赫亮

[摘? ? 要]為了提高地鐵車輛的運(yùn)營(yíng)效率，有必要積極研究牽引供電系統(tǒng)和輔助供電系統(tǒng)的故障與檢修方法，從而完善地鐵故障檢測(cè)程序，降低地鐵故障發(fā)生率。文章從電氣系統(tǒng)中的牽引與輔助系統(tǒng)的特點(diǎn)出發(fā)，闡述了地鐵電動(dòng)車輛牽引及輔助系統(tǒng)的特點(diǎn)，并在分析研究的基礎(chǔ)上，對(duì)我國(guó)地鐵電動(dòng)車輛牽引及輔助系統(tǒng)的故障及檢修方法進(jìn)行了分析研究，希望能為我國(guó)地鐵系統(tǒng)的完善提供一些參考。

[關(guān)鍵詞]地鐵車輛;電氣系統(tǒng);牽引與輔助系統(tǒng);故障;檢修

[中圖分類號(hào)]U231.94 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）01–00–03

Faults and Maintenance of Traction and Auxiliary System in Metro Electrical System

He Liang

[Abstract]With the acceleration of urbanization and the rapid increase of the number of motor vehicles per capita， the traditional mode of transportation has seriously affected the efficiency of urban traffic， resulting in urban traffic congestion and emission pollution. In order to solve this increasingly serious urban traffic problem and improve the quality of urban environment， subway， as an important part of urban rail transit， has been widely used in the city. Subway is a very complex traffic operation system， in which the traction system and auxiliary system play an important role in the subway electrical system. In order to improve the operation efficiency of metro vehicles， it is necessary to actively study the fault and maintenance methods of traction power supply system and auxiliary power supply system， so as to improve the Metro fault detection program and reduce the incidence of Metro fault. Starting from the composition of the electrical system and the characteristics of the traction and auxiliary system， this paper expounds the characteristics of the traction and auxiliary system of Metro electric vehicles， and on the basis of analysis and research， analyzes and studies the faults and maintenance methods of the traction and auxiliary system of Metro electric vehicles in China， hoping to provide some reference for the improvement of the metro system in China.

[Keywords]metro vehicle; electrical system; traction and auxiliary system; fault; maintenance

1 地鐵車輛電氣系統(tǒng)中牽引與輔助系統(tǒng)的特點(diǎn)

1.1 地鐵車輛電氣系統(tǒng)中牽引系統(tǒng)的特點(diǎn)

地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)是地鐵的控制中樞，系統(tǒng)一般由四臺(tái)電機(jī)完成供電功能，電機(jī)可以通過(guò)對(duì)高壓電的頻率的調(diào)整來(lái)達(dá)到對(duì)地鐵速度的控制。這些電機(jī)還包括無(wú)速度傳感器和無(wú)轉(zhuǎn)矩傳感器驅(qū)動(dòng)等組件，可以解決傳統(tǒng)的再生制動(dòng)遲滯的特性，實(shí)現(xiàn)電制動(dòng)與再生制動(dòng)的自由轉(zhuǎn)換。

地鐵車輛牽引系統(tǒng)主要由牽引逆變器、接地故障檢測(cè)系統(tǒng)、高速斷路器和線路濾波器組成，各個(gè)組件的相互協(xié)調(diào)來(lái)保證輸入電流的穩(wěn)定，其中，線路濾波器可以使輸入電流更加平滑，避免車輛與接觸網(wǎng)之間的過(guò)大干擾，防止接觸網(wǎng)對(duì)其他車輛正常運(yùn)行造成影響;交流牽引電動(dòng)機(jī)使用帶逆變器的三相鼠籠式;由DOC控制板、GDU模塊和逆變橋組成牽引逆變器;一般還需要增設(shè)高速斷路器，避免接地短路引起系統(tǒng)過(guò)流。索引系統(tǒng)中包括的線路濾波控制器、GDU模塊、斬波器制動(dòng)模塊、過(guò)壓保護(hù)電阻、接地電阻等。一般情況下，還將熱管散熱、路器和高速斷路器安裝在逆變器中可以防止接地故障，與變電器協(xié)調(diào)工作保護(hù)牽引系統(tǒng)正常運(yùn)行。

1.2 地鐵車輛電氣系統(tǒng)中輔助系統(tǒng)的特點(diǎn)及構(gòu)成

地鐵車輛輔助系統(tǒng)由包括充電模塊、蓄電池模塊、DC-DC變換器、AC-DC變換器和直流逆變模塊等多個(gè)單元組成。作為輔助系統(tǒng)的核心部分，多個(gè)單元協(xié)調(diào)工作可以實(shí)現(xiàn)地鐵直流電源、直流逆變電源、交流逆變電源和直流逆變電源的動(dòng)態(tài)變換。蓄電池組帶有電源保護(hù)功能，其主要通過(guò)斷開觸點(diǎn)的方式防止電源過(guò)載;蓄電池充電器也是電力輔助系統(tǒng)的重要組成部分，可以通過(guò)DC-DC變換器作為輔助逆變器滿足地鐵車輛電氣系統(tǒng)中獲取架空電能的要求，并且滿足地鐵電力車輛空調(diào)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)等交流負(fù)荷供電需求。

2 地鐵車輛電氣系統(tǒng)中牽引系統(tǒng)故障和檢修

2.1 牽引系統(tǒng)故障

首先，通過(guò)地鐵出行已成為大中城市居民重要的交通手段，為減少故障的發(fā)生必須防患于未然，確保在第一時(shí)間排查潛在故障并在第一時(shí)間檢修故障。造成這類故障其中一個(gè)重要原因就是地鐵車輛牽引系統(tǒng)故障，造成這種故障的原因很多，本文主要從非正常運(yùn)行狀態(tài)、金屬故障和非金屬故障三個(gè)方面分析電力系統(tǒng)故障。

（1）正常運(yùn)行狀態(tài)下的牽引系統(tǒng)故障。在地鐵車輛運(yùn)行中，難免會(huì)出現(xiàn)一些非正常情況，如在城市人口高峰期地鐵車輛滿載或超載等特殊情況，且負(fù)荷過(guò)大，地鐵會(huì)嚴(yán)重失控，處于非正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。當(dāng)?shù)罔F車輛剛起步或處于高速運(yùn)行狀態(tài)遇到超載情況時(shí)，會(huì)增加地鐵網(wǎng)電壓、電流的異常波動(dòng)，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，可能導(dǎo)致系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別錯(cuò)誤，這種異常負(fù)載與牽引系統(tǒng)和繼電保護(hù)的狀態(tài)有關(guān)，保護(hù)系統(tǒng)裝置誤認(rèn)為系統(tǒng)可能出現(xiàn)故障，自 動(dòng)進(jìn)行某種應(yīng)對(duì)措施，這種系統(tǒng)自動(dòng)采取的行動(dòng)將帶來(lái)不必要的損害，例如車輛制動(dòng)造成電壓和功率之間不穩(wěn)定，這就相當(dāng)于短路狀態(tài)，將直接危及電網(wǎng)的運(yùn)行，進(jìn)而影響地鐵車輛的運(yùn)行。

（2）非金屬短路故障。地鐵牽引系統(tǒng)的非金屬短路故障，是由地鐵中的非金屬原件導(dǎo)致的非金屬短路故障，如供電系統(tǒng)被雨雪覆蓋后，雨雪可能作為導(dǎo)體造成供電系統(tǒng)短路，絕緣體的老化或者絕緣體內(nèi)進(jìn)入雜質(zhì)等會(huì)導(dǎo)致絕緣體失去絕緣的作用，致使電路直接暴露在外面導(dǎo)致電路電流泄露，造成漏電通過(guò)地網(wǎng)流入變電器負(fù)極引發(fā)短路，而且當(dāng)支架通過(guò)變電站的銅絕緣板接地時(shí)，泄漏的電流會(huì)更加嚴(yán)重。地鐵中采用的三軌供電系統(tǒng)也存在固有的缺陷，系統(tǒng)非常容易發(fā)生非金屬電弧短路，因?yàn)閹щ婓w和導(dǎo)體接觸過(guò)多，導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)地短路放電。

（3）金屬性故障。在上文中提到三軌供電系統(tǒng)存在固有的缺陷，金屬性故障與三軌供電原理相同，在地鐵牽引系統(tǒng)中，金屬軌與三軌之間的接觸造成的故障就是金屬性故障。因三軌與地面之間是絕緣的，銅支架上面放置接地板，地鐵車輛供電系統(tǒng)之間的每個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)都非常容易在接地板上面產(chǎn)生接觸短路，如地鐵供電系統(tǒng)電氣化改造導(dǎo)致停電后，維修人員如果忘記及時(shí)將金屬工具放回軌道，就會(huì)導(dǎo)致軌道間金屬接觸。金屬短路故障，通常發(fā)生在雨天或雪天，由于液體不能接通供電系統(tǒng)，從而影響鎮(zhèn)流器的絕緣功能。所以隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的延長(zhǎng)，勢(shì)必造成地鐵車輛支架的污染和老化，這些電流會(huì)使銅導(dǎo)線扁平化，所以必須采用更加先進(jìn)的絕緣材料才能有效避免這一問(wèn)題。只有使用先進(jìn)的絕緣材料提高常規(guī)地鐵車輛的合理支撐，才能保證地鐵車輛的最佳運(yùn)行和城市建設(shè)人員的出行安全。

2.2 地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)故障檢修方法

地鐵牽引系統(tǒng)的故障大多發(fā)生在遠(yuǎn)離牽引站的地方，為了解決地鐵牽引系統(tǒng)的故障只能通過(guò)系統(tǒng)仿真來(lái)確定牽引系統(tǒng)的饋線電流。避免外界干擾的情況，根據(jù)當(dāng)前仿真系統(tǒng)在故障分析處理中的變化曲線，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，準(zhǔn)確了解電路故障情況，這就要求維修人員在維修工作中應(yīng)認(rèn)真負(fù)責(zé)，制定嚴(yán)格的維修制度。

針對(duì)地鐵車輛的牽引故障，本文主要分析了地鐵車輛牽引故障的幾種常見(jiàn)情況，并針對(duì)這一故障在各種復(fù)雜情況下，采取的主要解決方法。首先，在維護(hù)過(guò)程中，如果系統(tǒng)操作方便，可在地鐵牽引變電所遠(yuǎn)端進(jìn)行相應(yīng)的模擬改造，使各點(diǎn)與實(shí)際數(shù)據(jù)保持一致，這時(shí)候調(diào)整直流饋線的動(dòng)作電流狀態(tài)數(shù)據(jù)，使故障點(diǎn)之間的距離縮短，由于故障點(diǎn)與基點(diǎn)之間的距離減小，就可以得出在長(zhǎng)距離高速條件下，高速電流會(huì)隨著接觸網(wǎng)兩端距離的變化而變化。因此，通過(guò)故障模擬分析可以直接檢測(cè)出地鐵車輛的供電電流和供電率，更準(zhǔn)確地判斷系統(tǒng)是否存在電流不正常泄露。

一般來(lái)說(shuō)，故障模擬分析是利用了維護(hù)地鐵車輛的牽引系統(tǒng)工作原理，因終端往往是遠(yuǎn)程故障，所以對(duì)地鐵車輛牽引故障進(jìn)行仿真分析后得到的相應(yīng)電流反饋可從近端和遠(yuǎn)端獲得。電流狀態(tài)值隨近端故障距離的變化而變化。最大距離越近，故障點(diǎn)越大，網(wǎng)絡(luò)越穩(wěn)定，通過(guò)這種牽引變電所直流牽引電壓的仿真分析，可以直接判斷牽引變電所直流牽引電壓是否發(fā)生突變，并可以有效地克服牽引變電所在模型建立初期存在電力泄露的問(wèn)題。車輛啟動(dòng)后，相應(yīng)的電流狀態(tài)與0.11s的電流狀態(tài)具有指數(shù)相似的函數(shù)關(guān)系，即超出接觸網(wǎng)末端和減速高度的電流，數(shù)值較高，電流相對(duì)穩(wěn)定，采用這種分析方法對(duì)直流電反饋線進(jìn)行監(jiān)測(cè)對(duì)故障準(zhǔn)確定位，從而排除故障。

3 地鐵車輛電氣系統(tǒng)中輔助系統(tǒng)的故障與檢修

3.1 輔助系統(tǒng)故障的主要表現(xiàn)

（1）地鐵車輛輔助系統(tǒng)電容器故障。逆變器是輔助系統(tǒng)一個(gè)非常重要的組成部分。逆變器在提供電氣系統(tǒng)內(nèi)部交流電轉(zhuǎn)換方面起著非常重要的作用，然而在地鐵車輛的運(yùn)行中，逆變器中的氧化鋁膜非常容易被大電流擊穿，雖然氧化鋁薄膜有一定程度的自愈性，但其對(duì)電容器的保護(hù)非常重要，當(dāng)氧化膜的損傷率大于自愈速度時(shí)，這就會(huì)造成氧化膜的不可修復(fù)性，永久造成氧化膜的損傷，最終電容器的擊穿會(huì)導(dǎo)致輔助系統(tǒng)失效。許多逆變器中的電容器使用二次和雙半導(dǎo)體器件，半導(dǎo)體出現(xiàn)弱故障電流是地鐵車輛輔助系統(tǒng)常見(jiàn)故障之一。地鐵車輛輔助系統(tǒng)中存在大量的半導(dǎo)體故障電流，這對(duì)地鐵車輛輔助系統(tǒng)以及地鐵安全構(gòu)成了威脅。出現(xiàn)這種情況的主要原因是弱電流造成的嚴(yán)重的半導(dǎo)體故障，這樣地鐵車輛在行駛過(guò)程中就極易受到外界干擾，從而導(dǎo)致逆變器運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，局部放電電流不穩(wěn)定，導(dǎo)致輔助故障。

（2）功率半導(dǎo)體器件在逆變器工作環(huán)境中失效。如果功率半導(dǎo)體器件失效，逆變器也會(huì)失效。主要原因是設(shè)計(jì)人員在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)過(guò)程中沒(méi)有采取措施對(duì)大功率半導(dǎo)體器件進(jìn)行保護(hù)，這會(huì)直接導(dǎo)致半導(dǎo)體器件失效。功率半導(dǎo)體器件的故障，是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)功率半導(dǎo)體器件部分時(shí)就忽略了對(duì)功率半導(dǎo)體器件的保護(hù)措施，這就造成半導(dǎo)體器件容易損壞，導(dǎo)致半導(dǎo)體電流故障，當(dāng)逆變器中許多雙半導(dǎo)體器件損壞時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致程度比較大的損傷即器件故障。

（3）弱電半導(dǎo)體器件故障。對(duì)于每臺(tái)逆變器中的雙半導(dǎo)體器件，其內(nèi)部有許多半導(dǎo)體器件的弱電流，這將決定每臺(tái)逆變器能否正常工作，其中有些器件存在缺陷，直接影響逆變器的整體性能，給整個(gè)逆變器帶來(lái)一些隱患。主要原因是設(shè)計(jì)之初沒(méi)有想到對(duì)其重點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)。

3.2 輔助系統(tǒng)的故障檢修

地鐵輔助系統(tǒng)的維修可充分利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，維修一般分為3個(gè)步驟：首先建立網(wǎng)絡(luò)，即向網(wǎng)絡(luò)輸入相同的信息樣本，建立輔助系統(tǒng)，本文主要從輔助系統(tǒng)中采集樣本信息，樣本信息不經(jīng)過(guò)訓(xùn)練就傳送到網(wǎng)絡(luò)中，然后在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行相應(yīng)的訓(xùn)練，樣本數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的同時(shí)，也能為網(wǎng)絡(luò)診斷找到更好的解決方案，這是作為故障診斷成功與否的重要前提;然后通過(guò)訓(xùn)練得到故障診斷的目標(biāo)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的診斷輸入，設(shè)計(jì)系統(tǒng)診斷的相關(guān)過(guò)程，通過(guò)特征提取和識(shí)別對(duì)系統(tǒng)的樣本信息和故障數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理;最后，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行相應(yīng)的故障處理，值得注意的是，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障處理需要搜集引發(fā)故障的原因，其目的是制定科學(xué)化的維護(hù)策略。這種網(wǎng)絡(luò)診斷的方式主要是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)計(jì)算過(guò)程進(jìn)而得出故障診斷，這種通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)找出最優(yōu)解的過(guò)程可以根據(jù)數(shù)據(jù)找出故障點(diǎn)和原因，并根據(jù)輔助系統(tǒng)中的相關(guān)信息進(jìn)行故障診斷，進(jìn)行故障檢測(cè)，最終及時(shí)有效地解決故障。

4 結(jié)束語(yǔ)

地鐵在我國(guó)城市發(fā)展中的重要作用是不言而喻的。牽引及輔助系統(tǒng)作為地鐵電氣系統(tǒng)的重要部分，同時(shí)也是地鐵運(yùn)營(yíng)中最為薄弱的環(huán)節(jié)，因此，為了維持地鐵車輛的正常運(yùn)行，有必要加強(qiáng)牽引與輔助系統(tǒng)的改造。必須要對(duì)相關(guān)人員進(jìn)行改造，對(duì)地鐵車輛電氣系統(tǒng)有深刻的了解，不斷完善地鐵牽引與輔助系統(tǒng)的維護(hù)模式，故障發(fā)生后能夠更及時(shí)地進(jìn)行維護(hù)。因此，地鐵相關(guān)部門必須能夠結(jié)合自身的實(shí)際情況，對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)管理體制進(jìn)行改革，在提高工作效率和技術(shù)能力的基礎(chǔ)上，吸收國(guó)內(nèi)外相關(guān)維修經(jīng)驗(yàn)，為地鐵運(yùn)營(yíng)安全提供更好的保障，提高城市建設(shè)服務(wù)質(zhì)量綜合發(fā)展水平。

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