饶东杰 刘海涛 赵清良 饶沛南 周 帅 李志杰 熊辉明 刘呈宏 罗嗣棂 李泽庶

(1.株洲中车时代电气股份有限公司， 412001， 株洲； 2.中车株洲电力机车研究所有限公司， 412001，株洲∥第一作者， 工程师)

1 青岛地铁2号线列车辅助变流器的主电路拓扑

辅助变流器作为地铁列车核心装备之一，一般安装于车辆下部。其主要功能是将输入的DC 1 500 V或DC 750 V高压转换为三相AC 380 V电压和DC 110 V电压，并给列车交流负载和直流负载供电。其中，交流负载主要包括空调、空气压缩机、电加热和方便插座等；直流负载主要包括蓄电池、门控制系统、牵引辅助制动控制系统、广播、网络系统、直流照明等。

青岛地铁2号线(以下简为“2号线”)为6节编组B型车，采用第三轨受流器供电，供电网压为DC 1 500 V。每列列车共设置2台辅助变流器，采用扩展供电为全列列车交流负载供电。正常时每台辅助变流器为列车的3节车辆供电，若运行中1台辅助变流器故障，网络系统会给故障辅助变流器发送停机指令并断开其交流输出，同时给列车空调发送减载指令，同时控制AC 380 V交流母线上的扩展接触器吸合，并由另外1台辅助变流器将交流输出扩展至故障端的交流负载供电。整个系统扩展供电框图如图1所示。图1中，Tc位于列车车头，且在车下装载辅助变流器；M1和M2均位于列车中部，且在车下装载牵引变流器和牵引电机。Tc、M1和M2组成1个单元，并由1台辅助变流器供电。

注：Tc为带司机室的拖车；M1和M2为有受流器的动车；SIV为辅助变流器；KMK为扩展接触器。

2号线辅助变流器的主电路拓扑如图2所示，主要由输入滤波电路、二电平逆变电路、变压器隔离降压电路、充电机电路等构成。DC 1 500 V输入高压经直流电抗器和直流电容器组成的LC滤波器(无源滤波器)滤波后，送至两电平IGBT(绝缘栅双极型晶体管)逆变器逆变后输出PWM(脉冲宽度调制)波交流电压，再送入输出工频变压器进行电压隔离、降压，经三相交流滤波器滤波得到低谐波含量的三相准正弦电压，输出三相AC 380 V(有效值)/50 Hz电压，从任何一相输出线与变压器的中性点之间均可得到单相AC 220 V(有效值)电压。充电机从AC 380 V取电，经过整流后，再经过高频DC/DC隔离变换，输出DC 110 V电压。

注：SV1为输入网压传感器；L1为直流电抗器；KM1为短接接触器；KM2为预充电接触器；R1为预充电电阻；SV2为直流电容电压传感器；R2、R3为放电电阻；Fc为直流电容器；SC2、SC3为桥臂电流传感器；U1、V1、W1为逆变电路输出的三相电压代号；T1为工频变压器；U2、V2、W2、N为变压器次边输出电压代号；ACC为三相交流滤波电容；TA1、TA2、TA3为三相交流输出电流互感器；Z2为交流EMI(电磁干扰)滤波器；KMA为交流输出接触器；K4为风机保护断路器；K11、K13为风机高速控制接触器；K12为风机低速控制接触器；M1为冷却风机；U、V、W、N为三相交流输出电压代号；PT为三相交流输出电压变换器；QF11为充电机保护断路器；AL为充电机输入三相交流电抗器；KM11为充电机短接接触器；RD1、RD2为充电机预充电电阻；AF1为充电机三相不控整流桥；SV11为充电机中间电压传感器；CF1、CF2为充电机中间支撑电容；A2为充电机逆变半桥；TR2为充电机高频变压器；AF2为充电机单相不控整流桥；DL为充电机输出滤波电抗器；CF3为充电机输出滤波电容；SV12为充电机输出电压传感器；SC11为充电机输出电流传感器；SC12为充电机蓄电池传感器；Z3为直流EMI滤波器；FU1为直流熔断器；DBPS为应急启动电源；V2、V3为二极管；Z1为控制EMI滤波器；DBPS OK为应急电源OK信号；Stop为辅助变流器停机信号；Reset为辅助变流器复位信号； OK为辅助变流器OK信号；Start为辅助变流器启动信号；MVB为多功能车辆总线。

2号线从2017年底开通运营后，总体运行良好，但在2019年6月开始陆续出现几起辅助变流器异响故障。辅助变流器异响故障的同时会伴随充电机模块报出中间电压欠压故障(故障代号为BILV)，且库内和正线均有发生。如果该故障发生库内，影响相对较小，需要启用备用车辆保障现场运营；如果该故障发生在正线，复位无效后就会启动扩展供电使车辆跑完单趟行程而下线。辅助变流器异响故障会给正线运营造成一定的负面影响。

2 辅助变流器异响和充电机欠压故障处理和分析

2.1 现场故障处理

其中1起典型故障为2号线0207车在2019年7月23日出库前发生异响，同时司机室显示器报出充电机中间电压欠压故障，对其复位后故障不消失，之后对充电机模块进行了更换，但更换后故障并未消除。更换充电机模块后重新启动辅助变流器，站在辅助变流器所在的地板上能够感受到明显的振动异响。最后怀疑是风机导致的异响。对风机进行更换，但更换后异响仍然存在。针对该类故障，株洲中车时代电气股份有限公司派技术人员赴现场进行排查。

2.2 故障详细分析

2.2.1 软件监视分析

对故障辅助变流器进行快速波形监测，发现每次异响时辅助变流器交流输出接触器(器件代号为KMA)状态信号都存在跳变。如图3所示的典型波形，初步推测故障辅助变流器异响是由交流输出接触器频繁分合导致的。

重点关注辅助变流器状态信号(代号为SIVOK)、交流输出接触器控制命令(代号为KMAC)、交流输出接触状态信号(代号为KMAS)等3个数字信号。交流输出接触器的控制逻辑如下：

当辅助变流器完成正常启动，变流器柜体内部电压变换器检测到交流输出接触器前端的三相输出电压AC 380 V正常后(SIVOK置 1)，控制单元会发送交流输出接触器吸合命令(KMAC置1)至交流输出接触器，通过其闭合给交流负载(包括充电机)供电，同时交流输出接触器会将其状态信号(KMAS置1)反馈至控制单元。如果交流输出接触器控制命令发出3 s后，未收到交流输出接触器正常的高电平状态(KMAS置1)反馈，控制单元会报出交流输出接触器卡分故障(故障代号为KMAF)。

由图3可见，辅助变流器输出正常后，控制单元发出交流输出接触器吸合命令后，交流输出接触器的状态在1和0之间频繁跳变，说明交流输出接触器存在反复吸合和分断。因其吸合功率较大(达到1 000 W)，推测其反复吸合和分断导致了辅助变流器的异响，同时导致充电机报出中间电压欠压故障。但由于吸合和释放的时间间隔较短(<3 s)，未达到交流输出接触器卡分的触发条件，故控制单元未报出交流输出接触器故障。

注：方框显示故障时刻交流输出接触器状态频繁跳变。图3 辅助变流器异响故障时刻波形截图

2.2.2 现场测试分析

2.2.2.1 故障交流输出接触器KMA测试分析

采用电压探头分别测试交流输出接触器KMA控制线圈电压、接触器前端VW两相之间线电压和接触器后端WV两相之间线电压，其电压波形如图4～5所示。

注:①为前端VW之间的线电压；②为后端WV之间的线电压；③为接触器KMA控制线圈两端电压。

由图4可知，辅助受流器升靴给电3次，每次故障情况均类似。前2次当交流输出接触器KMA前端电压正常后，交流输出接触器KMA后端电压会由于控制线圈的频繁得失电而导致其后端输入电压需经过一段时间调整才会恢复到和交流输出接触器KMA前端电压一致；而第3次交流输出接触器KMA后端电压一直未恢复到和交流输出接触器KMA前端一致。

图5为交流输出接触器KMA频繁分合前、后两端的电压放大波形。由图5可见，交流输出接触器KMA前端的电压一直稳定输出AC 380 V，但由于其直流控制线圈频繁得失电导致后端AC 380 V输出断续。在此期间，现场能感受到辅助变流器的异响。

图5 故障交流输出接触器电压放大波形截图

2.2.2.2 故障交流输出接触器KMA更换前后对比测试分析

对故障交流输出接触器KMA更换后，重新对其进行测试分析，其电压波形如图6～7所示。

由图6可见，辅助受流器升靴给电7次，每次启动波形完全一致。当交流输出接触器KMA前端电压正常，且交流输出接触器KMA吸合后，交流输出接触器KMA后端输出电压和前端完全一致。交流输出接触器KMA控制线圈一直稳定在115 V左右，未出现频繁得失电现象。

图6 更换故障交流输出接触器后电压波形截图

图7为接触器KMA正常吸合动作前后两端的电压放大波形。由图7可见，接触器KMA前、后端的电压波形完全一致，稳定输出AC 380 V；其控制线圈电压也稳定在DC 115 V左右，未出现任何跌落。在此期间，辅助变流器再未出现任何异响。

注:①为前端VW之间的线电压;②为后端VW之间的线电压;③为接触器KMA控制线圈的两端电压。

2.2.3 故障器件返修分析

故障接触器KMA返回株洲中车时代电气股份有限公司后，在接触器试验室对其进行了相关测试分析，分析如下：

1)外观分析。外观检查无损伤，自身紧固件无松动，整体外观未见明显异常。

2)接触器动作测试。接触器控制端通过外接DC 110 V电源，控制接触器吸合和释放动作，接触器动作正常，其控制电压、电流波形如图8所示。

注：①为控制线圈电压；②为主触头串入的电阻两端电压；③为接触器KMA线圈电流。

3)接触电阻测试。采用毫欧表测量接触器辅助触头接触电阻。通过接触器吸合状态测试，发现一侧代号为43-44的辅助常开触头的接触电阻为25 mΩ，在正常范围(<100 mΩ)内。但接触器另一侧代号为13-14的辅助常开触头接触电阻为无穷大，通过检查发现，代号为13-14的辅助常开触头未动作，存在异常。

4)异常辅助触头拆解分析。拆解代号为13-14的辅助触头盒的传动插销脱落。正常情况下，该传动插销应安装在辅助触头圆孔内(紧配合)，辅助触头盒安装到接触器侧面后，传动插销伸入接触器本体推板方孔内，接触器吸合/释放动作时通过插销带动辅助触头动作。

3 辅助变流器异响和充电机欠压故障机理分析

通过上述分析，发现2号线辅助变流器异响和充电机欠压故障主要由接触器KMA失效导致的。引起接触器工作失效的原因是辅助触头的传动插销脱落，其详细失效机理与接触器KMA的控制原理相关。如图9所示，接触器KMA的详细控制原理为：由于接触器KMA的线圈吸合功率较大，无法通过控制单元进行直接控制，控制单元通过中间继电器K2对接触器KMA进行间接控制；控制单元发出接触器控制命令后，中间继电器K2先得电，然后通过中间继电器K2的主常开触头闭合来为接触器KMA线圈供电，进而控制接触器KMA吸合；接触器KMA主触头吸合后会通过其代号43-44辅助常开触头的闭合将接触器状态反馈至控制单元，同时另一路通过代号13-14的辅助常开触头的闭合来实现线圈吸合自锁。

注：A、B、C、N为Z2滤波器的交流输入的代号；A′、B′、C′、N′为Z2滤波器的交流输出代号；A1、A2为接触器KMA的线圈代号；RV9为过压吸收电阻；A9为接线端子排代号；K2为中间继电器；K3为小的交流接触器；RV8为过压吸收电阻；XP7指接线端子排代号。箭头所示为接触器线圈的自锁保持电路。

接触器KMA的代号13-14辅助常开触头盒推杆上的传动插销脱落，导致代号13-14辅助常开触头不能动作闭合。该辅助常开触头在实际电路中串联于接触器KMA的线圈控制电路中，实现吸合自锁功能。若代号13-14辅助触头不能闭合，则线圈不能持续得电自锁，接触器KMA于是失电断开。这样控制单元又重新发送控制指令，造成接触器KMA反复吸合又分断，最终导致辅助变流器的异响以及充电机模块报出的中间电压欠压故障。

由图10所示的充电机主电路可见，由于充电机输入连接在辅助变流器的交流输出后端，交流输出电压经过充电机的三相不控整流桥转换为中间直流电压。中间直流电压完全由三相输入电压决定。接触器KMA的反复吸合和分断最终导致充电机报出中间电压欠压故障。

注：AF1、AF2为不控整流桥。图10 充电机电路原理图Fig.10 Diagram of charger circuit

4 辅助变流器异响和充电机欠压故障解决方案

综上分析， 2号线现场辅助变流器的异响，以及充电机模块报出的中间电压欠压均是由交流输出接触器KMA本身器件故障导致的。具体表现为：其代号13-14的辅助触头内部传动插销脱落，导致不能与主触头实现动作同步。由此可见，该故障与风机和充电机模块无关。将该故障件反馈接触器厂家，厂家针对该传动插销使用中偶发脱落和接触不良问题，制作了专门的夹具(见图11)用于对该传动插销进行拉拔力和寿命测试，以筛选出隐患产品。经测试和筛选后的辅助触头未再出现1例类似故障。

图11 专用夹具对辅助触头进行拉拔力和寿命测试

5 结语

本文针对2号线列车运行期间辅助变流器异响和充电机中间电压欠压故障，通过软件监视、故障数据分析、现场对比试验、故障件返修测试及拆解分析等手段，结合故障发生机理，确定辅助变流器异响和充电机中间电压欠压故障为交流输出接触器KMA辅助触头的传动插销脱落导致。株洲中车时代电气股份有限公司联合厂家制定了相应的改进措施，即通过对交流输出接触器增加寿命测试和拉拔力测试筛选等手段，筛掉极少数不良品。整改措施实施后2号线现场再未出现类似故障，彻底消除了故障隐患，保证了轨道交通的正常运营服务。