武汉地铁21号线牵引主回路接地故障分析与研究
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摘 要：武汉地铁21号线电动客车牵引系统由株洲时代电气有限公司提供，动车牵引主回路出现接地故障会导致车辆损失三分之一牵引力，对车辆的安全准点运行造成较大影响，本文介绍了牵引主回路各部件主要功能，分析了武汉地铁21号线牵引主回路接地故障的产生原因，制定了对应的处理措施，并就后续优化检修标准和故障预防提供了建议，以期为地铁车辆牵引主回路接地故障的处理和预防提供参考。
关键词：地铁车辆;牵引系统;接地短路;故障
0 引言
现今地铁日益普及，已成为构成大中城市公共交通不可或缺的一部分，极大地改变了人们的出行方式[1]。而安全和准点是地铁运营的首要目标，武汉地铁21号线自2017年12月起运营，采用A型车，牵引系统由株洲时代电气有限公司提供，牵引电传动系统作为地铁车辆的主要部件，其性能和可靠度直接关系到地铁运营的核心指标，武汉地铁21号线牵引系统整体运行平稳，但仍难以避免出现故障。其中较为典型的牵引主回路接地故障将导致车辆损失部分牵引力，对车辆的安全准点运行造成较大影响，为此，有必要针对地铁车辆牵引主回路故障的分析与处理进行探讨。
1 牵引主回路接地故障分析
1.1 故障现象
2020年1月23日7点58分，正线U15车司机报智能显示设备HMI上弹出4项故障提示：M2车DCU模块元件总故障、M2车DCU模块C相上管故障、M2车DCU模块B相下管故障及M2车DCU差分电流大于50A。武汉地铁21号线为4节编组，两动两半动，全车共有12台牵引电机，动车的两个转向架均为动力转向架，各带有2台牵引电机，两节动车分别提供全车三分之一的牵引力;半动车的1位侧为无动力转向架，2位侧为动力转向架，动力转向架带有2台牵引电机，两节半动车则分别提供全车六分之一的牵引力，由于株洲时代电气有限公司提供的牵引系統控制方式为车控，因而该故障会封锁M2车变流器模块控制脉冲，该动车的4台牵引电机全部停止工作，车辆整体将损失三分之一的动力。
1.2 牵引主回路主说明
地铁列车牵引系统主电路采用两电平电压型直-交逆变电路，牵引主回路电路如图1所示，经受流器输入的1500V直流电通过充电回路、滤波回路及变流器模块处理后驱动牵引电机。当线网电压在1000V-1800V之间变化时，牵引主电路能够正常工作，可靠地实现牵引制动工况转换。
列车电制动包括再生制动和电阻制动，再生制动能量可以回馈电网供线网上其他地铁车辆使用。常用制动采取电制动优先的模式，当电制动不足时使用空气制动补足，而紧急制动则仅使用空气制动。
牵引主回路各部件主要作用如下：
（1）支撑电容充电回路：充电回路由短接接触器KM1、充电接触器KM2、充电电阻R1组成。当司控器的方向手柄置于非零位时，闭合充电接触器KM2，高压电源经充电电阻R1给后端支撑电容C充电，当支撑电容C两端电压达到线网电压的85%时，短接接触器KM1闭合，充电接触器KM2随即断开，支撑电容充电过程完成。
（2）滤波回路：滤波回路由线路电抗器L和支撑电容C组成。线路电抗器与支撑电容组成的滤波单元可用来限制直流侧的电压波动，同时滤除高次谐波，抑制供电侧电压突变对二次侧电气设备的损害。
（3）逆变单元：变流器模块中的逆变单元是整个牵引主回路的核心部分，完成了将直流电变换为三相交流电这一关键过程。逆变单元为两电平逆变电路，由6个带无功反馈二极管的IGBT组成，工作时由DCU发出控制脉冲，通过控制IGBT的顺序导通关断，将直流电变换为电压频率可调的三相交流电。另外，当牵引电机工作在发电机状态时，逆变单元可反向实现整流功能，将三相交流电整流为直流电后回馈电网。
（4）制动斩波单元：地铁车辆在下坡或制动过程中，牵引电机工作在发电机状态，其产生的反力矩使得列车减速，而当产生的电能不能够被线网吸收时，将使得支撑电容端电压升高，此时制动斩波单元发挥作用，IGBT导通由制动电阻吸收这部分电能。此外，当线网电压波动超过阈值时，为了防止支撑电容端电压过高，制动斩波回路也将导通，来降低过电压，保护相关设备。同时，制动斩波单元还具有快速放电功能，作为常规放电回路的补充，极大的缩短了断电后的放电时间，给予检修安全双保险。
（5）牵引电机：三相交流异步牵引电动机，其转子为鼠笼式结构，定子为无机壳结构，悬挂方式为架承式全悬挂，绝缘等级为200级，冷却方式为带内风扇自通风，额定功率为190kW。
（6）检测元件：检测元件包括正线直流输入电流传感器LH1、负线直流输入传感器LH2、牵引电流传感器LH3及LH4、斩波电流传感器LH5、线网电压传感器VH1、支撑电容电压传感器VH2，以上均为霍尔传感器。
1.3 故障分析
牵引控制单元DCU与列车网络控制和诊断系统之间通过MVB网络方式交换数据，通信单元可以将符合MVB协议格式的数据包传输给列车网络控制和诊断系统，同时能接收网络发来的数据，接受VCM的调度，并将变流器的运行状态和故障情况反馈给VCM。
牵引控制单元DCU具有记录波形数据的功能，在故障发生前后的一段时间里，对相关电气参数（模拟量和数字量）的采样数据进行记录并存储到FLASH里保存，以便维护工程师进行后续故障分析。DCU的保护分为硬件保护和软件保护两种，其中，硬件保护功能由FPGA实现，主要包括IGBT元件故障保护、逆变输出过流保护及硬件过压保护等;软件保护功能由OMAP芯片实现，各种保护参数可通过软件灵活设置，主要包括牵引电机过热保护、充电超时保护及欠压保护等。
牵引控制单元DCU通过获取电流传感器LH1和LH2的采集值，经计算处理后实现永久性监控牵引主回路正线输入电流和负线输入电流的差值，当该差值超过50A的预设值时，牵引控制单元DCU将会上报VVVF严重故障并在智能显示设备HMI上弹出相应故障提示DCU模块差分电流大于50A，同时封锁故障变流器模块控制脉冲，避免设备损失进一步扩大。 使用维护软件PTU查看事发时故障数据快速波形，数据显示正线直流输入传感器LH1采集到故障发生时正线输入电流峰值约1500A，负线直流输入电流传感器LH2采集到故障发生时负线输入电流峰值约-900A（正常情况下，正线输入电流与负线输入电流基本相等，约为200A），两者瞬时差值远超50A，表征牵引主回路出现严重接地短路故障。
DCU模块C相上管故障和DCU模块B相下管故障同时报出，说明因检测元件故障从而误报管故障的概率較小，此故障应是变流器模块内部出现短路情况或牵引主回路其他部位短路故障引起变流器模块内IGBT烧损所致，DCU模块元件总故障是牵引控制单元DCU故障诊断功能的结果。
1.4 故障排查
针对该故障，进行了以下排查[2，3]：
（1）检查车下牵引主回路线缆、牵引逆变器箱体外观，观察是否存在明显的接地点，未发现异常情况;
（2）检查变流器模块周围及内部有无炸裂、烧损、锈蚀等痕迹，未发现异常情况;
（3）检查牵引逆变器箱体内接触器、传感器、电阻等元件是否有烧损、锈蚀等痕迹，检查铜排状态，对铜排紧固螺栓进行力矩校验，未发现异常情况;
（4）检查牵引逆变器接线箱及航插，接线箱内紧固螺栓标记线无偏移，未发现缩针、虚接情况，测量正极铜排对地电阻约100kΩ，均未发现异常;
（5）对电抗器进行清洁后，检查电抗器表面及周围线缆，完好未见烧损;
（6）检查牵引电机接线盒，防护良好、内部洁净，电机定子绕组进行直流2500V绝缘测试，测量阻值结果为无穷大;
（7）检查车下过渡接线盒，可见显著烧损痕迹，M8螺栓已松动，如图2所示。
2 结论及措施
武汉地铁21号线此次牵引主回路接地故障是因为车下过渡接线盒内M8固定螺栓松动（工艺标准力矩10Nm），且地铁车辆运行过程中难以避免振动，导致前后端线缆的接触电阻显著增大，引起局部过热从而损伤线缆绝缘，线缆绝缘性能日益下降，最终在高压下绝缘被击穿并引起主回路接地短路。
故障修复工作过程如下：烧损的过渡接线盒需整体更换，牵引电机侧线缆无余量需整体更换，牵引逆变器箱侧线缆设计时留有余量，剪短10cm后表面未见烧损或氧化，且绝缘测试和耐压测试通过，经处理后可继续使用。鉴于该螺栓松动后果严重，因此有必要组织对所有车下过渡接线盒进行普查，调整优化检修周期，同时进一步细化年修规程中关于车下接线盒的检查技术要求及工艺规范，并在定修修程中考虑加入力矩校验项目。
3 结语
武汉地铁21号线牵引主回路接地故障对正线行车产生了较大影响，本文介绍了牵引主回路各部件主要功能，针对牵引主回路接地故障的产生原因进行了分析，制定了对应的处理措施，并就后续优化检修标准和预防提供了建议，为后续此类故障的处理提供了依据，确保地铁车辆的安全可靠运行。
参考文献
[1] 熊洁，庞友闱.武汉地铁3号线车辆牵引电传动系统的研究[J].中国科技纵横，2017（23）：42-43.
[2] 潘敏龙.郑州地铁1号线牵引系统接地故障的分析与处理[J].科学技术创新，2019（29）：54-55.
[3] 李明阳.地铁电气系统中牵引与辅助系统的故障检修[J].山东工业技术，2018（2）：126.
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