充電電阻故障分析及改進措施

　摘要：本文簡述了深圳地鐵1 號線列車牽引逆變器充電電路的工作原理，充分分析充電電阻故障的原因，指出充電電阻設計上的問題和缺陷，並提出改進措施。
　　1. 引言
　　在城市軌道交通的列車設備上，牽引逆變器是牽引和控制的核心設備和動力源泉。牽引設備發生故障輕者造成列車失去部分牽引動力，嚴重情況造成全列車完全散失牽引力。輕者影響了列車運行的牽引制動控制性能，造成列車控制不平穩、停車不準確、列車晚點、下線等，嚴重情況造成列車救援，對地鐵運營產生嚴重的影響。因此，在列車牽引系統的設計上，電路設計要精確，設備質量要可靠，以提高設備運行的可靠性，減少故障。本文以深圳地鐵1 號線一期工程列車牽引逆變器充電電路為研究對象，介紹深圳地鐵列車牽引逆變器充電電路的工作原理，充分分析充電電阻燒損的原因，指出充電電路設計上存在的問題和缺陷，提出設計的新思路和改進措施。
　　2. 充電電路的工作原理
　　2.1 牽引系統的介紹
　　深圳地鐵1號線列車是由4動2拖車組成的6列編組的列車，每列車由兩個相間的三車單元（A-B-C-C-B-A）構成。B車和C車為動車，具有相同的、獨立的列車牽引設備。牽引系統其主要功能是把DC 1500V 電壓逆變成帶有可變振幅和頻率的三相電壓，用於的牽引和制動牽引電機，產生牽引力或制動力，將電能轉換成機械能或將機械制動能量轉換成電能，實現牽引或再生制動。一節車的牽引系統電路圖如圖1所示，其主要由高速斷路器、電抗器、充電電路、電機逆變器、牽引電機（4個）、制動電阻器、接地碳刷等組成。紅色框的為牽引逆變器的充電電路。

圖1 單個牽引系統電路圖
　　2.2 充電電路的工作原理
　　為了使電機逆變器與外部供電線路DC 1500V 進行連接或斷開，每個電機逆變器使用一個線路高速斷路器和一個充電電路，充電電路帶有一個線路接觸器，一個充電接觸器及充電電阻器。充電電路的充電順序如圖2 所示，按壓高速斷路器的"合"按鈕，高速斷路器閉合，電機逆變器的牽引控制單元（DCU/M）控制充電接觸器閉合，外部供電通過充電接觸器和充電電阻器對電機逆變器的電容器進行充電，閉合2S 后，DC LINK 電壓充電升至1000V 以上，線路接觸器閉合，線路接觸器投入工作，延時1S 后，斷開充電接觸器，再延時1S 后，電機逆變器啟動投入正常工作。電機逆變器正常工作期間，線路接觸器常閉合，充電接觸器處於斷開狀態。

圖2 充電順序圖
　3. 充電電路故障分析
　　從上面充電電路的工作原理可以看到，充電電路只是在電機逆變器啟動開始階段進行一次邏輯關係的閉合。電機逆變器工作期間，線路接觸器處於常閉合的狀態， 充電接觸器處於斷開的狀態。充電電路的充電接觸器和充電電阻器，工作的時間和頻率相當少，一天只是2至3 次的啟動，按理故障率應該相當小。但在深圳地鐵1 號線一期工程的列車中，電機逆變器的充電電路故障共發生35 件，其中充電電阻器燒損32 件，充電接觸器故障3 件，充電電阻器燒損故障為充電電路故障的主要故障。下面重點分析充電電路的充電電阻燒損故障。
　　4. 充電電阻燒損故障分析
　　4.1 充電電阻故障與列車無關
　　深圳地鐵1 號線一期工程共有列車22 列，列車按列車號順序先後交貨，相隔2 年時間，充電電阻燒損故障在22 列車中共有11 列車發生故障，故障列車分佈散開，同一列車發生1-3 個充電電阻故障（1 列車共有6 個充電電阻器），沒有集中列車現象，所以，充電電阻燒損故障與列車無關。
　　4.2 充電電阻故障多發生於使用一定時間后
　　根據故障情況統計，充電電阻燒損多發生於使用8 個月至18 個月之間，在時間分佈上說明充電電阻是在使用一段時間后產生的故障，但也不能說明充電電阻使用一定時間后，一定會發生燒損故障，因為102 車和105 車目前已使用超過2 年半的時間，但從未發生過同類故障。22 列車中有11 列車未發生充電電阻故障，所以與列車無關。
　　4.3 充電電阻故障與操作無關
　　我們對充電電阻發生燒損故障時的作業操作進行調查，故障多發生於電機逆變器啟動閉合充電接觸器時，充電電阻就燒損，多數為一次性操作就發生故障，與操作手法和次數無關。
　　我們曾試驗連續多次分斷高速斷路器，來多次啟動電機逆變器，並未出現充電電路燒損現象。
　　並且電機逆變器控制對充電電阻過熱有保護功能。我們多次試驗證明多次充電后，充電電阻過熱保護功能起保護作用后，充電電阻並未燒損。因此，充電電阻燒損故障與操作無關。
　　4.4 充電電阻故障發生具有瞬間性特點
　　我們下載了DCU/M 的故障信息進行分析，故障信息代碼為充電失敗故障，查看環境信息，當時充電接觸器閉合后，DC-LINK 電壓沒有上升，500ms 后，充電接觸器斷開，檢查充電電路線路均正常，說明在充電接觸器閉合時，高電壓進入充電電阻器瞬間，充電電阻器就燒損。我們對多次故障的調查和分析，多次表明充電電阻燒損只是在閉合的瞬間就燒損，具有瞬間燒損的特點。
　　5. 充電電阻燒損原因分析
　　根據車輛技術資料和實際測量結果得出以下參數數據：充電電阻j 由電阻合金絲繞制而成，充電電阻R=50Ω，電氣絕緣值為350MΩ，電容器C=4Mf,電壓從25V 充電到1508V的所需時間為557ms,根據電容充電電流計算公式：

　　電阻功率為 P=I2*R=（10.6）2*50=5618（瓦）
　　根據供貨商（BOMBARDIER）提供的關於充電電阻性能測試的試驗報告，充電電阻在正常充電情況下，一次充電可使電阻溫度升高約100℃，而電阻充電后的溫度下降較慢，充電電阻的溫度從300℃下降到200℃需要5 分鐘的時間，溫度從300℃下降到140℃需要15分鐘的時間[3].所以，充電電阻雖然只是瞬間充電，但實際是一個大功率電阻元件，在充電瞬間產生較大的熱量且難以散發出動。電阻燒損較多，我們對充電電阻進行解體檢查，發現充電電阻存在以下問題：
　　5.1 充電電阻的電阻線圈機械結構安裝不牢固
　　充電電阻的電阻線圈是直接裝在充電電阻外殼內部（結構圖見圖3），電阻是由兩個相同的100Ω 電阻線圈並聯組成，在機械結構的安裝上，其左側是連接外部導線的電纜與電阻線圈相連，起到一定的固定作用。右側沒有任何的固定裝置，懸空放置於電阻的外殼中間，內部填充石灰粉，電阻線圈偏向一邊，與絕緣樹脂墊片直接接觸，明顯有燒損的痕迹。如圖4 所示，充電電阻燒損最多的地方為電阻的兩端，特別是在靠近絕緣樹脂墊エ電阻線圈繞彎處、表面有密封膠處。