地铁辅助逆变器200%过载故障的原因分析及解决措施

王烟平

(长沙市轨道交通运营有限公司, 长沙 410133)

2016年8月至2017年7月，长沙地铁1号线地铁车辆在正线运行过程中，陆续发生多起辅助逆变器交流输出200%过载故障。

1　故障情况

车辆辅助逆变器发生200%过流故障后，失去三相交流AC 380 V及直流DC 110 V供电，造成空压机无法打风、空调无法正常工作、车载蓄电池无法充电，严重影响车辆正常运行，见表1。

2　辅助逆变器过流的故障原因分析

2.1　故障情况说明

通过解析表1中7起故障波形及事件记录仪数据分析，电网电压在故障前后均较稳定，无明显异常；故障现象为200%输出过载，前级变压器原边电流(IGBT模块输出)波形有同步增大趋势；部分波形在故障保护时刻前输出电压有异常畸变现象；现场处理对风机控制接触器进行预防性处理，故障发生后，并未更换风机；故障发生时刻，伴随着风机控制接触器的转换动作。其中，6起故障发生在K12闭合，1起发生在K12断开；200%过流保护时大电流的持续时间约为200 us。

2.2　故障原因初步分析

对其中1起故障记录进行解析分析，故障波形如图1。

故障出现在风机由高速切换为低速档过程中。控制箱发出K12闭合指令，24 ms后，收到200C故障反馈指令(V、W相过流)，随后4 ms收到K12闭合状态反馈指令。从发出K12闭合指令到收到闭合反馈指令，时间共28 ms。此过程中，K11控制指令及反馈指令为高电平(K11闭合)，K13控制指令及反馈指令为低电平(K13断开)。

根据故障波形对故障进行分析，故障发生在风机控制接触器K12吸合过程中，风机控制部分电路原理图见图2。分析风机控制逻辑如下：

(1) DCU控制单元上电初始化完成3 s后，闭合K11、K12接触器，K13不闭合。

(2) 当交流输出额定电流Ie>100 A，持续5 s，断开K12，检测到K12断开状态后，延时3 s，闭合K13。

(3) 当交流输出额定电流Ie<100 A，持续5 s，断开K13，检测到K13断开状态后，延时3 s，闭合K12。

因K12K13之间存在电气互锁，且有3 s延时，风机的控制逻辑合理。通过与星三角风机的典型控制电路进行比对，此处风机控制电路在原理上与典型电路一致，该电路形式已在深圳地铁1号线、南京宁天城际、长沙地铁1号线、南昌地铁1号线等使用。

结合故障数据，在K12动作过程中，出现交流输出200%过载短路现象。可能存在风机原因或者接触器在切换过程中出现短路情况。

表1　车辆辅助逆变器交流输出200%过载故障统计表

图1　200%过载典型故障波形

图2　风机全速半速控制电路

2.3　试验室故障模拟分析

2.3.1接触器频繁切换试验

按照现场的风机控制逻辑，在负载功率约90 kVA的条件下，修改控制软件以27 s为周期反复进行风机高、低速的转换控制。试验时间为30 min，并将K11、K12、K13接触器更换为现场故障返回品，未发生200%过载故障。试验波形如图3所示。

图3　接触器切换试验波形

为确认风机切换延迟的时间足够，排除风机在星-三角切换过程发生磁场的突然变化，测试风机断电后的电压，波形如图4所示，电压完全掉电的时间为300 ms，未见明显异常。

图4　风机断电后剩余电压波形

2.3.2网压跳变试验

以27 s为周期反复进行风机高、低速的转换控制，辅助逆变器工作并进行风机转换，同时进行输入电压突变试验(电压突变312.5 V)，未重现200%故障。试验波形如图5所示。

图5　接触器切换试验波形

2.3.3三相输出负载短路试验

风机切换过程中，将三相输出负载短路。该试验的目的是模拟风机转换过程三相输出负载出现短路。其故障记录波形如图6所示，明显与现场故障波形不同。

2.3.4修改风机保护阀值试验

空载条件下设置200%过载保护阀值60 A，使触发保护电流值远低于正常程序保护值((945±50) A)，极大提高触发保护的概率，在运行约15 min左右上报200%过载故障，多次试验情况类似，200%过载故障发生在控制接触器(K12,K13)动作时刻，且试验故障波形与现场故障波形类似。

典型故障记录波形如图7所示。

图6　故障波形

图7　故障记录波形

2.3.5电源地干扰试验

采用图8高低速切换逻辑，辅助逆变器空载运行，200%过载故障保护阀值设置60 A。

试验过程中发现从控制单元DIO板发出的逆变模块24 V驱动脉冲存在被干扰的现象，测得24 V电源波形如图9所示。由于控制单元24,15,5 V电源都是共地的，可能地电位被干扰从而导致24 V电源异常。试验将控制单元面板上的24,15,5 V电源地均外接至机箱接地柱，试验依旧触发200%过载故障。

2.3.624 V电源干扰

风机内部设置有24 V的超温保护信号，由于该24 V 超温信号线与风机380 V供电线采用同一根多芯电缆传输，怀疑在风机切换时，电缆上电流的变化干扰24 V电源，从而影响24 V脉冲信号。试验将风机超温信号线断开，辅助逆变器持续工作2 h，未触发200%过载故障，试验典型波形如图10所示。

图8　风机高低速试验控制逻辑

图9　24 V电源波形

2.4　原因分析

长沙地铁1号线200%过载故障导致机理如图11所示。

图11　故障模式简图

由于24 V超温信号线与风机380 V供电线采用同一根多芯电缆传输，在风机高低速转换时，风机电机为感性负载，电机供电电缆存在电流波动，其波动产生扰动影响24 V电源，而该24 V电源与数字入出板(DIO)输出的辅助逆变器模块(INV)脉冲为同一电源，24 V脉冲缺失导致INV模块桥臂电流出现过流。试验室故障时刻波形如图12所示。

图12　故障时刻典型波形

3　解决措施

3.1　风机高低速转换由30%改为70%

辅助逆变器设计时，风机转换点设置为70%，即在风机低速档时，满足整柜额定负载70%的温升，当整柜负载大于额定负载的70%，风机切换成高速档工作，同样满足整柜温升。

目前长沙地铁1号线风机高低速转换点为额定负载的30%，主要是考虑如线路环境情况较为恶劣，滤网易积尘，提高风速利于散热，在实际应用中，现场环境较好，同时风机转换点较低，接触器动作频率较高，由于故障发生在风机高低速控制接触器动作过程中，干扰源出现的概率也较高。

风机高低速转换点设置为70%时温升试验情况如下，先进行低速工况温升，再切换至高速工况温升：

图13　温升试验波形

从图13可知，试验开始为低速工况，温升稳定后，变压器最热点温度约140℃，调整负载(调整过程中，负载有切除，温度有短时下降)，使辅变工作在满载，温升再次稳定后，较风机低速时增加约5℃，仍满足整柜温升性能指标。因此，通过将风机高低速转换点由30%恢复成70%，可极大减少接触器动作频率，干扰源出现概率也极大降低。

3.2　风机超温信号由DC 24 V改为DC 110 V

风机超温信号由DC 24 V改为DC 110 V，风机在高低速切换过程中，电流变化难以影响DC 110 V风机超温信号及DC 24 V供电，将风机超温信号改为DC 110 V后，持续试验7 h，未触发200C保护，且DC 24 V脉冲波形正常，典型波形如图14所示。

图14　采用DC 110 V驱动风机超温信号

风机超温信号的电缆采用的是0.5 mm2，接入控制单元的DC 24 V电气接口，DC 110 V通过配置不同的限流电阻来保证输入光耦可靠导通。DC 110 V通道限流电阻为33k+33k，光耦导通钳位值11 V，通道电流为(110-11)/66k=1.5 mA，DC 24 V通道限流电阻为3.6k+3.6k，光耦导通钳位值11 V，通道电流为(24-11)/7.2k=1.8 mA，因此，将风机超温信号DC 24 V改为DC 110 V，满足使用需求。

4　结束语

(1)试验分析为风机电机内部供电电缆和超温信号线共存，在电机转速切换过程中，交流电流变化影响DC 24 V超温信号，从而影响DC 24 V电源，导致模块24 V驱动信号异常缺失引起200%过载故障。

(2)通过修改软件，将风机高低速转换点由30%改为70%，有效降低干扰源的出现；通过将风机超温信号接线移动点位，将风机超温信号由DC 24 V改为DC 110 V，有效降低干扰路径的影响。

(3)通过以上两项改动，从干扰源及干扰路径两方面降低干扰，结合车辆运营实际负载分析，有效解决现场200%过载故障，使用至今效果良好，未再出现逆变器200%过载故障。