地鐵車輛電氣系統中牽引與輔助系統的故障與檢修

白海波

摘 要：概述了地鐵車輛電氣系統中的牽引系統和輔助系統，探析了地鐵車輛電氣系統中牽引系統和輔助系統的故障、檢修情況，以期為日后相關工作提供參考。

關鍵詞：地鐵；電氣系統；牽引與輔助系統；故障；檢修

中圖分類號：U231.94 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）10-0027-02

地鐵車輛在長期的運行過程中，不可避免地會產生一系列的故障，其中，電氣系統中牽引系統和輔助系統的故障是最常見的。下面從牽引系統和輔助系統的特點、出現的故障、檢修方法三方面進行分析。

1 牽引系統和輔助系統的特點

1.1 牽引系統的特點

在地鐵車輛電氣系統中，牽引系統包括以下幾個方面：接地故障檢測系統、牽引逆變器模塊、線路濾波元件、高速斷路器等。

1.1.1 線路濾波器

線路濾波器主要是用來平滑輸入電流，抑制接觸網和車輛之間的相互干擾，進而降低接觸網對車輛和其他系統的影響。線路濾波器對由車輛變電所斷路器斷開或雷擊故障所引起的瞬時行波起到一定的保護作用，能夠保證發(fā)生突然接地故障時，不至于損壞牽引系統的其他設備。

1.1.2 牽引機電

牽引機電采用逆變器供電方式的三相鼠籠式一部交流牽引電動機，通常采用架承式懸掛方式。

1.1.3 牽引逆變器

牽引逆變器由DUC控制板、GDU單元、逆變橋、制動斬波相、支持電容、過壓保護電阻和其他輔助元件組成。

1.1.4 高速斷路器

高速斷路器安裝在逆變箱中，能夠有效地保護由于接地、短路等造成的過流情況，其保護范圍要與變電所的保護相協調。

1.2 輔助系統的特點

輔助系統通常包括蓄電池組、DC/DC變換器、DC/AC逆變器三部分。

1.2.1 蓄電池組

蓄電池組由若干個額定電壓的電池單元組成，對蓄電池的保護方式有：蓄電池充電器對充電電壓的控制；高分斷/低電壓能力熔斷器接到蓄電池的正負極；對充電時的過電壓、過電流的保護；蓄電池要與充電器隔離；蓄電池分斷接觸器，使蓄電池和負載隔離。

1.2.2 DC/DC變換器

DC/DC變換器即蓄電池充電器，是地鐵車輛的直流供電。通常設置兩個或兩個以上的蓄電池充電器。如果1個蓄電池充電器發(fā)生故障，將會由其他的蓄電池充電器供電，讓輛繼續(xù)運行。

1.2.3 DC/AC逆變器

DC/AC逆變器即輔助逆變器，輔助逆變器從架空接觸網上受電，用作輔助電源，為空調裝置、空氣壓縮機、風扇電機和車輛內的所有交流負載供電。

2 地鐵車輛電氣系統中牽引的故障分析與檢修

2.1 牽引系統的故障分析

牽引系統的故障分析包括以下幾個方面。

2.1.1 非正常運行狀態(tài)

由于地鐵車輛運行時處于制動、過三軌無電區(qū)、啟動狀態(tài)，并且車輛在上下班高峰時段經常會處于過載的運行狀態(tài)。這時會導致車輛制動，制動會導致電網的電流和電壓發(fā)生較大的波動。這種負荷狀態(tài)與牽引系統的短路狀態(tài)十分相似，可能會導致繼電器保護裝置的誤動作，對地鐵車輛的電網系統造成損害。

2.1.2 非金屬性短路故障

非金屬性短路故障主要指的是發(fā)生在非金屬性狀況下的短路故障，例如雨雪覆蓋或淹沒軌道的狀況。這時，雨雪可以作為供電系統在啟動階段的導體，三軌由于整體絕緣支座固定在道床上，與接地扁銅之間具有良好的絕緣效果。但是，隨著地鐵車輛運行時間的增加，支撐件上會出現污穢或絕緣支座絕緣保護老化的情況，由此產生的泄露電流經過絕緣支座流向接地扁銅，然后通過變電所地網重新流回變電所負極。這種由于絕緣故障導致的短路故障是非金屬性短路故障中最常見的一種。此外，在三軌供電系統中，還有一種常見的非金屬性短路故障，即電弧短路故障，它是指帶電體對導體放電而引起的短路，例如第三軌對地放電。

2.1.3 金屬性故障

金屬性故障指的是鋼軌和三軌間發(fā)生的金屬接觸，或是絕緣支座（支座底部設置了接地扁銅，與整個供電系統的地網結構連接，主要用于三軌和大地的絕緣）被擊穿，導致接地扁銅和三軌直接發(fā)生短路的情況。例如供電系統在進行停電檢修工作時，檢修人員并沒有將放置在鋼軌和三軌之間的金屬工具帶走，這會導致系統重新送電時發(fā)生鋼軌與三軌之間的直接短路故障。

2.2 牽引系統的故障檢修

地鐵車輛牽引系統故障檢修通常采用故障仿真分析進行檢修。地鐵牽引系統故障的位置通常位于供電臂原理牽引變電所的遠端，通過對近遠端斷路故障進行仿真分析，分別得出近遠端斷路點的饋線電流，從中能夠看出電流的穩(wěn)態(tài)值會隨著故障距離的變化而發(fā)生變化，即隨著故障距離的減小而增大，并且故障點離接觸網末端越近，電流上升的速度也就越慢，它能夠診斷出直流牽引網電壓有沒有發(fā)生突變。模擬仿真分析為了避開牽引變電站子模型的初始階段存在的暫態(tài)過程，通過設置以下模擬實驗進行故障仿真分析，即設置1臺地鐵車輛在0.05 s啟動，在0.11 s時分別在2 km、3 km處設置遠端故障模擬試驗，以此模仿實際的短路故障。通過分析直流饋線電流仿真結果，能夠得出類似的指數函數，即距離接觸網末端的距離越遠，電流上升的越慢，電流的穩(wěn)定值就越高。通過故障仿真分析，檢測地鐵車輛直流饋線的電流大小和上升率，能夠準確地檢測出牽引系統有沒有發(fā)生故障。

3 地鐵車輛電氣系統中輔助系統的故障與檢修

3.1 輔助系統故障的主要表現

3.1.1 電容器故障

逆變器內部安裝有起到穩(wěn)壓作用的鋁電解電容器。鋁電解電容器的氧化膜在電容工作時很容易被損壞，雖然其自身有一定的自愈性，但是，當氧化膜的破壞速度大于其自愈速度時，氧化膜來不及修補，就會導致氧化膜被損壞甚至是擊穿，導致電容器失效。

3.1.2 電力半導體器件故障

逆變器經常在強烈的電浪涌環(huán)境中工作，逆變器失效通常是由電力半導體器件失效引起的，但是，設計師在設計的過程中并不重視對電力半導體器件的保護，所以，導致電力半導體器件失效。

3.1.3 弱電半導體器件故障

逆變器中存在許多弱電半導體器件，只要其中的一個器件失效，都會降低整個系統的性能，甚至會使整個系統喪失功能。導致半導體器件失效的原因包括兩個方面，一方面是內因，由于器件自身的固有可靠性；另一方面是外因導致的故障，主要包括溫度失效、機械過應力失效、靜電損傷失效、過電應力失效、濕度失效等。

3.2 輔助系統的故障檢修

輔助系統的故障檢修方法通常采用神經網絡故障診斷法，主要表現為：①訓練創(chuàng)建網絡。將采集到的輔助系統的信息樣本輸入到尚未訓練的網絡中，對樣本數據進行ANN訓練，經過自學獲得期望得到的診斷網絡。②網絡診斷。利用神經網絡進行前向計算的過程，即根據診斷輸入對系統進行診斷的過程。通過特征提取和預處理，對輔助系統的信息樣本和故障數據進行適當的預處理，然后在神經網絡中進行故障檢測。

4 結束語

總而言之，為了保證地鐵車輛電氣系統能夠正常運行，應該正確認識電氣系統中牽引系統和輔助系統的常見故障，并運用相應的檢修手段準確地找出原因，然后采取相應的措施進行處理，保證地鐵車輛整體的可靠性，使地鐵車輛能夠正常、穩(wěn)定的運行。

參考文獻

[1]李旭.地鐵車輛輔助逆變器故障診斷系統研究[D].太原：太原科技大學，2013.

[2]杜芳.地鐵機車建模及直流牽引供電系統故障分析[D].北京：北京交通大學，2010.

[3]杜永紅.輕軌車牽引電機矢量控制研究[D].北京：北京交通大學，2009.

[4]李墨雪.直流牽引供電系統建模及基于電流變化特征量的保護算法研究[D].北京：北京交通大學，2009.

〔編輯：白潔〕