地铁车辆牵引系统频繁预充电问题优化

曹 斌，张 拓

（上海阿尔斯通交通电气有限公司，工程师，陕西 西安 710000）

牵引系统预充电流程的设计，主要作用是有效避免大电压直接在上电一瞬间加在主驱逆变器上，造成逆变器损坏，提高主回路安全性［1］；
但频繁预充电会造成预充电电路中的预充电电阻由于温度过高而损坏，造成运营车辆出现牵引系统故障，存在救援风险［2］，降低车辆的安全可靠性。

根据上海阿尔斯通交通电气有限公司（简称阿尔斯通）牵引系统保护设计要求，主回路中的主接触（K-IC）闭合前有一个预充电过程，作用是为了限流保护后端设备，预充电电路包括预充电接触器（KCCC）和预充电电阻（R-CCZ）（如图1所示）。

图1 预充电流程原理图

预充电电路动作流程：（1）K-CCC闭合；
（2）支撑电容（C-FL）充电电压被）滤波电压传感器（A-FVMD）检测到电压大于900V 后KIC 闭合，而后KCCC 持续保持100 毫秒后断开，预充电流程结束。KIC 正常断开条件：（1）非蘑菇按钮的紧急制动；
（2）HSCB 断开。当HSCB 断开后KIC 也会主动断开主回路，其中HSCB断开条件为蘑菇按钮紧急制动。

2.1 车辆状况

2020 年10 月22 日西安地铁5 号线0543 车正线试运营时出现全车无牵引状况，司机现场进行牵引系统复位以及相应处理，处理无效后经行调协调，将其利用后车进行救援回库至西江渡停车场，此次救援造成正线车辆班次混乱以及车辆延迟。

0543车辆故障救援回库后，下载车辆TCMS 系统的ERM（数据记录仪）及牵引系统相关数据，且查看DDU（显示屏幕）显示状况，如图2所示。

图2 DDU故障信息

2.2 图形数据分析

图2 中DDU 显示2、3、4、5 车全部为预充电次数过多故障，造成救援。查看ERM 数据，对于图形进行了相应细化分析，如表1所示。

表1 ERM数据分析明细

表1 可以看出，司机13 分钟内造成了10 次牵引系统预充电，其中一次自动正常折返，一次正常司机换端，其余8 次均由于车辆司机手动开车造成车辆冲标，司机通过频繁方向手柄切换进行倒车至站台，由于方向的切换使车辆施加紧急制动，因而导致牵引系统的主接触器KIC 断开，当方向指令二次恢复后，牵引系统会有一个预充电流程，因此，造成了高达8次的预充电故障，牵引锁闭，车辆救援。

3.1 问题分析

3.1.1 牵引系统预充电次数过多故障原因分析 预充电次数过多故障报出机制为：（1）当主接触器KIC断开或者高速断路器HSCB 断开时，牵引系统会记录一次，然后当二次条件满足后自动再进行预充电过程（各条件详见预充电电路动作原理介绍），若15分钟内预充电次数超过10次，第10次会造成牵引逆变器锁闭不工作；
（2）牵引系统锁闭后，要满足15 分钟间隔时间，进行电阻散热，自动解锁恢复；
（3）系统锁闭期间不能通过任何方式进行解锁复位。

以上预充电次数过多故障回路断开及报出故障机制是根据：（1）铁路国际标准EN50126-2 中关于牵引系统安全要求，阿尔斯通针对列车运营过程中车辆施加紧急制动对于牵引系统存在相关风险进行了评估有害风险分析（PHA），PHA 中定义了主回路断开措施要求：紧急制动过程中必须断开HSCB 或主接触器K-IC；
通过设计联络和客户商定以及国内专家评估，为了确保车辆的运营安全可靠性，牵引系统接收到非蘑菇按钮的紧急指令时仅断开KIC 即可，若条件恢复二次满足则可进行重新预充电动作流程；
（2）阿尔斯通公司根据预充电电阻温升实验数据发现，牵引系统在预充电过程中由于会使R-CCZ（预充电电阻）温度升高，若频繁预充电则会出现电阻炸裂损坏的状况发生［3］，因此，对于存在此问题的不良后果评估进行了相应的软件保护设计。

3.1.2 车辆控制电路原理分析 通过表1 分析已知晓问题原因，通过对整车原理图分析查看，车辆在最初设计时（如图3 所示），车辆紧急制动控制环路中当从前进方向F或者后退方向R位置过0位置或到0位置，常闭点会变成常开点，车辆会施加紧急制动，因而由于方向的切换会引起车辆施加紧急制动，具体现场司控器方向手柄数据采集（如表2所示）。

表2 指令数据采集表

图3 紧急制动环路图

3.2 优化方案

3.2.1 牵引系统软件优化改进方案及效果验证

考虑到车辆运营的情况，进行相应的合理优化改进，进行相应的优化及测试验证，具体如下：

（1）将原本的15分钟10次预充电锁闭优化修改为10钟10次预充电锁闭保护，放宽预充电次数时间。

（2）将原锁闭后的15分钟间隔时间修改为10分钟，减少等待时间。

（3）增加提醒功能，第6 次预充电时，DDU 会显示对话框提醒司机。

（4）增加解锁功能，若10 次预充电锁闭后，手动切换至后备模式直接解锁，避免救援风险。

以上次数及时间的确定根据电阻温升模拟实验模拟数据确定，具体如图4所示。

图4 电阻温度次数测试图

温升测试结论：此次温升测试是在10 分钟内连续动作了11 次，每次温度都在升高，但在第11 次时温度刚好超出150℃（电阻温升耐受值），因而软件优化为10分钟10次。

软件变更后上车测试效果验证，如图5 所示。软件上车现场测试结论和变更后功能一致。

图5 现场软件测试图

3.2.2 车辆原理设计变更优化方案及效果验证 通过车辆原理设计分析出，方向过零位置会造成紧急制动，紧急制动会造成主接触器KIC 断开而后当预充电次数到达设计次数后，故障就会出现。因此针对紧急制动环路进行优化，分析后给环路中增加零速继电器常开点与方向手柄常闭点并联（如图6 所示），增加后车辆紧急制动环路中，车辆位于静止状态下，零速继电器常开点闭合，旁路方向手柄触点，当方向手柄从F（向前）或R（向后）位置切换方向过0位置或到0位置，车辆也不会施加紧急制动；
而当车辆行驶中零速继电器失电后，动作方向手柄过0 位置会触发紧急制动指令（行车安全考虑），具体变更后现场效果验证数据采集如表3所示。

表3 修改后指令动作表

图6 车辆变更原理图

通过对牵引系统预充电频繁问题的深入分析，找出了车辆救援的主要原因，针对现有牵引系统软件和整车原理电路设计提出了升级优化方案，通过对方案修改的模拟实验及现场验证，结果良好，一方面，不仅可以规避人为因素造成问题的二次发生，同时即便再次出现频繁故障造成牵引系统锁闭，也可通过后备模式解锁，规避掉救援的风险，提高了车辆运营安全的可靠性；
另一方面，减少主接触器的工作次数，可延长其工作寿命。

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