1. 引言

　　本文以深圳地鐵1 號(hào)線一期工程列車牽引逆變器充電電路為研究對(duì)象，介紹深圳地鐵列車牽引逆變器充電電路的工作原理，充分分析充電電阻燒損的原因，指出充電電路設(shè)計(jì)上存在的問(wèn)題和缺陷，提出設(shè)計(jì)的新思路和改進(jìn)措施。

　　2. 充電電路的工作原理

　　2.1 牽引系統(tǒng)的介紹

　　深圳地鐵1號(hào)線列車是由4動(dòng)2拖車組成的6列編組的列車，每列車由兩個(gè)相間的三車單元(A-B-C-C-B-A)構(gòu)成。B車和C車為動(dòng)車，具有相同的、獨(dú)立的列車牽引設(shè)備。牽引系統(tǒng)其主要功能是把DC 1500V 電壓逆變成帶有可變振幅和頻率的三相電壓，用于的牽引和制動(dòng)牽引電機(jī)，產(chǎn)生牽引力或制動(dòng)力，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或?qū)C(jī)械制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成電能，實(shí)現(xiàn)牽引或再生制動(dòng)。一節(jié)車的牽引系統(tǒng)電路圖如圖1所示，其主要由高速斷路器、電抗器、充電電路、電機(jī)逆變器、牽引電機(jī)(4個(gè))、制動(dòng)電阻器、接地碳刷等組成。紅色框的為牽引逆變器的充電電路。

?

　　圖1 單個(gè)牽引系統(tǒng)電路圖

　　2.2 充電電路的工作原理

　　為了使電機(jī)逆變器與外部供電線路DC 1500V 進(jìn)行連接或斷開(kāi)，每個(gè)電機(jī)逆變器使用一個(gè)線路高速斷路器和一個(gè)充電電路，充電電路帶有一個(gè)線路接觸器，一個(gè)充電接觸器及充電電阻器。充電電路的充電順序如圖2 所示，按壓高速斷路器的"合"按鈕，高速斷路器閉合，電機(jī)逆變器的牽引控制單元(DCU/M)控制充電接觸器閉合，外部供電通過(guò)充電接觸器和充電電阻器對(duì)電機(jī)逆變器的電容器進(jìn)行充電，閉合2S 后，DC LINK 電壓充電升至1000V 以上，線路接觸器閉合，線路接觸器投入工作，延時(shí)1S 后，斷開(kāi)充電接觸器，再延時(shí)1S 后，電機(jī)逆變器啟動(dòng)投入正常工作。電機(jī)逆變器正常工作期間，線路接觸器常閉合，充電接觸器處于斷開(kāi)狀態(tài)。

?

　　圖2 充電順序圖

　　3. 充電電路故障分析

　　從上面充電電路的工作原理可以看到，充電電路只是在電機(jī)逆變器啟動(dòng)開(kāi)始階段進(jìn)行一次邏輯關(guān)系的閉合。電機(jī)逆變器工作期間，線路接觸器處于常閉合的狀態(tài)， 充電接觸器處于斷開(kāi)的狀態(tài)。充電電路的充電接觸器和充電電阻器，工作的時(shí)間和頻率相當(dāng)少，一天只是2至3 次的啟動(dòng)，按理故障率應(yīng)該相當(dāng)小。但在深圳地鐵1 號(hào)線一期工程的列車中，電機(jī)逆變器的充電電路故障共發(fā)生35 件，其中充電電阻器燒損32 件，充電接觸器故障3 件，充電電阻器燒損故障為充電電路故障的主要故障。下面重點(diǎn)分析充電電路的充電電阻燒損故障。

　　4. 充電電阻燒損故障分析

　　4.1 充電電阻故障與列車無(wú)關(guān)

　　深圳地鐵1 號(hào)線一期工程共有列車22 列，列車按列車號(hào)順序先后交貨，相隔2 年時(shí)間，充電電阻燒損故障在22 列車中共有11 列車發(fā)生故障，故障列車分布散開(kāi)，同一列車發(fā)生1-3 個(gè)充電電阻故障(1 列車共有6 個(gè)充電電阻器)，沒(méi)有集中列車現(xiàn)象，所以，充電電阻燒損故障與列車無(wú)關(guān)。

　　4.2 充電電阻故障多發(fā)生于使用一定時(shí)間后

　　根據(jù)故障情況統(tǒng)計(jì)，充電電阻燒損多發(fā)生于使用8 個(gè)月至18 個(gè)月之間，在時(shí)間分布上說(shuō)明充電電阻是在使用一段時(shí)間后產(chǎn)生的故障，但也不能說(shuō)明充電電阻使用一定時(shí)間后，一定會(huì)發(fā)生燒損故障，因?yàn)?02 車和105 車目前已使用超過(guò)2 年半的時(shí)間，但從未發(fā)生過(guò)同類故障。22 列車中有11 列車未發(fā)生充電電阻故障，所以與列車無(wú)關(guān)。

　　4.3 充電電阻故障與操作無(wú)關(guān)

　　我們對(duì)充電電阻發(fā)生燒損故障時(shí)的作業(yè)操作進(jìn)行調(diào)查，故障多發(fā)生于電機(jī)逆變器啟動(dòng)閉合充電接觸器時(shí)，充電電阻就燒損，多數(shù)為一次性操作就發(fā)生故障，與操作手法和次數(shù)無(wú)關(guān)。

　　我們?cè)囼?yàn)連續(xù)多次分?jǐn)喔咚贁嗦菲鳎瑏?lái)多次啟動(dòng)電機(jī)逆變器，并未出現(xiàn)充電電路燒損現(xiàn)象。

　　并且電機(jī)逆變器控制對(duì)充電電阻過(guò)熱有保護(hù)功能。我們多次試驗(yàn)證明多次充電后，充電電阻過(guò)熱保護(hù)功能起保護(hù)作用后，充電電阻并未燒損。因此，充電電阻燒損故障與操作無(wú)關(guān)。

　　4.4 充電電阻故障發(fā)生具有瞬間性特點(diǎn)

　　我們下載了DCU/M 的故障信息進(jìn)行分析，故障信息代碼為充電失敗故障，查看環(huán)境信息，當(dāng)時(shí)充電接觸器閉合后，DC-LINK 電壓沒(méi)有上升，500ms 后，充電接觸器斷開(kāi)，檢查充電電路線路均正常，說(shuō)明在充電接觸器閉合時(shí)，高電壓進(jìn)入充電電阻器瞬間，充電電阻器就燒損。我們對(duì)多次故障的調(diào)查和分析，多次表明充電電阻燒損只是在閉合的瞬間就燒損，具有瞬間燒損的特點(diǎn)。

　　5. 充電電阻燒損原因分析

　　根據(jù)車輛技術(shù)資料和實(shí)際測(cè)量結(jié)果得出以下參數(shù)數(shù)據(jù)：充電電阻j 由電阻合金絲繞制而成，充電電阻R=50Ω，電氣絕緣值為350MΩ，電容器C=4Mf,電壓從25V 充電到1508V的所需時(shí)間為557ms,根據(jù)電容充電電流計(jì)算公式：

?

　　電阻功率為 P=I2*R=(10.6)2*50=5618(瓦)

　　根據(jù)供貨商(BOMBARDIER)提供的關(guān)于充電電阻性能測(cè)試的試驗(yàn)報(bào)告，充電電阻在正常充電情況下，一次充電可使電阻溫度升高約100℃，而電阻充電后的溫度下降較慢，充電電阻的溫度從300℃下降到200℃需要5 分鐘的時(shí)間，溫度從300℃下降到140℃需要15分鐘的時(shí)間[3].所以，充電電阻雖然只是瞬間充電，但實(shí)際是一個(gè)大功率電阻元件，在充電瞬間產(chǎn)生較大的熱量且難以散發(fā)出動(dòng)。電阻燒損較多，我們對(duì)充電電阻進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)充電電阻存在以下問(wèn)題：

　　5.1 充電電阻的電阻線圈機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝不牢固

　　充電電阻的電阻線圈是直接裝在充電電阻外殼內(nèi)部(結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3)，電阻是由兩個(gè)相同的100Ω 電阻線圈并聯(lián)組成，在機(jī)械結(jié)構(gòu)的安裝上，其左側(cè)是連接外部導(dǎo)線的電纜與電阻線圈相連，起到一定的固定作用。右側(cè)沒(méi)有任何的固定裝置，懸空放置于電阻的外殼中間，內(nèi)部填充石灰粉，電阻線圈偏向一邊，與絕緣樹(shù)脂墊片直接接觸，明顯有燒損的痕跡。如圖4 所示，充電電阻燒損最多的地方為電阻的兩端，特別是在靠近絕緣樹(shù)脂墊、電阻線圈繞彎處、表面有密封膠處。

?

　　圖3 充電電阻側(cè)面

?

　　圖4 燒損的充電電阻

　　5.2 電阻外殼的密封膠過(guò)多，密封膠粘到電阻線圈上

　　外殼的密封膠用于密封防水作用，但密封膠粘到電阻線圈上，使電阻線圈的熱量散發(fā)不出去，長(zhǎng)期造成電阻線圈過(guò)熱氧化而燒損。

　　5.3 電阻線圈繞彎度過(guò)大

　　如圖 4 所示，電阻線圈是呈長(zhǎng)方偏形繞線式電阻，電阻線圈彎曲度過(guò)大，解體過(guò)的充電電阻，均發(fā)現(xiàn)此處有燒斷現(xiàn)象，是電阻燒損較多的地方之一。電阻線圈彎曲度過(guò)大，使線圈的機(jī)械性能發(fā)生變化，其電阻阻值增大，所以相同電流下發(fā)熱較多，容易燒損。

　　5.4 絕緣樹(shù)脂墊片阻隔熱量散出并使電阻線圈氧化

　　充電電阻線圈與外殼之間，放置一層厚度約1.5mm 的絕緣樹(shù)脂墊片，用于電阻線圈與電阻外殼的電氣絕緣。在正常情況下，絕緣樹(shù)脂片的電氣絕緣大于200 MΩ，符合電氣絕緣要求，但其導(dǎo)熱性較差，阻隔了內(nèi)部熱量通過(guò)外殼散發(fā)出去。內(nèi)部高溫的熱量被絕緣樹(shù)脂墊片吸收后，使絕緣樹(shù)脂墊片變?yōu)楦邷匚矬w，由于電阻線圈移位，電阻線圈與絕緣樹(shù)脂墊片相接觸，高溫的絕緣樹(shù)脂墊片烘烤著電阻線圈，造成其接觸處的電阻線圈絕緣破損，線圈氧化，如圖4 的黑色部分，長(zhǎng)期不斷的氧化使電阻線圈變黑阻值增大而燒損。

　　綜合以上4 點(diǎn)，充電電阻是一個(gè)電阻線圈內(nèi)部填充石灰粉完全密封于鋁合金外殼的電器，石灰粉排除空氣，但其散熱性較差，內(nèi)部的絕緣樹(shù)脂片進(jìn)一步阻隔了內(nèi)部熱量散出。電阻線圈的偏移、電阻線圈上存在密封膠、電阻線圈彎度過(guò)大等不良因素，加劇電線線圈的氧化和老化，造成電阻線圈燒損。

　　6. 改進(jìn)措施

　　6.1 使用質(zhì)量可靠的充電電阻

　　由于充電電阻在設(shè)計(jì)上和質(zhì)量上存在問(wèn)題，更換新的充電電阻，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用后，還是會(huì)出現(xiàn)同樣的故障。并且充電電阻為進(jìn)口備件，采購(gòu)周期較長(zhǎng)，價(jià)格為1350 元/件，價(jià)格較貴。經(jīng)過(guò)研究和調(diào)查，可選擇鋁殼電力型電阻器 AL 系列電阻替換現(xiàn)有的充電電阻，耐壓為2200V,阻值為50Ω，選用安裝尺寸相同的或另加安裝支架解決安裝問(wèn)題。

　　鋁殼電力型電阻器 AL 系列的電阻具有特點(diǎn)：由彈簧合金電阻體與成型鋁殼之組合，經(jīng)高溫陽(yáng)極處理后，再以特殊阻燃耐熱水泥充填，待陰干，再藉由高溫處理固定絕緣而成。由于整個(gè)電阻器都被耐熱水泥充填固定，不怕外來(lái)之機(jī)械力量與塵埃環(huán)境，不但功率大而且堅(jiān)固，耐震，散熱良好，電阻溫度系數(shù)小，呈直線變化，其變通性佳多重組合選擇，方便安裝。電阻如圖5 所示。

?

　　圖5 鋁殼電力型電阻器

　　6.2 改進(jìn)充電電路連接

　　根據(jù)圖1 所示，充電電路完成充電后，充電接觸器雖然斷開(kāi)，但充電電阻的另一端依然連接在主電路中，這種連接存在的弊端是：外部供電電壓存在波動(dòng)，電阻接在電路中與地形成一個(gè)RC 諧振電路，受到網(wǎng)壓波動(dòng)時(shí)，RC 諧振電路有電流流動(dòng)，電阻會(huì)產(chǎn)生一定的熱量。

　　所以電阻處于空閑狀態(tài)時(shí)依然產(chǎn)生熱量，由于上面所述的原因，電阻的熱量難以有效地散發(fā)出去，造成電阻的常態(tài)溫度較高。還有，電阻連接在主電路中，供電電網(wǎng)的電壓可能會(huì)出現(xiàn)高頻尖峰過(guò)電壓，對(duì)電阻造成損壞。針對(duì)以上問(wèn)題，改進(jìn)充電電路的連接方式，如圖5 所示，選用雙觸頭的充電接觸器，連接于充電電阻兩端，使充電電阻空閑時(shí)與主電路完全隔開(kāi)，防止充電電阻意外燒損或接地等故障。

?

　　圖6 改進(jìn)的充電電路連接