摘要：在城市化进程日益加快的推动下，地铁作为城市轨道交通的重要组成部分，大大缓解了城市交通运输压力。文章阐述了地铁车辆牵引系统的组成和特点，对地铁车辆电气系统中牵引与辅助系统的典型故障进行分析，提出了检修故障的建议，希望为相关行业提供借鉴。
关键词：地铁车辆；电气系统；牵引系统；辅助系统；蓄电池充电机；牵引电机；频发故障；偶发故障；检修；TCU；ACU
引言
国内地铁牵引系统通常包含以下主要设备：牵引逆变器、牵引电机、辅助逆变器、蓄电池充电机、高压主电路受流、回流及保护设备。
备注：辅助逆变器和蓄电池充电机从准确定义上不属于牵引系统范畴。但是，通常在合同包中打包进牵引系统，且采用的电力电子变流技术和维护工作同牵引变流器属于同类，这里将其归类为牵引系统范围。
高压主电路受流、回流及保护设备不属于牵引系统范畴，同样是由于合同打包原因归类为牵引系统供货范围。
由于牵引系统产品属于技术密集型产品，其偶发故障千差万别，这里不做赘述。以下分别从牵引逆变器、辅助逆变器、蓄电池充电机和牵引电机的典型频发故障进行举例分析，结合不同故障的特点进行故障判断和维修案例分析：
1、牵引逆变器的典型故障及检修
地铁牵引逆变器主要由以下几个功能模块组成：（1）高压输入及预充电单元；（2）直流支撑和滤波模组；（3）制动斩波单元；（4）牵引逆变器模块；（5）变流器控制和通讯模块（TCU）；（6）各类传感器；（7）冷却系统。
牵引逆变器的核心功率器件IGBT的故障率在运行10~15年左右的列车上故障率高。这种频发的故障以系统超温为主要诱因，环境湿度为次要诱因。国内市场牵引逆变器采用3种冷却方式：强迫风冷、强迫液冷、走行风冷。从冷却效果分析：强迫液冷（自带强迫风冷）的冷却效果优于强迫风冷，强迫风冷冷却效果优于走行风冷。不管采用哪一种冷却方式，牵引逆变器工作产生的损耗（热量）最终都将以空气作为载体进行耗散。作为重要热源的IGBT器件如果冷却不佳，大概率发生热源性失效。
在高温的夏季炎热高温环境下，热空气能够带走的热量减少，散热对于牵引逆变器面临巨大挑战。如果系统温度冗余设计范围小，那么带有温度检测和超温保护的系统将频繁报超温警报，系统会做出保护动作，短时切除超温系统。这种情况发生时，有效的检修就是及时清洁散热器、风扇上的积尘和滤网中阻挡气流的杂物，尽最大可能减少热阻和风阻。
IGBT损坏的更换对地铁终端用户来说是一个挑战：IGBT由于种种原因出现炸损时，与电气连接相关的桥臂上的IGBT虽然外观良好，但也需要替换；与其临近安装的IGBT和接口板受到爆炸冲击波影响，也可能损坏，需要更换。另外，IGBT和散热器要保证良好的平面度，不得有变形和划痕。导热脂涂覆需要采用合适的工装控制厚度。第三，螺钉的紧固顺序，力矩和时间控制必须严格按照规定的顺序和力矩，紧固、释放力矩和再紧固的时间和力矩一定准确无误。
2、辅助逆变器的典型故障及检修
地铁车辆辅助逆变器系统拓扑相对牵引逆变器更为多样、复杂，其组成和牵引逆变器类似：（1）高压输入及预充电单元；（2）直流支撑和滤波模组；（3）过压抑制单元；（4）逆变单元；（5）变流器控制和通讯模块（ACU）；（6）各类传感器；（7）冷却系统；（8）隔离变压器
辅助逆变器功率相对牵引逆变器小很多，一般每台140kVA~240kVA之间，而且负载冲击不大。其高发故障主要受到负载端影响，即三相负载不平衡或输出端短路。列车所有电气系统的供电都直接或间接由辅助逆变器供电，子系统作为负载出现故障后将造成三相负载不均衡，造成辅助逆变器偏载，如果幅值过大，将导致系统保护性停机。
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若子系统出现短路，保护子系统的空气断路器会自动跳闸，断开故障电路。列车交流输出母线通常是贯穿列车的，如果母线上发生短路，辅助逆变器输出端直接面对短路冲击。通常的保护动作是封锁辅助逆变器功率单元的门极脉冲，断开三相输出接触器和前级输入接触器。这样的保护动作可以防止故障进一步扩大，但是往往接触器触头会被烧损。此种故障发生后，应及时排查母线上的短路问题，恢复母线绝缘。同时对接触器触头进行修复或更换。
3、蓄电池充电机典型故障与检修
蓄电池充电机作为列车控制电源（DC110V）供电的主要设备承担着为蓄电池充电和维持控制电源稳定的作用。根据其电源输入类型的不同分为交流输入和高压直流输入两种。其主要由以下几个部分组成：（1）直流逆变和降压隔离单元（仅高压输入）；（2）整流单元；（3）输入和输出保护电路；（4）滤波和检测部分；（5）充电机控制单元（可以和ACU共用或独立设置）。
不同于牵引逆变器和辅助逆变器，蓄电池充电机组成相对简单，功率更小（通常每台在15~25kW）。其负载主要是蓄电池和车上子系统，因此以容性负载为主，每次启动蓄电池充电机，其输出端的熔断器都受到一定的电流冲击，尤其在蓄电池电压处于低值时。所以蓄电池充电机和蓄电池回路中的熔断器易发生损坏，若检测电路设计不合理，系统不会报故障，容易造成漏检漏修。需要检修人员密切的关注。
4、牵引电机典型故障与检修
牵引电机不同于上述三种设备，它的主要技术不同于电力电子，更偏向于结构性源发故障。其主要频发故障来源于定子线圈绝缘失效、转子结构性失效和轴承问题。牵引电机由以下几个部分组成：（1）机壳；（2）定子（含定子线圈）；（3）转子；（4）轴承润滑及密封；（5）接线盒；（6）传感器（速度、温度、震动传感器）；（7）冷却部件。接下来，针对三种典型电机问题分别举例分析。
4.1电机绝缘失效
驱动电机的牵引逆变器采用PWM脉冲开通和关断IGBT，在电机定子线圈的进线端产生du/dt冲击，长期工作在这种工况下的电机绝缘易发生绝缘失效，其表现为单相对地短路、相间短路。当这种情况发生时，检修人员能做的只有两个选择：一、对故障电机拆解后重新进行VPI浸漆并测试绝缘，合格后方可组装测试后使用；二、拆卸定子绕组评估损坏程度，是否具有再次维修的可能和必要，若有，更换绕组后完成上述操作。若没有，更换新电机。
4.2轴承问题
造成电机轴承失效的原因有很多，错误的选型、安装尺寸偏差、润滑脂（或油）过少（或过多）、电蚀、过载、超温、电机驱动端安装尺寸偏差等都有可能造成轴承的过早失效损坏。不管是哪种原因造成的轴承问题，都可以通过检测轴承温度和振动来判断是否存在问题。可是一旦通过这两种手段发现运行中的电机轴承异常，说明问题已经发生，最根本的办法还是从设计、制造、运输、维护的源头把控质量，否则，电机轴承失效只能亡羊补牢。
结语
综上所述，地铁牵引系统的典型故障和检修需要一定的技术积累和经验总结，要保持地铁车辆的长期可靠稳定运行，就必须要加强对牵引系统频发典型故障的研究，从设计、生产、维护三方面加强管控，科学合理地不断提升车辆牵引系统的可靠性、可用性、可维护性和安全性，为新时代地铁牵引技术提升打下坚实基础。
参考文献：
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[2] 杨毓伟.探讨南京地铁车辆辅助系统及故障分析 [J].住宅与房地产.2015（19）.
[3] 黄文斌.地铁车辆电气系统中牵引与辅助系统故障与检修 [J].设备管理与维修.2017（16）.
作者简介：
周勇（1979-），男，现任江苏经纬轨道 交通设备有限公司总工，从事轨道交通领域牵引系统的设计和轨道交通领域新技术方向研究。
论文作者:周勇
论文发表刊物:《基层建设》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/1
标签：逆变器论文; 系统论文; 故障论文; 电机论文; 蓄电池论文; 地铁论文; 接触器论文; 《基层建设》2019年第22期论文;