深圳地铁一期工程车辆电气系统及其故障统计分析
目录
1 车辆基本性能
2 车辆电气系统中牵引系统部件的主要特点
3 车辆电气系统中辅助系统的特点
4 牵引系统和辅助系统的故障统计与分析
5 结语
关键词：深圳地铁；地铁车辆；电气系统；特点；故障统计；故障分析
引言
深圳地铁一期工程于2004年12月28日正式开通，并已顺利运营1年多，其性能满足技术要求，但在运营过程中也暴露了一些问题。下面介绍深圳地铁一期工程车辆电气系统的主要特点并对其故障进行简要分析。
1 车辆基本性能
深圳地铁车辆由2个牵引单元组成，编组为A-B-C-C-B-A：A 车是带有司机室的拖车，包括车钩在内长度为24 390 mm；B车是带受电弓的动车，包括车钩在内长度为22 800 mm；C车是动车，与B车的长度相同。车辆采用鼓型车体，宽3 100 mm，额定载荷时可容纳1 860名乘客，超员载荷时可容纳2 592名乘客。列车最高速度为80 km/h，平均速度约为35 km/h。列车通过架空接触网受电，额定电压为DC 1 500 V。
牵引性能在额定载荷(AW2)和半磨耗轮的情况下, 列车在额定电压下，在平直和与主线路相切的线路上的牵引特性如下。加速度 从 0 到35 km/h 列车平均初始加速度 1.0 m/s2 从 0 到80 km/h列车平均加速度 ≥0.4 m/s2冲击极限 0.75 m/s2计算用牵引粘着系数 0.17最大运行速度 80 km/h设计/构造速度 90 km/h联挂速度 3 km/h反向运行最大速度 10 km/h车辆段最大速度 25 km/h列车在额定载荷(AW2)、所有动车都正常工作时，能够以约35 km/h 的速度连续行驶。
制动性能① 电制动（包括再生制动和电阻制动）是与可控制的踏面制动混合使用的。再生制动和电阻制动能连续交替使用。如果网压上升到DC 1 800 V，再生制动能平滑转换到电阻制动。一旦再生制动出现故障，仅电阻制动也能够满足常用制动的要求。② 停车制动采用弹簧制动，通过压缩空气来缓解。③ 常用制动冲击率0.75 m/s2；计算用粘着系数0.14 ~ 0.175；电制动渐退点 3 ~ 6 km/h (可调整)；平均减速度 (对所有的从AW0到AW3的负载而言)从80km/h 到停车为 1.0 m/s2。④ 当负载为AW0到AW2，电压高于直流1 500 V时，列车仅采用电制动。当负载从AW2到AW3且电压高于直流1 500 V时，附加空气制动。空气制动力大小取决于各车的载荷。当载荷从AW0到AW3，电压低于1 500 V至1 000 V时，需要附加空气制动。列车上的空气制动力可以按照电压的降低大小，连续地进行补充，因此列车减速度将不受电网电压高低的影响。⑤ 每节车的ECU(电制动控制单元)根据每节车的重量(动车与拖车之间的差异)向本车提供100%的制动力。2 个DCU(驱动控制单元)为每一个牵引单元提供300%的制动力。每个DCU（驱动控制单元）需通过牵引回路为常用制动提供150%的制动力。为了清洁轮对踏面，使轮轨之间的摩擦力达到最大值，并减少机械制动的响应时间，制动闸瓦向轮对踏面施加一个接近于零的制动力(制动缸压力约为0.3~0.5 bar)。⑥ 制动应用是通过车辆控制系统来实现的，前端拖车的VTCU（车辆及列车控制单元）提供所需的制动力信号，它是根据单车车重和整列车的制动和牵引状况而计算出来的。即使在最差的条件下( 电压低于DC 1 500 V、受打滑的影响及AW3载荷情况下)，DCU和EBCU之间的信号交换也可以向每车提供100%的制动力(DCU的实际制动力)。⑦ 从紧急制动输入指令信号到停车(包括响应时间)，下列制动距离都有效：对于AW0～AW2 载荷条件，制动距离小于等于190 m，即紧急制动初始速度为80 km/h，a ≤1.2 m/s2；对于AW3载荷条件，制动距离小于等于215 m。⑧ 停放制动能使超载（AW3）的列车在40‰坡道上制动停车。⑨ 当一辆动车不工作时，额定载荷(AW2)情况下，列车可以往返一个全程，如果超载严重时，必须降低列车速度从而避免车轮过热；当２辆动车不工作时，超员载荷(AW3)的情况下，列车可以在35‰的坡道上启动，到达下一站时乘客必须下车，然后把列车拖回到车辆段。
2 车辆电气系统中牵引系统部件的主要特点
牵引系统包括：受电弓，高速断路器（HSCB），线路滤波元件，牵引逆变器模块（MCM），过压/制动斩波，接地—故障检测，机械驱动系统（包括牵引电机）等2.1 受电弓DC 1500 V 电源是通过受电弓从架空电网上得到的。受电弓安装在B车车顶。浪涌抑制器安装在每个受电弓上以防止过电压。电流经由受电弓端子流到B车底架下部的牵引高压箱（PH箱）。受电弓通过压缩空气进行升降，由电磁阀控制。如果压缩空气供应出现故障，可用安装在B车2位中间端的电气柜中的脚踏泵人工升起受电弓。
高速断路器（HSCB）为了使牵引系统与直流1 500 V供电电源连接或断开，在每单元车组（A+B+C）中装有2台高速断路器，分别与本单元车组中的B车和C车连接。高速断路器HSCB安装在B车的逆变器箱（PH箱）中。集成安装在箱中的主要优点是：可以节省车下空间用于其他设备安装，并且使HSCB与外界环境隔离。高速断路器安装在受电弓与线路（输入）滤波器之间，能高效地保护由于短路、接地等造成的过流，其保护范围与变电所保护协调。它的限流特性和高速切断能力能防止由于短路或过载而引起的损坏。高速断路器HSCB的分断能力是双向的，所以它能从电网隔离设备也可以在再生制动过程中隔离，并且对地有很高的绝缘等级，高的分断能力，短的响应时间，不受气候条件的影响，具有长使用寿命。
牵引逆变器列车牵引运行时，牵引逆变器把从架空电网上获得的直流电转变为调频调压的三相交流电。此功能由牵引逆变器模块（MCM，类型为ICON-MA1500）来完成，它包括6个用作牵引逆变器的IGBT模块和2个用作制动斩波器的IGBT模块。列车进行制动时，牵引逆变器把由电机产生的三相交流电转换成直流电。产生的能量反馈到架空电网供其他车辆使用，或供应给其他车载耗能装置（辅助设备，空调设备和照明）。没有被反馈的能量通过制动电阻转变成热能。制动电阻由制动斩波模块控制。牵引逆变器由过压保护电阻、支撑电容、制动斩波相、逆变桥、GDU单元、DCU控制板及其他辅助元件组成。牵引逆变器分别安装在B车和C车下的PH箱和PA箱内，其核心部件为MCM模块，另外还有其他辅助部分。PH箱的另一部分用于安装高压设备，PA箱的另一部分用于安装辅助逆变器。MCM模块是牵引系统的核心部分，负责为牵引电机提供电源和处理制动时所产生的电能。牵引逆变器被设计为电压源逆变器，采用了3 300V/1 200 A的 IGBT，用于牵引、再生制动和电阻制动3种运行模式。每台牵引逆变器驱动4 个并联的三相交流牵引电机，这些电机分别驱动每节动车的2 个转向架的4 个轴。它也根据电网电压情况执行电阻制动和再生制动。牵引逆变器模块MCM有3个子系统：三相逆变器，DC连接电容和过压/ 制动斩波相。3 个系统都由内部计算机（DCU/M）来控制和监控。MCM中包括一个电源单元，它用来给本地计算机、门驱动单元和某些测量设备提供电压。每个MCM有1个线路断路器。发生严重短路故障时，它可以中断短路电流。由HV部分DX单元控制切换断路器打开和关闭。当线路断路器切换打开时，使用1个电阻与操作线圈串联，减少功率消耗。这也是由DX单元控制。牵引逆变器由驱动控制单元（DCU）控制。该控制装置安装在牵引逆变器模块上，而牵引逆变器模块安装在相应动车的逆变器箱里。驱动控制单元的特点：驱动设备采用冗余设计，以便在一个驱动模块出现故障时，75%额定功率（对整列车而言）仍可使用。所有电机逆变器的转矩参考值由列车控制单元（VTCU）来计算（如图2所示），它是一个关于车辆速度、车辆载荷、冲击率限制和所需牵引力的函数。根据DC连接电容电压、牵引电机和逆变器中的温度、MCM的输出电流、轮轴的超速值和旋转/滑动控制对来自于VTCU的转矩参考值进行修改和调整。DCU功能：输入信号和输出信号的处理；牵引和制动运行的控制和调节；保护和监控；诊断和自检；测量速度。DCU也保护和监控牵引电机，其中的温度用PT100来测量。为了防止空转和滑行，在每个齿轮箱上安装了速度传感器，并由DCU来监控。
牵引电机牵引电机是专为地铁车辆设计的、采用逆变器供电方式的三相鼠笼式异步交流牵引电动机。其由电压源逆变器供电，变频变压（VVVF）调速，采用架承式悬挂（全悬挂）方式。
线路滤波器滤波器用来平滑输入电流，抑制接触网与车辆之间的相互干扰，进而减少车辆对其他系统的影响。系统中的滤波元件是线路滤波电抗器和在MCM和ACM中的DC连接电容。线路滤波器对由于雷击或车辆和变电所断路器断开最大故障电流所引起的瞬时行波起保护作用，与高速断路器协调一致，以保证在突然出现接地时，不至于损坏任何设备。每辆B车和C车各自装有1台完全联在一起的线路滤波器。
3 车辆电气系统中辅助系统的特点
辅助系统主要用于产生三相交流电压以及110 V电源，它包括DC/AC逆变器（辅助逆变器）和DC/DC变换器（蓄电池充电器），见图3。图 2 转矩参考控制3.1 辅助逆变器（DC/AC 逆变器）在每个牵引单元车中的 C 车配备 1 台容量为220 kVA的辅助逆变器。辅助逆变器与牵引逆变器一起集成在PA箱中，PA箱安装在C车的底架上，为6辆编组列车的一个单元供电。辅助逆变器从架空接触网上受电用作辅助电源。输出三相 AC 380/220 V 50 Hz正弦电压，为风扇电机、空气压缩机、空调装置和车内其他所有交流负载供电。输入与输出隔离用变压器的作用是：降压和隔离；同时减低对负载的干扰。辅助逆变器的工作原理与MCM相同。整列车的辅助系统采用冗余设计，安装了2个DC/AC 逆变器以使运行时有足够的余量，为整列车的辅助交流系统提供工频交流220/380 V电压。其主要负载有空调系统、空压机、PH/PA箱冷却风扇、制动电阻风扇及电源插座。一个辅助逆变器给每台车的一个空调单元供电，当一个辅助逆变器出现故障时，保持50％的空调仍正常工作。关键部件（如空压机）可以从2个辅助电源供电，保证在一个辅助系统故障时不影响列车的运营。在列车解编运行时间，可以通过在C 车的中端模块的按钮把列车单元AC 380 V系统连接，形成一个回路，实现列车单元的独立运行。3.2 蓄电池充电器（DC/DC 变换器）列车上并联安装2台蓄电池充电器。蓄电池充电器用作车载直流供电。从输入到输出有直流电的隔离。如果一个蓄电池充电器故障，将由另外一个给全部6辆车供电，列车可继续运行。在每个A车安装1台蓄电池充电器，其输入为DC 1 000～1 800 V，输出电源为110～126 V，其额定功率为25 kW。正常运营时，蓄电池充电器通过受电弓从接触网获得电源，也连接到直流1 500 V列车母线上，此列车母线同时也把逆变器连接到受电弓上。当列车在车辆段时，通过车上直流1 500 V车间电源插座把DC 1 500 V电源供给蓄电池充电器和辅助逆变器。蓄电池充电器给全部的110 V负载供电，其中包括蓄电池、列车照明(车外信号灯，客室照明)、门控、列车通信(车载无线电台，广播)、列车控制(门控，制动控制单元，VTCU)、雨刷，作为控制和照明电源。每台蓄电池充电器内部有1个蓄电池用于紧急启动。蓄电池充电器通过熔断器连接到蓄电池的正负极，可以保护蓄电池短路。蓄电池充电器为模块化设计，可以在不拆箱体的条件下更换零件或整机。3.3 蓄电池组每辆A车中安装2个蓄电池箱，有80个镍—镉电池单元，类型为FNC232MR。每个电池单元的额定电压是1.2 V，并且当放电率为5 h时，容量为140 A•h。蓄电池以恒定电流浮充并且由蓄电池充电器限制电压。对蓄电池的保护有：①蓄电池分断接触器,使蓄电池同负载隔离。②使蓄电池同充电器相隔离。③对逆向回流的保护(从DC 110 V负载到蓄电池或从一个蓄电池经过列车导线到另一个蓄电池)。④由继电器对电压低于85 V时的保护。⑤对充电时的过电压过电流的保护。⑥低电压/ 高分断能力熔断器接到蓄电池的正负极。⑦蓄电池充电器对充电电压的控制。
4 牵引系统和辅助系统的故障统计与分析
牵引系统故障统计与分析4.3.2 故障分析1）辅助逆变器故障分析① MMI上辅助逆变器闪红故障。可能原因是：a、ACM的DCU软件存在问题；b、ACM与MVB通过存在问题。目前DCU单元的软件已进行升级，但故障并未因此而下降，需要继续进行整改。② DCU硬件故障。主要是LINE TRIP故障。③ACM GDU IGBT 反馈故障。主要原因是GDU单元故障, GDU单元完成整改工作后在10月份GDU单元故障有所上升，需要继续进行整改。④ ACM逆变器散热过热故障。主要原因是外部风扇故障及风扇控制电器及线路故障造成。⑤ ACM充电电路故障。主要原因是充电接触器和充电电阻烧损。⑥ ACM三相过流保护故障。主要原因是三相变压器一次侧短路放电造成。三相变压器进行整改工作后，效果比较好。⑦ ACM三相不平衡故障。故障原因可能是电流传感器故障或DCU故障。⑧ ACM无网压显示故障。故障原因可能是电压传感器故障或DCU故障。⑨ACM外部风扇接触器次序故障。故障原因为接触器接线接错（1次）。2）蓄电池充电机故障分析① 代码-14n的含义是蓄电池温度达最大值。此类故障占全部充电机故障的50%，在正线的故障次数也是最多的。经检查此类故障多数是蓄电池温度传感器损坏引起的，部分是传感器插头插接不良引起的。② 代码-36n的含义是DC链接过电压。表明输入端出现了过电压。③ 代码-12n的含义是蓄电池温度传感器电缆破损，充电机仍在工作。司机室MMI显示屏无充电机故障等级信息。如果蓄电池温度达到动作阀值，则报代码-14 n故障，如果已远远超过阀值，则表明线路已损坏，则报代码-12n故障。代码-12n故障在8月份SMA更新充电机软件之前没有发生过，9月和10月份共发生4起。④ 代码-1的含义是表明输入端高压回路有接地过流现象。通常高压输入熔断器已烧损。⑤ 代码-50n的含义是输入电压硬件保护，充电机模块输入端出现过电压。实际检查发现这1次故障因变压器故障引起。⑥ 固定、接线螺栓松。⑦ 变压器箱盖板问题。集中发生在变压器箱盖板上，表明厂家在材料选择、组装及质量控制上存在问题。⑧ 充电机内部插座问题。部分插座采用WAGO插，且水平放置，由于受线束重力的作用，插座向下倾斜，影响线路的可靠连接，表现在故障现象上就是时有时无，故障有时难以确认。通过采取固定水平放置的WAGO插的线束可以使因受线束重力的作用而插座向下倾斜的情况得到改善。⑨ 软件内部日期不能修改。在年检及以上作业更换充电机RE144电子板内部电池后，需对软件内部日期进行修正，在1061车和1011车上发生了软件内部日期不能修改的问题，通过更换RE144电子板使问题得到解决。3）蓄电池故障分析① 蓄电池亏电。在列车使用早期曾发生多起，并造成1 次正线救援，主要是在对蓄电池未充电的情况下，长时间使用蓄电池，造成蓄电池亏电。通过规范管理，下发技术组织措施，蓄电池亏电情况得到根本遏制。目前，蓄电池充电机紧急启动功能存在缺陷，在蓄电池亏电情况下不能对蓄电池充电。蓄电池充电机紧急启动后，由于控制电路设计问题，激活列车瞬间蓄电池充电机就会停机，列车激活失败，紧急启动时蓄电池充电机也常常因输出过流而保护动作，因此需继续进行整改。② 蓄电池接反1组。③ 蓄电池供电失败。均是人为失误造成的，一次是误接线，将30262线接到旁边的接线端子上，一次是线路改造时未将蓄电池工作的信号引入，线路空缺。④ 接线柱缺绝缘护套。属于出厂时缺少零件。⑤ 蓄电池单元缺电解液。是出厂时电解液不到位或通风塞关闭不严引起。⑥ 80个白色通风塞仍是运输黄色塞。属于出厂人为失误。⑦ 蓄电池接线柱有锈蚀。属供货问题。
5 结语
深圳地铁一期工程车辆是动力分散型电牵引动车组，列车采用IGBT模块组件、配备有先进微计算机控制的VVVF逆变器变频变压调速三相鼠笼式异步牵引电动机驱动的牵引控制系统；控制系统具有电制动（包括再生制动和电阻制动）和空气制动协调作用的功能；具有频率高、保护性能好、可靠性高、重量轻、价格便宜等优点，技术和经济上具有优越性。但需要全面提升车辆整体的可靠性。关键零部件的正常运行与否对列车的性能影响非常大，要加强车辆维修性的考虑
摘 要：简要介绍了深圳地铁一期工程车辆电气系统主要电气设备的主要特点。结合车辆1年多的使用情况，对车辆电气系统中牵引与辅助系统的故障进行了统计与分析，并提出了一些检修建议。