郑州地铁1号线牵引红点典型故障案例分析及对策

葛 飞，李 峰

（郑州地铁集团有限公司运营分公司，郑州 450018）

郑州地铁1号线共55列车，采用4动2拖6编组B型地铁车辆，列车网络控制采用某公司开发的SIBAS G 32系统，整列车各网络设备之间通过多功能车辆总线MVB建立通讯。牵引系统采用紧凑型逆变器，可为列车提供动力，实现列车牵引及电制动功能。

牵引系统作为一个相对独立的系统，通常若某部件发生故障，仅导致牵引图标异常及高断无法闭合，不会导致其他多种故障现象。文中介绍了典型牵引图标红点故障的同时伴随着多种异常故障现象，通过深入分析，研究各故障之间的关联，查明故障点，为地铁维保人员处理类似故障提供参考。

1 牵引系统组成及特点

牵引系统主要有受电弓、高压箱、牵引箱、牵引电机等组成。

高速断路器采用某品牌的UR6-32TD型产品，该产品具有空气自然冷却、检测线路短路状态、分断过程中能够快速熄灭过电压产生的电弧。其主要作用是负责列车高压的通断、检测过载电流，保护牵引系统后续各部件，高速断路器辅助触点受TCU的控制和监测。

牵引箱内主要元器件有线路接触器、预充电接触器、电抗器、电容器、牵引逆变器（CIU）、牵引控制单元（TCU），其中CIU包含ICU、电压传感器、电流传感器等，牵引箱主要作用是将高压直流电源分断、稳定直流中间回路电压、吸收浪涌电压、逆变输出1个幅值和频率可变的三相交流电，以驱动牵引电机。其中TCU主要负责牵引系统状态监控、故障记录、数据存贮；CIU主要负责控制和保护牵引逆变器，将直流回路电压、电机相电流、逆变器电压和电流进行检测，并对IGBT产生触发脉冲，检测逆变器状态、存贮故障数据，通过CAN总线与TCU建立通讯；

牵引电机采用鼠笼式三相异步电机，无速度传感器，自通风冷却，为列车提供所需要牵引力和电制动力，从而实现列车的加速和减速控制。

整个牵引系统由TCU通过MVB总线与列车网络系统进行通讯，牵引系统中任何部件故障，HMI均可显示当前牵引系统状态，同时中央控制单元将存储状态信息。

2 典型故障分析

某日0114正线运行过程中产生3车牵引图标显红、高断合灯不亮、高断分合无效，列车依次降级至NRM均无法动车，操作紧急牵引清客退出服务，该故障造成多列车晚点，其中最大晚点590 s。列车回库检查不仅发现“牵引图标显红、牵引系统严重故障在01143车”故障现象，而且还发现“VCU紧急制动、降弓状态下HMI显示网压1 600 V、HMI仍显示列车速度36.667 km/h、司机室未占有时HMI常亮”异常故障现象。

2.1 牵引系统严重故障分析

由列车控制逻辑［1］可知，ICU供电异常、CAN通信异常将导致ICU与TCU通信异常，进而导致牵引系统严重故障。紧凑型逆变器CIU主要有电压传感器（A95）、IGBT、ICU组成，如图1所示。A95主要是将检测到的直流线电压经过内部比例运算输出1个小电压和ICU输出电压进行对比和修正，通过外接XI插头和ICU进行通信，ICU作为CIU的核心部件，主要负责牵引逆变单元的监测和控制，整个CIU控制回路供电由外围设备牵引系统电源模块提供、与外部通信通过CAN总线进行。

图1 紧凑型逆变器

现场检查发现为ICU供电显示指示灯异常，ICU供电回路主要有电源模块、继电器、接线及端子排组成，另ICU外围接口电压传感器异常导致ICU供电异常。通过接线检查及部件对调的方式确定为电压传感器异常。当电压传感器故障时，不能监测到正常电压，发送错误信号至ICU，进而使得ICU供电异常、状态异常。

2.2 VCU紧急制动

当发生列车速度大于88 km/h、离开站台60 m内车门被打开、司机台未占有、方向指令错误、总风压力低、电空制动力不足、紧急停车按钮按下任意一个都将导致VCU紧急制动。故障时刻VCU数据显示“主VCU紧急制动及太少制动力而施加制动”，该故障信息对应于VCU紧急制动中电空制动力不足。

当列车给出的制动力不足以使列车减速到预设的速度时，VCU检测到速度超过预设速度后处于安全考虑将施加VCU紧急制动。VCU紧急制动是紧急制动中重要因素之一，通过VCU紧制继电器=22-K88得失电情况控制列车紧急制动指令施加与缓解，=22-K88常闭触点21、22串接于紧急制动指令回路中。正常情况无VCU紧急制动时，该继电器不得电，常闭触点闭合，紧急制动指令回路导通，紧急制动缓解，当发生VCU紧急制动时，该继电器得电，常闭触点断开，紧制环路失电，列车施加紧急制动。因VCU紧急制动来自网络，为最大程度减小列车故障对运营服务的影响，可操作紧急牵引，旁路=22-K88常闭触点21、22，列车可正常牵引。紧急制动部分电路图［2］如图2所示。

图2 紧急制动部分电路图

2.3 降弓状态下HMI显示网压1 600 V

HMI显示网压控制逻辑如图3所示，正常情况下，降下受电弓后，HMI显示网压为0 V，受电弓升起后网压来自4个辅助逆变器，当4个辅助逆变器故障后，网压采集4个牵引箱，通过电压信号追踪，发现网压来自3车牵引箱，即3车TCU记录网压信号异常。

图3 网压控制逻辑

2.4 HMI显示速度为36.667 km/h

郑州地铁1号线牵引电机无速度传感器，仅在轴端装有制动速度传感器，虽牵引系统和制动系统是相互独立的，但两者可通过网络系统连接在一起。制动速度传感器将监测到的角速度依次经过制动控制单元BCU、多功能车辆总线MVB、VCU发送至TCU。TCU中存储列车初始角速度NUV、初始车轮直径Dmax、当前车轮直径D、经过式（1）得出当前线速度，即HMI显示速度。

式中：V为列车线速度，km/h；D为当前车轮直径，取值828.98 mm；Dmax为初始车轮直径，取值840.03 mm；NUV为原始角速度，取值0.754 7 Hz；N为当前角速度，取值49.237 Hz。

因列车回库停稳后，列车实际速度为0，说明此时HMI显示速度为异常速度信号，通过某公司专用软件追踪该角速度发现，2车TCU当前角速度异常，其他3节车当前角速度均为0 Hz，由此判定2车TCU存储速度信息异常。

2.5 司机室未占有时HMI常亮

正常情况下，库内列车停稳，主控钥匙处于“on”位，司机室HMI点亮；主控钥匙处于“off”位，HMI无显示。HMI网络控制逻辑如图4所示，零速信号为置位信号，两端司机室占有信号互为复位信号，当网络未收到零速信号时，置位信号为0，若两端司机室主控钥匙均处于“off”，则两端复位信号均为0，此时HMI执行上一个主控钥匙占有时的状态。

图4 HMI网络控制逻辑

故障发生在列车运行过程时，司机室处于占有状态，HMI点亮，因网络未收到零速信号，因此拔下主控钥匙，HMI处于常亮状态。

综上，5个故障现象表面上没有呈现出直接关系，但深入研究分析后，它们之间还是有共同点的。首先，牵引电压传感器故障导致ICU供电异常，进而导致牵引图标显红，同时在辅助逆变器不工作的情况下，牵引电压传感器采集网压，经ICU到TCU输出显示在HMI中，当受电弓降弓后且牵引电压传感器故障情况下，ICU与TCU通信异常，此时TCU正常应该输出0 V电压，但故障时刻输出异常电压，由此判定TCU内存在异常网压值。其次，VCU紧急制动是因为网络检测到列车制动能力未达到预设速度值，HMI常亮是因为网络未收到零速复位信号，这些异常故障现象均与列车存在异常速度有关，通过分析发现异常速度来自于TCU。综合以上分析可以得出，牵引电压传感器故障是导致牵引图标显红的直接原因，TCU存贮异常网压信号、异常速度信号是导致异常故障现象的根本原因。

3 改进措施

分析TCU控制逻辑发现，列车运行过程中TCU应实时更新网压、速度、转矩、温度等信息，当TCU和ICU网络通讯中断时IN2信号为0，导致TCU无法更新数据，网压、速度等保持在故障时刻状态信息，TCU实时更新数据如图5所示。

图5 TCU软件实时调用S10子程序

针对该问题，与某公司沟通，可通过升级TCU软件解决，升级后无论TCU和ICU网络通讯是否中断，TCU均可实时更新数据。通过这一举措解决该典型故障，且经过验证运营良好，有效提高了郑州地铁1号线运营服务质量。

4 结束语

文中深入分析牵引红点典型故障案例，分析研究多种异常故障现象发生原因，最终查明导致多种异常故障的原因是牵引控制单元软件逻辑缺陷。牵引系统作为列车关键系统之一，若该系统发生故障，影响是较大的，有必要归纳总结牵引类故障处理方法，文中介绍了故障处理分析方法及思路，为城市轨道交通行业内处理牵引类故障提供相应的思路。