牵引系统常见故障处理

【项目描述】本项目主要以日立公司的产品为例介绍轨道交通车辆牵引系统结构及功能；牵引系统的常见故障现象和原因分析；牵引系统的常见故障的处理方法及预防措施等。

【学习目标】学习掌握轨道交通车辆牵引系统结构及各部分功能；掌握受电弓、牵引逆变器常见故障现象和发生原因；掌握受电弓、牵引逆变器常见故障的处理方法及预防措施等。

【技能目标】能够识别轨道交通车辆牵引系统的结构组成；掌握受电弓、牵引逆变器的故障现象和原因分析；掌握受电弓、牵引逆变器常见故障的处理方法及预防措施。

【活动场景】在城轨车辆检修现场讲解（或使用多媒体展示）牵引系统的结构组成。

【任务要求】能够识别城轨车辆牵引系统的结构和掌握牵引主电路的工作原理。

【知识准备】

我国早期的城轨列车多为国产直流传动电动车组，采用凸轮调阻或斩波调阻的牵引控制方式，牵引电机为直流电机。而近几年建设的地铁项目均采用了进口交流传动电动车组，牵引控制方式为VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）逆变器控制，牵引电机为异步电机。与直流传动系统相比，交流传动系统具有恒功速度范围宽、功率因数和黏着系数高、牵引电机结构简单和维修方便等优势。省去了直流传动所需的正反向转换开关和牵引制动转换开关，实现了牵引系统的小型化、轻量化，且维修作业量显著减少，节电效果显著。因此，VVVF交流传动系统已成为地铁车辆发展的趋势。

交流传动系统是以调压调频VVVF逆变器为核心的电传动系统。主要由高速断路器、滤波电抗器、VVVF逆变器和异步电动机等装置构成。地铁车辆交流传动系统的组成因生产厂家的不同及用户要求的不同而不相同，如国外的庞巴迪、阿尔斯通、日立、三菱、东芝等，近几年国内株洲和四方研究所已成功研制成国产的牵引系统，已在国内地铁应用。这里以日本日立公司生产的调频调压（VVVF）控制的交流传动系统六节编组的三动三拖（Tc＋Mp＋M＋T＋Mp＋Tc）电客车为例，简要探讨交流传动系统的组成和基本工作原理。

城轨车辆牵引系统是车辆的核心部分，是列车动力的来源。牵引系统为列车提供牵引动力，同时在制动时提供电制动力。日立公司生产的调频调压（VVVF）控制的交流传动系统，采用先进的无速度传感器的矢量控制方式。具有如下特点：

①列车控制采用总线控制＋后备列车导线方式，当总线网络故障时，列车有基本的牵引和制动功能。

②VVVF逆变器的功率元件采用大功率电力电子器件IGBT。

③系统具有优异的空转／滑行控制功能，即通过反应快速、有效、可靠的空转／滑行控制，以便充分利用轮轨黏着条件。

④系统采用高速微机控制并具有自诊断功能，采用先进成熟的控制技术，并具有完备的监控和系统保护功能。

⑤牵引电机采用适用于VVVF逆变器供电方式的三相鼠笼式异步电动机，输出功率为180 kW。

日立牵引系统主电路及工作原理如图7．1所示。

图7．1　牵引系统主电路

如图7．1所示，DC 1 500 V的电源从接触网通过受电弓引入到车上，然后依次通过MS（主隔离开关）、HB（高速断路器）、LB1、LB2（线路接触器）、FL（滤波电抗器），最后到牵引逆变器，此时逆变器将DC 1 500 V逆变为电压、频率可变的交流电给车下四台牵引电机供电，从而使电机旋转。逆变器通过改变输入牵引电机的电压及频率，从而控制电客车的速度。当列车在制动时，首先投入再生制动，当网压达到1 720 V后，制动斩波相开始间断性导通，开始投入电阻制动，通过制动电阻将牵引电机再生的电能转化为热能散发到大气，当网压达到1 800 V后，此时制动斩波相一直导通，直到制动电阻温度或制动斩波相温度超过保护值，从而节省了能源，同时减少了闸瓦的磨耗。

牵引系统主要由受流装置、电气牵引设备、控制电路3部分组成，主要包括以下设备：

①高压设备：受电弓（PAN）（见图7．2），避雷器（ARR）。

图7．2　受电弓实物图

图7．3　制动电阻实物图

受电弓的基本作用有两个：一是将接触网的电引入到车上；二是当列车在制动时，此时牵引电机变为发电机将动能转化为电能通过受电弓反馈到接触网供其他列车使用。避雷器主要是对过电压的保护。

②高速断路器（HB）。

高速断路器主要限制主电路过电流，当由于某种原因使主电路电流超过1 500 A时，高速断路器断开，对主电路进行保护。

③主隔离开关（MS）。

主隔离开关主要是将受电弓与牵引系统断开。

④线路接触器（LB1，LB2）。

首先是LB1闭合，然后电流流过充电电阻给电容充电，当LB1闭合0．32 s后，此时LB2闭合，短路充电电阻。

⑤滤波器电抗器（FL）。

滤波器电抗器主要作用是把从受电弓传下的直流电进行高次谐波的滤除，同时也有稳定电流的作用，从而给逆变器提供优质的直流电。

⑥滤波电容（FC）。

⑦制动电阻（BRe）（见图7．3）。

当列车在电制动时，首先投入再生制动，当网压达到1 720 V后，制动斩波相开始间断性导通，开始投入电阻制动，通过制动电阻将牵引电机再生的电能转化为热能散发到大气，当网压达到1 800 V后，此时制动斩波相一直导通，直到制动电阻温度或制动斩波相温度超过保护值。

⑧VVVF逆变器（包括制动斩波器）（见图7．4）。

列车在运行时，VVVF将受电弓传来的DC 1 500 V逆变为电压、频率可变的交流电，然后给车下四台电机供电。同时当牵引系统故障时，也可从此处通过计算机读取牵引系统故障数据。

图7．4　VVVF逆变器装置实物图

⑨电流／电压传感器（电流传感器CTU，CTV，CTW，BCT，CTS，电压传感器DCPT1， DCPT2）。

交流牵引电机（见图7．5）。

图7．5　交流牵引电机实物图

齿轮箱及联轴节。

接地装置。

【任务实施】

1．在车辆检修现场识别牵引系统各部件的名称及位置。

2．在车辆检修现场对受电弓装置的升降弓状态进行查看。

3．在车辆检修生产现场进行对牵引逆变器的结构外观进行认识。

【效果评价】

评价表

续表

【活动场景】使用多媒体展示城轨车辆牵引系统的常见故障及原因分析。

【任务要求】掌握城轨车辆牵引系统的常见故障并对故障原因进行分析说明。

【知识准备】

牵引系统故障主要有受流器本体故障、VVVF逆变器故障以及控制电路故障等。VVVF逆变器自身具有故障诊断功能，系统在出现故障后都会以故障代码的形式发送给列车管理系统TMS。而系统故障更详细的内容一般都要通过维护工具读取系统的故障信息，然后通过故障信息来分析故障部件。以下主要讲述一些实际运用过程中的常见故障。

（1）受电弓故障

在运营中受电弓故障是牵引系统中多发的故障部件之一，有受电弓本体的故障，也有控制电路、气路、机械方面的故障。

受电弓本体故障主要表现在碳条故障方面，一般有：碳条断裂并脱落、碳条与支架分离、掉块超过截面宽度的1／3、碳条有纵向裂纹等，现就相应的故障以图片的形式作一介绍：

图7．6　碳条断裂并脱落

1）碳条断裂并脱落（见图7．6）

在这种情况下，受电弓的受流接触面积减小，受流情况会严重恶化，同时由于滑板断口会导致与接触网导线与滑板滑动不顺畅，严重时会引起弓网事故。

原因分析：每一受电弓上有4条滑板，运行中承受外力主要集中于外部两侧的滑板，这类脱落的滑板由于处于4条滑板的中间位置，外力冲击属于次要原因，主要为滑板自身质量原因。分析为原碳条与支架黏结不良，在外力撞击后断裂并脱落。

2）碳条与支架分离

分离点开始从滑板的端部向中间延伸，分离在端部表现最为明显。在这一情况下如继续运行，分离的长度将进一步扩大，最终导致碳条与支架完全分离或碳条断裂，引起更为严重的后果。

原因分析：由于滑板非完全直线型，呈轻微的向上弧线状，端部在制造过程中存在一定的张力，由于碳条与支架黏结不良，在外力作用下从端部逐步分离并向中间扩展。

3）掉块超过截面宽度的1／3（见图7．7）

图7．7　掉块超过截面宽度的1／3

图7．8　碳条有纵向裂纹

这类情况在运用的非正常更换中数量最多，在掉块超过截面宽度较大时，其受流面积将会减少，影响正常的接触受流。同时，由于受损的部位往往是整个滑板中最薄弱之处，在今后的正常使用中易在此处发生断裂事件。

原因分析：损伤是由于接触网上的硬点与滑板撞击后产生，滑板为碳系列制品，材质较脆，被撞后容易成片落下。从多条类似受损滑板的撞击点来分析，其撞击位置规律明显，多数集中在滑板左右距离端部150mm处。

4）碳条有纵向裂纹（见图7．8）

运营中滑板表面横向的短裂纹（10 mm以内）普遍存在，属正常现象，但纵向的裂纹则属于故障状态，但这类故障初期隐蔽性较强，检查时应特别留心才能发现。

原因分析：一般认为属为制造缺陷所致，需要及时进行更换处理，时间长的话会引起大面积的断裂、脱落。

5）受电弓其他故障

①绝缘子爬电（拉杆绝缘子、支持绝缘子）：由于绝缘子表面清洁不良，在恶劣的自然条件下，如小雨、雾天等出现绝缘不良的故障，绝缘子表面出现闪烙，接触网失电。

②受电弓拉弧（静态及动态）：由于接触压力不恰当、接触面不平滑等。

③受电弓升不起或升不到位：有风路原因、电路原因、机械原因等。

风路原因一般为压缩空气质量欠佳，所含杂质、水分多，引发空气管路锈蚀、堵塞，风路不畅或不通。

电路原因一般为电路中元器件损坏、电路接触不良等原因导致控制电无法到达被控部件。

机械原因一般是机械卡位引起在压缩空气送到风缸后无法推动受电弓升起或升不到位，如风缸、转轴等部件的变形。

④受电弓在与接触网导线滑动接触过程中由于各种原因会出现弓网故障：

轻微时，受电弓弓头变形或滑板条被打断；一般情况下会导致受电弓支架变形，接触网局部受损；严重时会导致受电弓支架折断，接触网悬挂装置损坏，导线断开。

当发生弓网故障，造成受电弓碳滑条、弓头、上框架等零部件变形或损坏，应将受电弓从车顶拆下，进行全面检修或更换零部件，检修完成后在专用试验台上对受电弓进行例行试验（包括动作试验、弓头自由度测量、气密性试验、静态压力特性试验），试验合格后方可装车交付使用。其原因一般是由于路基引起受电弓运行线偏离原运行中心线、接触网位移、受电弓变形及弓头维修指标不合要求以及外界因素的影响，如风速大、接触网有异物等。

（2）VVVF逆变器故障

VVVF故障分为内部程序故障、器件故障、螺丝松动、保护动作和外部接线故障。按照故障程序可分为1类故障、2类故障、3类故障（故障程度由轻故障到重故障）。一般常见的故障有：

1）GDU（门极驱动单元）故障

GDU单元故障一般会造成IGBT反馈故障和隔离牵引逆变器。一般故障原因是由于GDU故障、通信光缆故障或IGBT故障导致。GDU单元在各地铁运营单位已是最小维修单元，只能通过部件更换可以使故障得到消除。

2）IGBT（绝缘栅极双极晶体管）故障

IGBT由于过电压、过电流或过热等出现故障，通过GDU反馈到VVVF逻辑控制单元，TMS接收到故障信息后报警，同时VVVF逻辑控制单元将系统保护进行隔离。IGBT的故障一般是由于控制系统故障导致或本身质量缺陷所致。IGBT在运用中由于环境因素或本身质量问题也存在击穿或爆裂等故障现象。

3）电压、电流传感器故障（见图7．9、图7．10）

图7．9　牵引逆变器电压传感器实物图

图7．10　牵引逆变器电压传感加装抗干扰磁环前、后波形输出对比

电压、电流传感器作为VVVF逆变单元中的一个组成部分，其作用相当重要，它检测线路、电容器的电压和电流，将电压、电流的信息不断地被发送到VVVF逻辑控制单元进行计算、控制，同时也用于触发保护性的动作。

在运营三四年后，电压传感器、电流传感器的故障将逐渐增多，表现在检测值与实际值存在较大的偏差，主要有以下4个原因：

①部分电压、电流传感器备件制造工艺较差，质量不过关。

②电压、电流传感器到达基本使用年限。

③模块内部电子元器件的电磁干扰（通过加装抗干扰装置来减少电磁干扰）。

④电压、电流传感器与VVVF逻辑控制单元设定参数不匹配。

（3）牵引电机故障（见图7．11、图7．12）

牵引电机在运用中出现因绝缘损坏导致的接地较多。一般情况下，由于在运用中有异物进入破损绝缘层导致接地；另一方面则是制造方面存在的质量缺陷。

牵引电机在运行一段时间后要定期对轴承进行润滑，否则会因缺少润滑而导致磨损、异响以及过热等现象发生，影响电机的使用寿命。

图7．11　牵引电机绕组处有异物

图7．12　牵引电机定子绕组烧损

（4）其他故障

其他故障主要表现在以下3个方面。

①牵引系统与制动系统配合紧密，两者之间接口的故障也较多，尤其在新车调试时，表现较为突出。有电-空制动转换、防滑控制等方面的问题，一般需要通过现场实际试验测试后修改软件设置可调整。一般的牵引系统与制动系统接口关系如图7．13所示。

图7．13　牵引与制动接口关系示意图

②牵引系统各部件在长期运行中因震动造成部分螺丝松动，需要在日常检修中注意检查并处理。同时还存在部件箱体密封胶条老化造成密封不良，有水或污垢进入，日常也应及时处理，以免造成控制电路板短路，引起其他的故障发生。

③制动电阻的故障。当列车在制动时，首先投入再生制动，当网压达到一定值后，制动斩波相开始间断性导通，开始投入电阻制动，通过制动电阻将牵引电机再生的电能转化为热能散发到大气。

制动电阻一般会出现电阻片过热变色、变形，中间瓷柱破裂的现象发生。日常应注意制动电阻的散热区域不被堵塞，制动电阻片表面需定期清洁，破损的瓷柱应及时更换。

【任务实施】

1．在车辆检修现场对故障的受电弓碳滑板进行更换处理。

2．对牵引逆变器的故障进行分析说明。

【效果评价】

评价表

【活动场景】使用多媒体展示城轨车辆牵引系统的常见故障的处理方法及预防措施。

【任务要求】掌握城轨车辆牵引系统故障的处理方法以及受电弓检查要点。

【知识准备】

牵引系统故障发生后，要明确发生故障的车号及故障名称，之后读取相应故障记录。首先在司机室读取TMS故障记录，另外还要在相应车下VVVF箱中读取VVVF牵引系统故障信息。司机室读取故障记录如图7．14所示，用数据线将专用笔记本与司机室TMS主机进行连接，再通过笔记本的操作对相应的故障进行下载故障记录。牵引系统所报故障的具体信息可以在车下的VVVF箱内的控制逻辑部进行读取。同样可用专用数据线将逻辑部上的数据线接口与笔记本相连接，通过笔记本的相关软件可对相应故障进行读取及即时动作的监控等操作，如图7．15所示。

图7．14　司机室读取故障

图7．15　VVVF控制逻辑部读取故障

根据下载的故障信息（见图7．16 TMS记录的故障数据、图7．17 VVVF逻辑控制部记录的数据）以及故障发生时的相关操作及现象综合分析后，参照系统所提供的故障处理建议表，对相关故障进行排除及处理。

图7．16　TMS记录的“SEFD”故障

图7．17　VVVF逻辑控制部记录的“SEFD”故障

正线如果发生牵引逆变器故障，一个逆变器不工作时，根据技术要求，剩余动力可以正常载客继续运行到终点站后退出服务；如果两个逆变器同时故障时，对于3动3拖的车辆需要到下一站或在本站清客后退出服务，回库进行处理。同时发生逆变器故障时，一般先进行电源复位，对系统进行重启，以确定是否属于偶发性的软故障。

VVVF逆变器故障通过备件互换的方式恢复故障，故障备件目前大多数城市地铁无具备维修的能力，需要返回厂家维修。VVVF逆变器装置日常只进行外观及功能性的检查，平时进行清洁工作即可。检查及故障更换应注意以下事项：

①在拆下基板以及门极驱动时，要慎重操作，避免损伤光缆。

②避免使拆下的光缆插头和基板侧光缆插座（光模块）沾上异物、尘埃（不要在尘土多的地方作业，不要拆下后长时间放置等）。

③配线连接器及光缆在安装时要确认插接到位。

④进行检查时，应佩戴防静电手环。

受电弓是城轨车辆非常关键的一个部件，运用维修部门要特别重视其运行状态，表7．1为受电弓一般故障的原因分析及处理方法。

表7．1　受电弓一般故障的原因分析及处理方法

其次，受电弓碳滑条的故障需要更换处理，且更换时一个受电弓的碳滑条均要同时更换。为了减少和预防受电弓碳滑条的故障，一般要求如下：

①将接触网设计为“之”字形。受电弓工作的最大特点是靠滑动接触而收取电流。这就要求受电弓滑板与接触网导线可靠接触且磨耗小，为此将接触网设计为“之”字形，滑板运行中在有效范围内与导线滑动接触，减少滑条的偏磨现象。

②接触压力。要求在工作高度范围内具有大小不变，数值适中的压力。接触压力太小，接触电阻增大，功率损耗增加，同时运行时易产生离线和电弧，导致接触导线和滑板磨耗增加。停车时可能由于接触电阻大造成烧断接触网导线；接触压力太大，加重机械摩擦，严重时使滑板局部拉槽，进而造成接触导线弹跳拉弧，以至于刮弓。

③滑板的材料。要求硬度适中，导电性能好，接触电阻较小，质量轻与导线滑动过程中同时具有较小的磨耗。通常采用碳系列材料来制作滑板条。硬度太大接触网导线磨耗增加，滑板磨耗减小；硬度太小滑板导线磨耗增加，接触网磨耗减小；同时滑板容易损坏。

受电弓装置的检查要点有以下4个方面：

1）检查的项目

①各紧固螺栓的松动情况。

②各接线（尤其导流线）的紧固是否松动，有无断股等。

③碳滑板表面有无裂纹。

④绝缘子及绝缘气管有无裂纹。

⑤升弓钢丝绳有无断股。

⑥阻尼器有无漏油。

2）清洁的部位

①绝缘子表面的清洁。

②避雷器表面的清洁。

③各绝缘气管表面的清洁。

3）润滑的项目

①受电弓钢丝绳上和滑轮有接触的地方需要进行润滑。

②平衡杆两端的活动关节处需要润滑。

③拉杆两端的活动部位需要润滑。

4）重点测量调整的项目

①单个碳滑板水平度的调整。

②整体碳滑板整体水平度的调整。

③升降弓时间的调整（一般调整在升弓时间（8±1）s，降弓时间（7±1）s）。

④接触压力的调整（标准静态压力为100～120 N的数值）。

牵引电机日常应检查电机连线完好无损，进风口无异物，轴承部位无漏油。电机工作时无震动、异响、异味，要定期清洁电机滤网和电机表面油污。根据维修要求定期对电机轴承加注润滑油。

牵引逆变器一般只对外观进行检查，检查接线状态、外观是否有变色的现象。定期对逆变器进行清洁工作。

【任务实施】

1．在车辆检修现场对牵引逆变器的故障进行下载读取。

2．对受电弓接触压力进行调整。

【效果评价】

评价表

通过本章学习，掌握轨道交通车辆牵引系统的结构及部件功能；掌握受电弓装置常见故障和故障原因；掌握牵引系统常见故障处理方法及预防措施等。

1．举例说明轨道交通车辆牵引系统受电弓装置滑板条故障现象。

2．说明牵引系统故障的处理方法。