地铁车辆电气系统中牵引及辅助系统故障检修研究

翟好璟

（成都中车四方轨道车辆有限公司，四川成都 610101）

0.引言

地铁作为城市交通体系的重要构成，支持城市居民的正常出行，影响着社会经济的发展，电气系统作为地铁运行的核心构成，其稳定性极为重要。电气系统中牵引和辅助系统故障发生率较高，需要采取对应的检修策略，以保证地铁的稳定运行。

1.地铁车辆电气系统中牵引系统的设计

牵引系统设计时需满足部分故障状态下，能保证列车安全。假设地铁牵引系统故障，损失1/4牵引动力，在一定荷载量范围内，列车可以自动启动运行至终点。假设坡度为3‰，曲线半径为150m，启动加速度极限值为0.3km/h/s，若车辆超过启动加速度可以正常启动。牵引系统故障造成1/4动力损失后，列车加速度超过0.312m/s2时，才能保证稳定运行。在动力损失和超载情况下，列车可以在轨道上启动运行至邻近车站，最大程度保障地铁运行安全。

2.地铁车辆辅助系统中牵引系统的设计

地铁辅助电源系统由辅助逆变器作为主电路供电，从供电启动至负载完全正常供电控制在10s之内，辅助供电系统可以承受地铁通过绝缘分段电压以及电流的冲击，辅助逆变器和蓄电池采取IGBT技术，使用微机系统进行电压调节和保护，在规定条件下，保证电流和电压稳定，不会出现振荡。辅助逆变器输入线设置了熔断器保护，一旦遇到紧急情况，蓄电池可紧急启动。辅助系统连接高压母线，高压母线可以给辅助系统供电，电源功能和辅助系统供电互相联锁，地铁在任何时候只有一种供电方式[1]。

3.地铁车辆电气系统中牵引系统的故障检修分析

3.1 牵引系统常见故障

（1）过流保护故障，如超载运行状态，导致牵引系统故障。在上下班高峰时间段，地铁车辆处于负荷异常状态，电气系统出现电压和电流的波动，都会引发牵引系统过流过载保护，进而影响电气系统正常运行。（2）非金属短路故障。地铁车道没能充分排水，会引发电气系统非金属短路故障。在三轨供电系统中最常发生，主要为带电体放电导致短路故障，最典型的是第三轨对地面放电[2]。

3.2 检修方法

以某市地铁运营出现的非金属短路故障为例，地铁在运行中出现异常响动，车辆管理系统通报故障，复位牵引系统后仍然无法解决，需要隔离地铁牵引系统才能处理。若牵引系统损失过大，要进行全面检查，避免地铁车辆抛锚，引发紧急事故。

如图1所示为该地铁牵引系统的主要设备，为保护牵引系统，断开线路接触器、制动斩波，关闭闸极，断开高速断路器，同时报红色故障，对上述情况进行排查。（1）检查牵引系统外观，是否发现明显接地点。（2）对牵引系统展开绝缘测试，确认设备是否出现多点接地以及设备接地的问题，避免接地故障影响系统正常运行，甚至引发触电事故。（3）检查接触器以及断路器，检查接地瞬间大电流是否对设备造成烧毁，通过目测结合布线分析的方式进行排查。检查隔离开关箱体，查看开关是否出现异常情况，断开501线缆，对线缆至高速断路器开关进行绝缘测试，并对滤波电抗器进行短接、对高速断路器断开，并进行绝缘测试[3]。短接端子进行绝缘测试要检查绝缘值是否处于正常范围中，经过排查后可以确定接地点。这类接地故障主要是由于滤波电抗器接线盒中有异物进入、制动电阻有异物进入以及滤波电抗器受到绝缘击穿。

图1 牵引系统主要设备图

3.3 处理措施

针对过流保护故障，可利用列车的“复位按钮”，消除控制开关跳闸故障，复位后重新启动列车即可排除故障。针对上述案例中的非金属短路故障，主要采取以下措施进行处理：对于滤波电抗器受到绝缘击穿问题，需要增加滤波电抗器检修频率以及范围，并注意对滤波电抗器运行环境进行优化，预防绝缘击穿问题再次发生。针对接线盒有异物进入的问题，需要更换为全封闭式接线盒。针对制动电阻有异物进入问题，要求完善轨行区运行环境，在日常检修工作中注意定时清理设备异物，重点对不完全封闭设备展开检查和清洁。对于线路接触器以及高速断路器出现的断合、极容易出现拉弧烧毁的问题，需要扩大检修范围，增加检修次数进行检查，保证地铁能够稳定运行。在处理故障后，检修人员需要详细记录故障位置以及信息，进一步分析，准确确认故障的方位，找出故障原因。

4.地铁车辆电气系统中辅助系统的故障检修分析

4.1 辅助系统特点

地铁电气系统的辅助系统主要包括蓄电池、充电机、逆变模块等。蓄电池由电池单元构成，要通过断开接触器进行保护，促使蓄电池和负载保持隔离状态。充电机模块作为电气辅助系统的组成部分，能够有效满足地铁对直流电的需求。逆变器作为地铁的辅助逆变器，可以从架空接触网接收电能，辅助系统故障会严重影响辅助功能发挥。例如，辅助逆变器故障会影响列车内器件的正常供电，导致列车照明系统、空调系统失效，电客车不得不停止运营。

4.2 辅助系统常见故障

（1）IGBT器件故障。若出现IGBT异常，逆变器模块会失去效果，根本原因在于设计电气系统时未注意对电气系统的保护，IGBT器件容易出现故障[4]。（2）电容器故障。地铁逆变器中包含滤波电容器，能够稳定运行电压。电容器在工作过程中可能破坏氧化膜，造成电容器故障的发生。（3）参数性故障。在辅助系统中元件参数出现容差，其变化量超过容差，元件会发生故障。发生故障后会对输出指标产生影响，还会对辅助系统安全性产生负面影响，引发严重经济损失。常规检查多进行结构性故障排查，对于参数性故障存在一定忽略。

4.3 检修方法

首先，要建立TCMS网络，采集辅助系统数据，将数据上传至TCMS网络中，找到解决故障的方法，从而得到相匹配的诊断网络，以有效解决系统故障。基于TCMS网络计算数据，能够根据数据异常情况分析故障成因，对故障位置进行定位，从而进一步处理故障。其次，利用神经网络实现动态化检修，有效判断辅助系统发生的故障。根据地铁电气系统相关信息样本，将采集的信息输送至神经网络，进行ANN训练。训练过程中制定科学合理的解决方案，便于有效获取诊断网络，给故障检修提供参考。网络动态化诊断本质上是利用神经网络计算模拟，根据不同故障的表现和特点进行预先处理，并将计算结果作为诊断依据，辅助检修人员实现动态化检修工作。

4.4 处理措施

针对IGBT器件故障及电容器故障，运维人员应重新更换IGBT器件与电容器。针对参数性故障，以某市地铁为例。该地铁电容储电能力降低造成逆变器负载能力减弱。负载增加会出现直流回路欠电压，持续损坏电容，甚至出现电压震荡，严重损伤逆变模块。参数性故障不易察觉，检修时电容数据显示正常，故障较为隐蔽。利用MATLAB/SIMULINK软件进行仿真模拟，对逆变系统逆变部分进行分析。仿真参数要求和实际参数相同，逆变器输出电感0.25mH，2mΩ。负载为6.2Ω，滤波电容参数为3个78F经1个0.5F。IGBT逆变桥载波参数为6kHz，空占比为0.95，载波比为12，直流电压为650V。根据仿真分析结果，滤波电路器截止的频率为1140Hz，超过1140Hz频段迅速衰减。由于电容发生变化，使得滤波器对滤波产生的抑制作用也发生影响，进而导致总谐波失真，使用软件对不同容差对电压幅值的影响进行分析，如表1所示。

表1 不同电容差下电压幅值和THD值的变化

根据仿真分析结果，电容差改变并未对电压幅值造成明显变化。耳尖电容差减少，THD值也会显著减小。电容差减小时，THD值逐渐减小，谐波分量会显著减小，在电容差减小至-30%时，电压THD值也会显著低于5%规定范围，但变化并不明显。在电容差为-30%时，产生谐振较多，会影响电压负载。一旦负载超过允许范围，辅助逆变器发生故障。排查辅助系统故障可积极使用MATLAB/SIMULINK软件进行仿真分析，准确发现参数性故障，有利于故障排查和维修。

5.地铁电气系统检修策略的优化

5.1 定期进行状态检修

在传统电气系统检修工作中，根据检修计划按部就班地检修，检修方法落后，长此以往，检修人员工作积极性显著降低，责任心降低，甚至出现漏诊问题，不利于检修质量和地铁运行安全。因此，需要采取更灵活的检修方式，善用信息手段，减少检修人员的工作量。采取状态检修方式，以地铁电气系统运行情况作为基础展开检修，采集电气系统实时运行数据，进行检测分析，按照相关标准诊断。根据设备情况安排检修工作，状态检修以监控电气系统运行状态数据作为故障的评估标准，状态检修可减少日常检修工作的投入，节约人力和物力，提高企业的经济效益。状态检修的根本目的在于事前控制，提前察觉故障，预防故障的发生，主要对变压器、变电柜等设备展开监控，能够第一时间发现异常。电气系统状态检修主要可以分为监控、诊断、决策、实施检修、评价5个部分，是以保证地铁可靠运行作为目的展开。通过调度管理系统快速做出决策，安排检修工作，并根据检修结果对故障和状态检修效果进行评价。

5.2 定期组织检修人员培训

提高检修人员专业素养是提高检修水平的关键，定期组织检修人员培训能够让其学习理论知识和实践技能，提高其职业道德。在培训中要围绕状态检修的模式，指导检修人员灵活使用计算机软件辅助检修工作，提高检修效率。积极使用管理手段建立良性竞争，使用绩效奖金方式激励检修人员，提高积极性。完善考核制度，将检修绩效、成果和检修人员工资结合，激发检修人员的动力。

5.3 充分挖掘电气系统数据

首先，需要检修人员在工作期间注意对电气系统运行数据以及相关参数进行收集整理，详细记录故障特征以及维修操作，建立设备台账，完善记录相关数据。其次，将电气系统历史数据作为数据分析的基础，制定更适合状态检修的方案，针对故障高发设备提高检修频率，对存在缺陷的设备采取跟踪检测，对于新设备、无缺陷和故障部件，可减少检修频率。最后，对数据进行档案式管理，有专业工程师对数据进行分析，善用大数据分析技术、数据库技术以及仿真分析等，评估各部件的运行状态，从而优化检修方案，实现预防性检修工作，最大程度上降低故障发生率，保证地铁稳定运行。

6.结语

地铁车辆结构复杂，一旦发生故障将产生严重影响，造成乘客出行障碍。常规无法控制故障影响，尤其是电气系统故障，容易引发安全事故，威胁地铁运行安全。因此需要提高电气系统检修水平，实现事前控制，预防故障的发生。从牵引和辅助系统两个方面分析故障特征，加强对检修人员培训，掌握常见故障种类，注意对系统数据的收集，采取状态检修，对不同设备采取差异化检修频率，预防故障的发生。