浅谈地铁车辆空压机热磁断路器跳闸故障原因及对策

浅谈地铁车辆空压机热磁断路器跳闸故障原因及对策

石洪1，徐文海1，樊双怀1，王力1，王天宇2

1. 中车成都机车车辆有限公司四川成都 610000；

2.中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东青岛 266000

摘要：介绍地铁车辆空压机结构及启停逻辑，针对某地铁车辆空压机热磁断路器故障，从结构、控制逻辑等方面进行调查分析，查找问题原因，并对地铁车辆空压机实施了相应整改,有效地解决了地铁车辆空压机热磁断路器跳闸故障,降低了地铁车辆运营风险。

关键词：地铁车辆、空压机、热磁断路器、整改措施

1 引言

随着我国城市轨道交通发展，地铁运营里程不断增加，空压机及控制电路作为地铁车辆制动系统的重要组成，其可靠性成为影响地铁车辆运营安全的重要因素。本文针对某地铁车辆空压机热磁断路器跳闸故障进行了分析，并提出了解决措施，降低了地铁车辆运营风险。

2 空压机结构及工作原理

2.1 空压机结构

某地车车辆采用螺杆式空压机为制动系统、总风系统等使用压缩空气的装置提供压缩空气，螺杆式空压机作为一种容积式气体压缩机械设备，运行中是机械的工作容积回转运动形式完成的，其主要结构原理是由压缩机的一对转子在机体内的回转运动来实现对空气的压缩处理的。主要结构包括交流电机、空气滤清器、组合式空气冷却器、泄压阀、进气止回阀、启动压力开关、最小压力止回阀、安全阀、隔油池、回油管、粗油分离器、温控开关、泄油阀、油过滤器、涡壳、风扇、恒温器、控油块、交流电机、温控开关等，如图1所示。

图1 空压机结构图

2.2 空压机工作原理

螺杆式空压机运行过程中，其工作原理主要就是进气、压缩、排气，其空气压缩过程的原理如下：首先，吸气。螺杆式空压机通过交流电机驱动离心风机和转子，离心风机驱动外界冷空气进入齿沟空间，主从转子在运转过程中，齿沟空间在处于进气口一端时，其内空间较大，外界空气进入并充满齿沟空间，当转子离开进气口端时，齿沟空间内的空气被封闭在主转子的机体空间内部，实现吸气处理。其次，压缩。在齿沟空间完成吸气以后，随着主从转子在机体内部的转动，转子之间与机体机壳形成的空间逐渐所限，并开始随着转子进行螺旋状移动，此移动过程就是对齿沟空间内空气的压缩过程。最后，排气。当螺杆式空压机的主从转子的齿峰旋转逐移动，与螺杆式空压机的排气端出气口相遇时，被压缩的空气在压强作用下迅速排放，直到机体齿峰与齿沟的咬合面完全移动至排气端面，实现其空间内空气的完全排出，实现排气环节。同时，主从转子的另一对齿沟已经到达螺杆式空压机的进气端，开始下一循环的空气压缩处理。

当地铁车辆总风压力或制动风压不足（＜800±20kpa）时，空压机交流电机起动，最小压力止回阀关闭，空压机外壳内气压升高，同时启动油路循环降温，当空压机外壳内的气压升至规定气压时，最小压力止回阀开启，压缩空气通过出气口传导到车辆总风系统。

当地铁车辆总风压力或制动风压饱和（＞900±20kpa）时，空压机交流电机停止，最小压力止回阀和进气止回阀关闭，防止压缩空气从车辆总风系统回流至空压机单元外壳内。同时空压机单元外壳内（高压区）压缩空气向机壳内（低压区）回流，经泄压阀排出。

2.3 空压机控制逻辑

为保证地铁车辆运营安全，地铁车辆制动系统一般配置2台空压机，每台空压机配置单独空压机控制箱，由制动系统的制动控制装置发送指令进行控制。

当地铁车辆网络通信正常时，空压机采用主辅的模式运行，即单双日控制方式，以均衡地铁车辆两台空压机运行时间。根据列车控制与管理系统（简称TCMS系统）发送的日期信息，两台空压机定期转换主辅关系。当日期为奇数时，1车空压机为主，8车空压机为辅；当日期为偶数时，8车空压机为主，1车空压机为辅。若地铁车辆总风压力低于（800±20）kPa时，主空压机启动，总风压力达到（900±20）kPa停止；若主空压机工作时，总风压力持续降低，直到低于（750±20）kPa时，辅空压机启动，总风压力达到（900±20）kPa停止，地铁车辆两台空压机同时停止工作。当地铁车辆的起始总风压力低于（750±20）kPa时，两台空压机同时启动，总风压力达到（900±20）kPa停止，两台空压机停止工作。

当地铁车辆网络通信故障时，空压机由制动控制装置内的压力开关控制，当总风压力低于(700±20)kPa时，压力开关动作控制两台空压机同时启动；当总风压力大于(900±20)kPa时，压力开关再次控制两台空压机停止打风。两个压力开关无论哪个先检测到总风压力低于(700±20)kPa时，都能控制两台空压机的启动，有充足的冗余。

另外，地铁车辆司机室操作台设置强迫泵风按钮，可直接操作此按钮时，使两台空压机同时强制启动，向地铁车辆总风压力供风，松开按钮后，空压机停止工作。

3.  故障及原因分析

为找到故障原因，现车对空压机及其供电电路进行检查并进行相关测试，复现故障。

3.1 实物外观检查

检查发现热磁断路器跳闸，空压机外观无异常、无渗油现象，空压机控制箱内接线牢固，无松动、破损、接磨等异常现象，继电器、接触器状态良好，如图2所示。

图2 空压机及其控制电路检查

3.2 空压机测试

测量空压机三相电阻值均为0.4Ω，相间阻值对称，对地绝缘阻值良好，无短路现象。热磁断路器复位后闭合热磁断路器，使用示波器对空压机进行启动测试，启动电流最大为201A，如图3所示。

图3 空压机测试电压

3.3热磁断路器型号调查

热磁断路器型号为MMP-T32，整定值为32A，对比热磁断路器动作曲线（如图4所示），热磁断路器瞬间脱扣特性为最大电流设定的10倍-15倍，即320A-480A，满足空压机启动要求。

图4 热磁断路器动作曲线

3.4 数据分析

下载空压机运行监控数据（如图5所示）结合故障时刻人员操作，发现操作人员按压强泵按钮给列车充风时，空压机存在短暂的掉电过程。空压机掉电之前，MR压力值（总风压力）持续上升，给列车总风供风。空压机掉电之后迅速恢复供电，但MR压力值（总风压力）持续下降，说明空压机未正常工作，未给列车总风供风，此时空压机的U/V/W三相电流有效值均约为163A，呈正弦波，峰值电流约为230A，频率为50Hz，超过了空压机额定工作电流（21.9A），因此判断空压机第一次掉电之后未成功启动。但空压机接着通电6s，空压机壳体内的压缩空气受堵转的转子影响无法回流并经泄压阀排气，其转子带着背压产生的巨大负载继续工作，造成交流电机处于近似于堵转的状态，持续产生了近乎于启动峰值电流（约为230A）。对比热磁断路器动作曲线，峰值电流小于热磁断路器瞬间脱扣电流，结合现场情况，可判断热磁断路器故障。

图5 空压机运行监控数据

3.5 故障逻辑分析

当操作强泵按钮时，未按压到位或按压间隔时间较短，导致空压机异常停机。当空压机停止时，最小压力止回阀和进气止回阀关闭，空压机壳体内的压缩空气在短时间内不能通过泄压阀排泄至车外。当空压机再次启动时，空压机壳体内的压缩空气受堵转的转子影响无法回流并经泄压阀排气，其转子带着背压产生的巨大负载继续工作，导致电机处于近似于堵转的状态，持续产生了近乎于启动峰值电流（约为230A）。热磁断路器在此环境下未能按照热磁断路器动作曲线动作，因此热磁断路器存在故障。

4整改措施

1. 操作人员未能及时发现热磁断路器跳闸问题，存在运营安全隐患，因此在HMI显示屏增加故障提示功能，升级地铁车辆TCMS系统软件程序，在司机室HMI显示屏能及时显示空压机热磁断路器跳闸故障。

2. 规范操作，明确强泵按钮操作规范，确保在按压强泵按钮时，按压到位且中途不产生意外的松动，保证按压间隔时间大于10s。

3. 增加冗余，在尺寸规格相同的情况下，选用符合其动作曲线的热磁断路器，避免出现误跳闸情况。

5 整改验证

该问题经过批量整改，列车已安全运行半年，期间未再报此故障。

6 结束语

本文主要对地铁车辆空压机热磁断路器跳闸故障进行分析，故障原因为操作强泵不规范、热磁断路器故障，对此提出3项解决措施，现车整改效果跟踪结果表明，该问题得到了有效解决，保障了地铁车辆运营安全。

参考文献：

1. 郁永章.压缩机工程手册[M]. 北京：中国石化出版社，2011

2. 黄学翾．广州地铁5号线列车制动系统故障分析及改进 ．城市轨道交通研究，2010(7) :88－89

3. 史月.螺杆式空压机烧损原因分析与改进思路 设备管理与维修Plant Maintenance Engineering 2020.08

4. 施旭东 螺杆式空压机控制系统 杭州电子科技大学 2014

5. 张材 螺杆式空压机稳定运行与压缩空气质量控制 压缩机技术 Compressor Technology 2018.05