无锡地铁1号线列车辅助逆变系统故障的原因分析

承琳 胡贤令

摘 要：无锡地铁1号线电客车安装了两台辅助逆变器（SIV）系统辅助逆变器，近年来随着运行年数的增加，辅助逆变器已发生过数起故障。本文重点分析了其中的一起较为典型的故障。从故障现象进行调查分析处理、希望对相关故障处理及研究领域提供借鉴经验。

关键词：地铁;电客车;辅助逆变器;故障处理

辅助供电系统是将DC1500V转换成AC380V、DC110V为车辆的12台空调（影响乘客舒适度），空气压缩机（影响安全性能），主要设备的冷却通风，照明，各系统控制电路，列车网络系统，车载信号，通信设备及视频监控系统等提供电源。无锡地铁一号线地铁列车采用四动两拖六节车编组配备了两台辅助逆变器，两台辅助逆变器安装在两个TC车即带司机室的两个头车，热备冗余。工作状态通过车辆网络控制设备VCU进行实时监控，当其中一个辅助逆变器发生永久性故障时，列车另外一个将自动接替它工作，保证列车的基本负载运行。辅助系统的稳定工作影响着行车的安全性能和舒适度。因此为了确保地铁运行的安全稳定，需要弄清辅助系统的基本工作原理和结构，及时发现该系统的涉及缺陷降低运营故障率，从而确保车辆运行品质。

1 辅助逆变系统简介

无锡地铁1号线采用的是时代电气公司生产辅助逆变器，该系统具备较高的集成度。

从图1中可知，辅助逆变系统可按功能区分可粗略分为4个部分：

控制部分：包括开关电源插件（PSU）给各控制检测电路供电，模拟入出插件（AIO）、数字入出插件（DIO）为逆变电路进行信号处理、传感器与互感器信号的采样、信号电平转换，逆变控制插件（INV）集成了MVB网络插件，实现系统逻辑控制、逆变电路的控制与保护等。

电容充放电电路部分：由预充电电阻R1，充电接触器KM2和短接接触器KM1组成预充电电路。放电电路由FC于R2构成，在五分钟之内可放电到50V以下。

辅助逆变控制部分：1500VDC进过预充电电路后充电到约1400VDC后开始触发PWM脉冲控制经过变压器TR1耦合后进行LC滤波最终输出380Vrms，频率50HZ的交流电压。一路给后面的空调系统，制动压缩机组供电，另一路在经过整流，AC/DC转换，再由TR2高频斩波，最终输出110VDC供蓄电池充电和其负载。

应急启动控制：当蓄电池电压低于下限值84V，或者车辆蓄电池未能正常使用，列车不能激活的情况下将通过应急启动按钮强制将1500VDC电压转换110VDC供蓄电池和控制电路使用。

2 辅助逆变系统扩展控制电路介绍

如图2、图3所示：辅助系统主电路的扩展功能主要由继电器K309，K310和接触器K332三对主触点组成，二次控制电路由K331触发扩展允许指令。该指令由VCU经过DXM模块使能。当一台辅助逆变器发生永久性故障时，VCU收到到该系统的故障信号后要求空调系统由正常工况转换为降级模式工况，即切除空调系统一半压缩机组（12台）。切除完成后VCU向DXM模块发出使能信号，扩展允许继电器K331得电，K331得电后常开触点13/14，43/44闭合。此时假设1车的SIV故障，故障车的继电器K310失电。非故障的SIV的继电器K309仍然有电，将通过K310的常闭触点21/22和K309的常开触点13/14形成通路，接通接触器K332。K332得电后将通过常开触点43/44自锁，13/14触点反馈给VCU完成整改扩展供电过程。若VCU检测故障SIV恢复了正常工况，将停止扩展供电。

3 辅助逆变系统故障

3.1 故障现象检查判断

2018年9月10接到行调报全车空调故障，辅助逆变电源扩展失败，多次分合空调列车控制空开=61-F102，=61-F103和进行MVB复位后故障仍然存在。列车回库后，对空调进行功能测试，发现全车空调启动还未完成，空调马

上就停机。查看HMI屏，空调状态未知，1车和6车的SIV在测试过程中出现偶尔都报红故障。怀疑SIV故障引发，关掉半列车空调测试，启动剩余半列车空调，空调仍然不能正常运转。

关掉全车11台空调电源，留一台空调工作，接入高压后，一台空调可正常工作，一旦接入第二台空调，空调系统马上停止工作。切换其他车的空调，也存在相同的故障现象。怀疑空调电源辅助逆变器出现故障，于是列车退出服务检查辅助逆变系统电路。

打开一车辅助逆变器箱体发现1车的辅助逆变器输出端的三相滤波电容有轻微鼓包，用手触摸外壳，能明显感觉到该电容器外壳温度较6车的温度高。于是更换该三相交流滤波电容。重启车辆观察，空调进入正常工况，故障现象已消失。可知本次故障由于电容器的故障原因引起。

对于该电容器电容值进行测量，结果如下：

又根据辅助逆变器厂家提供的资料，可知正常情况下，三相交流滤波电容数值基本大小相等，约为330uf左右。各项三相输出的电压值为380VAC±5%，额定频率50Hz±0.5%。根据电容容抗公式可知，正常情况下，相间电容等效值：

XC equ=12πfc=12×3.14×50×330×10-6≈9.65Ω。

在电容损坏情况下带入公式，得到各相间的电容值如下：

XCW-U=12πfc=12×3.14×73.16×50×10-6≈43.53Ω

XCW-V=12πfc=12×3.14×50×49.37×10-6≈64.51Ω

XCU-V=12πfc=12×3.14×50×155.1×10-6≈20.53Ω

可以看出，在电容器损坏情况下，容抗已与标准值相差很大。负载电路对称情况下与上述容抗并联工作，必然导致等效的三相负载不平衡，增加线路损耗。损坏的电容器产生电压和电流也将出现高次谐波，引起负载不能正常工作。

3.2 故障现象分析

由厂家提供的輔助逆变器技术资料可知：当一台辅助逆变器故障时，当三相输出电流差值超过30%、并持续3s以上时，会有保护动作;5s后SIV自动重新启动。相同的故障在60s内再次出现，SIV停止运行而被锁定。该SIV封锁后，TCMS将不再收到SIV正常工作的反馈信号同时会给空调发送减载指令，TCMS确认空调正确减载后，将发出给扩展接触器发出扩展供电闭合指令。这时在HMI屏幕的通讯状态看到故障SIV显示红色，正常SIV显示绿色。扩展成功后可看到KMK的图标显示绿色。但是当三相输出滤波电容未完全损坏情况下，空载时系统不能完全输出的三相电压的异常。扩展后，故障SIV处于空载状态，这时若传感器不能检测到SIV输出电压异常超限，将给TCMS发出一个假信号即该SIV无故障。此时，TCMS根据接收到的信号认为SIV无故障将停止扩展供电。一旦未完全损坏的SIV带上大负载，导致本来不平衡的电路出现严重的不平衡，再次导致本车的SIV封锁，封锁后就进行扩展供电，这样往复循环。正常的SIV也在此期间不断扩展而启动停止。若在软件设计的限值时间内，达到了封锁的次数，正常的SIV也将出现封锁。这就是本次事故在正线上出现两个SIV都爆红且空调机组不能正常工作的原因。

4 结语

本文主要对地铁辅助逆变系统的功能和电路进行了简要说明，并对因设计选型瑕疵造成列车运营故障进行了分析。要提高地铁客运服务质量，就需要对车辆上的各个系统特点及多发故障进行系统化总结，利用科学的手段进行检修排除故障隐患，旨在能在最小的时间内查找到出现故障的根本原因，确保地铁车辆的正常运行。

参考文献：

[1]PM122396101-辅助供电系统技术规范-V1.

[2]8技术设计说明书-部件-TGF75型辅助电源箱.

[3]无锡地铁SIV逻辑控制功能说明.

[4]无锡地铁一号线电气原理图.