西安地铁2号线车载制动电阻过温故障研究

刘 海

（西安市地下铁道有限责任公司运营分公司，陕西西安 710016）

西安地铁 2 号线 2018 年最小行车间隔已经达到2  min  30  s 以内，部分站距小于 2  min，列车运行密度大，列车启动和制动频繁。制动方式以电制动为主、空气制动为辅，电制动在列车安全运行中起到关键作用。当列车再生制动时，产生的制动能量由牵引电机通过牵引逆变器传输到接触网中，如果不能被其他列车吸收，会造成接触网网压升高，影响运营安全。这时多余的制动能量需要制动电阻发热来消耗。

1 制动电阻结构特点

西安地铁 2 号线列车采用 6 辆编组，3 辆动车 3 辆拖车，其中 2、3、5 车为动车。制动电阻器采用车下悬挂安装方式，在每辆动车上安装 1 套。制动电阻与 VVVF逆变器装置组合，构成再生、电阻混合制动系统。制动电阻采用自然风冷，无强制通风散热，减少了额外的能量消耗。装置结构简单、故障率低。为防止列车行驶时雨水或泥水等飞溅至制动电阻器表面，影响其设备美观和散热性能，在制动电阻器框架上分别安装了底部挡泥盖板和侧部挡泥盖板。

1 台制动电阻器与 1 台牵引逆变器连接，每台牵引逆变器为 1 辆车的 4 台牵引电机提供逆变电源。当列车实施制动时，列车动能将通过牵引逆变器转换成电能，回馈给电网；电网不能吸收时，通过制动电阻发热消耗能量。每台制动电阻器由 3 个制动电阻单元组成，3 个制动电阻单元串联接入高压电路中。制动电阻器结构示意如图 1 所示。

图1 制动电阻器外观结构

2 制动电阻维护及散热设计

西安地铁 2 号线车载 RRW.H-80K-3 型制动电阻规格参数：电阻值 2.277 Ω，额定容量 84.9  kW，温度上升容许值 455  K。

2.1 制动电阻维护

车载制动电阻由支撑绝缘子、电阻元件、铜排、隔热板以及侧板等组成。电阻元件由镍镉合金组成。支撑绝缘子材料为陶瓷，日常不需要维修，主要进行外观检查是否有异物、灰尘堵塞，以免影响部件散热及导电性能。制动电阻在列车运营间隔 60 万km 时，需要从车上拆卸进行检修作业，检修主要有 3 项内容：①进行电阻值测定，确认是否在 ±10% 范围内；②检查确认电阻元件与车体安装处绝缘电阻和绝缘耐力满足要求；③确认电阻元件无生锈及腐蚀。

为了确认制动电阻日常工作温度在正常范围内，在电阻上方张贴 71～110  ℃温度贴，如果发现温度异常及时跟进处理。

2.2 制动电阻散热设计

制动电阻器是列车将动能转化成热能并散发热量的装置。作为发热装置，2 号线车载制动电阻器与其周围设备要有充分的间距，确保排热风的进出路。其中横向和纵向距离其他设备 500  mm 以上。制动电阻与车体之间配置有隔热板，隔热板与客室地板下表面间距100  mm 以上。制动电阻器单元间连接配线及其到车体的配线需要使用耐高温电线，避免因制动电阻发热影响线缆寿命，造成线缆早期劣化。

电阻元件使用特殊电阻带，经反复连续的平折加工而成，耐热温度约 850 ℃，远高于电阻的工作温度。电阻元件的支撑绝缘子使用耐热绝缘子材料。为了防止受热后电阻元件膨胀导致变形，电阻元件和支撑绝缘子之间设置了约 0.5  mm 的间隙。

在制动电阻附近避免安装空调排水管（图 2）。列车运行过程中制动电阻发热，一方面会造成排水管变形堵塞，另一方面空调排水会将冷凝水滴吹到处于高温状态的电阻片上，白色的水雾散发到客室内容易造成乘客恐慌。

图2 排水管布置在电阻旁边

3 制动电阻过温故障调查

制动电阻器过温保护，简称为 BRTHD 故障，温度判定条件为 450  K，在 2 号线列车运营过程中有 2 个典型故障。

（1）0204 车在早上出库压道过程中，司机室监控信息显示屏弹出故障信息“02042 车制动电阻器过温保护”。列车回库后查看列车运行日志，故障发生时列车网压 1  741  V，列车运行速度 28  km/h，电制动有效并充分发挥，网压达到制动电阻投入条件。制动电阻器的温升显示为 451  K，达到制动电阻器过温保护的判定标准 450  K。

（2）0210 车在凌晨调试过程中，在运动公园站至北苑站途中，司机室监控信息显示屏弹出故障信息“02102 车制动电阻过温保护”。列车回库后查看列车运行日志，故障发生时列车网压 1  733  V，电制动有效并充分发挥，网压达到制动电阻投入条件。制动电阻器的温升显示为 455  K，达到制动电阻器过温保护的判定标准 450  K。

2 次典型故障都发生在凌晨出车情况下，列车3 辆动车中 3 车和 5 车制动电阻器没有发生制动电阻器过温保护，都是 2 车发生制动电阻器过温保护。以下结合制动电阻器安装位置、工作特性和现场环境 3 个方面进行调查分析。

3.1 安装位置分析

类比西安地铁 1 号线车载制动电阻器，2 号线车辆增加了底部和侧面挡泥盖板。2 号线车载制动电阻器距离轮对位置较近，1 号线车载制动电阻器相对轮对位置较远，未增加底部和侧面挡泥盖板（图 3）。

统计时间段为 2014 年 10 月至 2017 年 5 月，对比 1 号线和 2 号线车载制动电阻器过温故障发生情况可知，2 号线发生 11 次，1 号线发生 0 次。从上述对比情况，可见制动电阻挡泥板和制动电阻离轮对的距离是影响制动电阻器散热的主要因素。

3.2 工作特性分析

列车在早上压道和凌晨调试作业过程与正线运营相比，开关门时间较短，列车在站台停车时间较短，设备投入时间较长。同时正线上列车较少，在发生电制动过程中造成接触网电压较高。

图3 车载制动电阻器布置位置差异

从 0210 车 VVVF 数据可以得知，制动电阻过温时，滤波电容器电压为 1  733  V，与正线网压相等。查阅VVVF 技术规格书得知，滤波电容器电压超过 1  720  V时，若此时正线上没有其他列车可以有效地将多余的能量吸收掉，只能通过制动斩波器动作来抑制滤波电容器电压上升，从而造成制动电阻频繁投入，列车在施加制动时频繁处于电阻能耗制动状态。

车载制动电阻器的工作模式是反复、间歇性工作模式。在无再生吸收条件下，制动电阻器容量满足列车在速度 50  km/h、平均减速度不小于 0.8  km/s2条件下的制动环境。最苛刻、最严酷的制动电阻器功率曲线如图 4 所示。若车载制动电阻在列车高速运行时（大于 50  km/h）就投入制动电阻器，或者制动电阻器反复工作时间小于98.5  s，则制动电阻器比较容易出现过温故障。

图4 制动电阻器功率曲线

3.3 现场环境分析

考虑同样载荷、网压等工况条件，类比 3 车和 5 车VVVF 逆变器相同的工作环境，仅 2 车发生制动电阻器过温保护，排除制动电阻器产品差异。调查制动电阻器的外观状态和工作环境，2 车挡泥板周围泥浆、灰尘堆积较多，靠近轮对侧制动电阻罩板散热网孔（挡泥板附近）堵塞严重，外观状态较差，影响其散热性能；3 车和 5 车制动电阻灰尘较少（图 5）。

推测判定，脏污的外表影响其散热性能，并导致制动电阻器过温保护。经调查，0204 车于故障当日作为压道车首发，1 车为上行司机激活端，运行时 2 车轮对粘附轨道防护油膏脂，堆积灰尘堵塞网孔，散热受阻，导致过温保护。

4 结论

经过对故障列车制动电阻器外观状态和所有 2 号线车载制动电阻工作的环境状态确认和观察，初步判定0204 车 2 车制动电阻器过温保护与其工作环境和当时列车使用制动电阻的频次、当日车辆运行模式等有关。最终判定 0204 制动电阻器过温保护是运行时轨道上涂抹的防护油膏脂飞溅至外壳后，吸附并堆积灰尘堵塞散热网孔，导致制动电阻器散热不良导致。故障列车扣修后对其制动电阻外表灰尘进行清理，日常加强对制动电阻器灰尘的清理，运行 1 年来，制动电阻器过温故障未再出现，说明对故障的判断是准确的。

从预防维修角度考虑，当车载制动电阻器外壳上粘附泥浆灰尘较多时，在检修中应增加对制动电阻散热孔检查的工作内容，发现有灰尘较多的情况及时清理，避免故障再次发生。

考虑制动电阻温升是逐渐累积的过程，列车进行正线调试时适当延长开关门时间并在折返处停留 15  min 左右，保证制动电阻温度下降的时间；制动电阻架修时在隔热板下方的线管处张贴温度贴，并在调试过程中持续跟踪。

图5 制动电阻器外观状态（左侧为 2 车，右侧为 3 车）