、过电应力失效、湿度失效等。

3.2 辅助系统的故障检修

辅助系统的故障检修方法通常采用神经网络故障诊断法，主要表现为：①训练创建网络。将采集到的辅助系统的信息样本输入到尚未训练的网络中，对样本数据进行ANN训练，经过自学获得期望得到的诊断网络。②网络诊断。利用神经网络进行前向计算的过程，即根据诊断输入对系统进行诊断的过程。通过特征提取和预处理，对辅助系统的信息样本和故障数据进行适当的预处理，然后在神经网络中进行故障检测。

4 结束语

总而言之，为了保证地铁车辆电气系统能够正常运行，应该正确认识电气系统中牵引系统和辅助系统的常见故障，并运用相应的检修手段准确地找出原因，然后采取相应的措施进行处理，保证地铁车辆整体的可靠性，使地铁车辆能够正常、稳定的运行。

参考文献

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[2]杜芳.地铁机车建模及直流牵引供电系统故障分析[D].北京：北京交通大学，2010.

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[4]李墨雪.直流牵引供电系统建模及基于电流变化特征量的保护算法研究[D].北京：北京交通大学，2009.

〔编辑：白洁〕