摘要：广州地铁十四号线地铁车辆出现多起空调白点故障，空调系统与车辆列控系统出现通信异常，紧急逆变器烧损，客室无通风，影响了乘客乘坐的舒适性和车辆运营服务质量。根据车辆控制原理、空调系统电气原理和紧急逆变器工作原理，综合多方面原理调查分析空调白点的故障原因，经过排查锁定了故障源为空调控制器内部板件故障。为彻底解决空调白点故障的再次出现，进一步通过控制器内部板件检测分析、现场测试分析、EMC测试分析、控制器返场测试分析，锁定了控制器内部故障的根本原因是核心电源板缺少抗干扰防护功能。针对电源板的设计缺陷，提出了软件、硬件等方面的解决措施。经过实践验证，采取的措施合理且有效，解决了紧急逆变器烧损和空调白点问题，降低了空调系统故障率，保障了乘客乘坐的舒适性和车辆运营服务质量。
关键词：车辆空调系统,故障分析,解决措施
0引言
地铁车辆的空调系统主要用于调节车厢内空气的湿度与温度，给乘客与司机提供一个健康舒适的乘车环境[1]。若车厢内无通风和制冷，将会严重影响乘客乘车舒适度，易引起乘客投诉或身体不适[2]。
车厢内空调无通风制冷的原因多种多样，例如漏电保护断路器分断联动主回路断路器分断[3];辅助逆变器APS散热不良[4];制冷剂泄漏[5]等。故障的型式虽然多样，但故障查找和处理的思路可以相互借鉴。例如空调正常启动后出现空调图标异常，相应空调机组不工作，此故障多为空调控制板内滤波电容故障导致，常见故障原因为滤波电容被击穿[6]。空调控制器故障多为内部核心板卡故障，例如控制板的元器件失效[7]。有些故障是空调系统自身的故障，也有一些故障是由于外部原因造成的，例如苏州轨道交通1号线列车空调系统高压故障的直接原因是隧道内局部区域的空气对流不佳[8]。空调白点故障多为控制器内部核心通信板卡故障，导致控制器与列控系统连接中断[9-10]。
空调控制器采集各传感器以及各元件的保护信息，进行数据的运算、处理，并与车辆控制系统通过MVB网络进行通信。在紧急情况下，紧急逆变器能将蓄电池提供的直流电源转换为交流电源，从而让空调系统继续工作，保障车厢内部正常通风。近期车辆出现多起空调白点故障，紧急逆变器没有正常工作，客室无通风，影响乘客乘坐的舒适性和运营服务质量。
1空调控制系统
1.1系统简介
广州地铁十四号线车辆的空调系统设有主从2个空调控制器，分别控制整节车厢的两台客室空调机组。控制器采集各传感器以及各元件的保护信息进行数据运算、处理。其中主控制器通过MVB网络负责与车辆控制系统进行通信，将空调系统各元件的状态信息以及故障信息发送给列控系统，接受列控系统的控制指令，如图1所示。
车辆的每一节车厢都设置有一个紧急逆变器，当车辆失去1500 V高压电源或空调控制器与车辆MVB网络通信中断时，紧急逆变器可以将蓄电池提供的DC110 V电源转换为AC380 V电源，为车厢空调通风机组供电，保证车厢内通风顺畅。
1.2工作原理
空调系统由客室的控制盘和车顶空调机组两部分组成。空调控制盘上的2个控制器分别控制整节车厢的2台客室空调机组。控制系统的接触器、断路器、继电器、传感器等控制元件，集成安装在客室内空调电气柜的控制盘上，共同完成空调系统的控制、保护和故障诊断功能，如图2所示。
空调制冷系统采用机械制冷方法，制冷剂为R407C。在制冷循环中，压缩机从蒸发器吸入制冷剂R407C气体，将其压缩成高温高压的R407C蒸汽，排入风冷冷凝器，经与外界空气进行热交换，放出热量冷凝成高压的R407C液体，然后经热力膨胀阀降压后变成低温低压液体，进入蒸发器，并吸收由室内流过蒸发器的空气的热量，蒸发成低压蒸汽再被压缩机吸入，完成一个制冷循环。制冷剂不断地从室内吸收热量，在室外放出热量，从而达到使室内降温、除湿的效果，如图3所示。
1.3空调系统电气原理
控制盘的正常通风接触器KM11与紧急通风接触器KME11通过触点互锁，如图4所示。当车辆有1500 V高压时，接触器KM11闭合，接触器KME11断开，空调系统正常运行，如图5所示。
当车辆失去1500 V高压时或控制器发生故障时，接触器KM11断开，接触器KME11闭合，空调进入紧急通风模式，如图6所示。可见客室一直可以保持通风的状态。
2空调白点故障
2.1故障现象
地铁车辆出现多起客室空调停机，车厢无通风，报出“HVAC通信故障”。空调控制器宕机，空调控制器指示灯只有H2闪烁，正常状态下4个指示灯应交替闪烁，如图7所示。紧急逆变器核心控制板显示“55”代码，紧急逆变器内部IGBT元件烧损，如图8所示，影响乘客乘坐的舒适性。
2.2空调白点故障检查
当地铁车辆报空调通信故障时，一段时间后空调系统自动复位重启，空调机组重新正常运行。地铁车辆回库后，在库内开启空调模拟测试，发现在有1500 V高压电源时，本应断开的紧急通风接触器KME11与正常通风接触器KM11不停地交替来回吸合与释放，如图9所示。
当地铁车辆报空调通信故障时，对空调系统通信线路进行逐一排查。通信回路对地电阻均正常，空调机组各设备电流值均无异常。从图4电路可知，接触器KM11与KME11均由主控制器控制，接触器来回跳动，检查接触器触点阻值和线圈阻值正常。分析认为空调主控制器内部故障导致控制指令出错。
2.3故障结论
由于控制器故障，控制指令输出不稳定，从而导致本应互锁的通风接触器与紧急通风接触器在一瞬间两对触点同时吸合导通，在有高压电流的情况下，AC380 V电流倒灌到紧急逆变器内部，导致紧急逆变器内部的IGBT元件烧损，进而导致紧急逆变器不能启动，如图10所示。
3深层次故障原因调查
3.1控制器内部板件检测
空调控制器内部主要由控制器主板、MVB网卡、电源板组成。故障时主控制器H1、H2、H3指示灯熄灭，表明控制器内部网卡通信异常、控制程序运行状态异常。
将故障件返厂测试，能对所有分析的可能原因进行逐一排查[11]。在测试平台对控制器进行重复通断电试验，复现了故障现象。发现网卡供电指示灯不显示，工装板多个DO同时输出异常闪烁，即控制器电源板输出有异常，如图11所示。
从硬件测试现象可判断为控制器内部电源板卡异常通信故障和控制程序运行异常。根据控制器电源供电分布情况如图12所示，控制器将输入的DC110 V电源转换为DC24 V电源，分别给网卡、芯片和传感器供电，当网卡供电异常会导致空调MVB网络掉线，空调出现白点故障，故障现象与硬件测试情况一致。
车辆在通过电分相或交直流转换段时，升降弓时，容易产生浪涌过电压[12-14]。控制器的电源板输出异常，不一定是电源板自身的故障，也可能是负载过载或外部干扰而导致。对控制器进行电源板功率检测，检测结果显示，电源板输出功率在正常范围内波动，可见电源板功率余量充足。
对控制器进行测试，检测到一起网卡突发性反复过载到7.68 A,导致电源模块过载，进而导致控制器不断重启，如图13所示。对网卡关键部件进行X光检查，发现输入电容X光显示焊接边缘焊锡显现点状，推测内部存在汽泡，如图14所示。进一步用显示镜观察，发现电容有开裂的情况，如图15所示。测量容值为98μF（标称值为100μF),推测输入电容在工作情况下出现失效情况。
3.2返场测试
将故障件重新装车进行测试，分别切换车辆正常通风、紧急通风、半冷、全冷等工况，使用示波器抓取每种工况下MVB网卡的电压波形，监测发现MVB网卡5V电源出现偶发性的波动，如图16所示。其中部分电压跌落到1.24 V,最大电压波动至6.8 V,波动最长时间为48 ms。
因此，推断电源模块由于外部扰动而给MVB网卡供电不稳定，当电压跌落较多时，从而引起MVB网卡过载，导致网卡输入电容损坏。
3.3 EMC测试
故障时控制器间隔一段时间后重启，推测外部干扰可能为涌浪和脉冲群。
(1)涌浪测试
对控制器进行涌浪试验，在浪涌时测到MVB网卡供电电压偶尔会超出网卡的最大使用电压。在2 kV浪涌时，最大输入电压约24 V,输出电压9.5 V,如下图17所示。可见在外部有过高的外部浪涌时，会导致电源模块工作异常。
(2)脉冲群测试
对网卡脉冲群抗扰度测试，从+2 kV开始，每次3min,具体如下：+2 kV 3 min后，网卡未复现重启现象；+3 kV 3 min后，网卡未复现重启现象；+4 kV 3 min试验过程中，网卡频繁出现5V供电电源重启现象，电源重启过程中控制器DC110 V电流波动从0.08 A上升至0.34 A,功率上升至37.4 W,严重过载。
基于以上测试分析可知：电源板在外部有扰动时，会偶发性导致电压跌落，引起网卡过载；MVB网卡长时间遭受高的外部浪涌会导致电源模块工作异常；4 kV及以上的电快速脉冲群，会引起网卡复位。
3.4电路核查
涌浪和快速脉冲群等外部干扰可以抑制，但不可完全避免[15-16]。对电源板的电路进行核查，发现电源板供电部分电路缺少抗干扰防护功能，如图18所示，当外部电路有浪涌时，容易对电源板部件造成冲击破坏。
3.5测试分析结论
综上测试分析，由于电源模块缺少对涌浪和快速脉冲群外部干扰的防护，当外部出现干扰时导致电源模块工作异常，输出电压异常，导致控制器宕机、MVB网卡异常，从而空调出现白点故障。由于控制器输出指令不稳定，KE11与KME11接触器互锁的触点瞬时导通，最终导致电流倒灌，紧急逆变器被烧损。
因此，需对电源模块电路进行优化，增加抗干扰防护电路保护。
4解决方案
4.1软件升级
对控制器软件进行升级，调整控制器上电后禁止正常通风接触器、紧急通风接触器、逆变器启动信号输出，加强紧急通风与正常通风接触器输出软件互锁逻辑，从而在软件层级加强保护。
4.2机械互锁
由于通风接触器KM11和紧急通风接触器KME11只有逻辑互锁，缺少机械互锁功能，需增加机械互锁功能，如图19所示。增加机械互锁装置后，通风接触器KM11和紧急通风接触器KME11其中一个接触器吸合，另一个接触器断开，即只允许其中一个接触器进入吸合状态，从而保障互锁功能。
4.3电路优化
由于电源模块缺少抗干扰防护功能，遏制浪涌或者杂波电压，需增加抗干扰防护电路，在原电源模块的电路基础上进行了优化，如图20所示。
(1)增加F1保险。防止后级对地或者短路时，进行断开保护。
(2)增加压敏电阻。当电阻两端所受电压小于额定电压值时，电阻无穷大；当所受电压大于额定电压时，其阻值急剧变小，并立即处于导通状态。压敏电阻在电源电路中，起过压保护、抑制浪涌电压等作用。
(3)稳压二极管。稳压二极管反接作用可以保护电路中的其他元件，稳压二极管反接在电路中，能够有效地稳定电压，避免其他元件因电压过高而损坏。稳压二极管具有快速响应的特点，可以在电压过高时迅速击穿，将多余的电流引流到地，保护电路中的其他元件。
(4)电感。通直流阻交流。
(5)C6、C7电容连接电源模块输入输出，抑制辐射。
5可行性分析
5.1软件功能验证
更新空调控制器软件后，在控制器上电程序运行的60 s内，中间继电器KA6为失电状态状态，如图21所示，KA6的指示灯为熄灭状态，实现保护紧急逆变器在控制器启动期间的安全。控制器通过控制中间继电器KA6间接控制紧急逆变器的启停，可见软件保护功能已实现。
5.2测试验证
在工作平台上搭建了模拟工装，检验接触器互锁功能的有效性，如图22所示。分别给两个接触器施加间隔0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 s循环吸合的命令，检测结果为接触器没有出现卡滞，当两个接触器同时得电吸合时，只有其中一个能吸合，另外一个则不能吸合。当分别间隔0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 s给两个接触器得电，则两个接触器均能按照得电顺序吸合，表明机械互锁功能有效。
5.3备件装车跟踪测试
将控制器电源板电路优化后装车测试，车辆已安全运营超过20万km,无空调故障，车辆空调功能状态良好，验证了优化后的电源板电路有效，保障了乘客乘坐的舒适性和运营服务质量。
6结束语
由于控制器内部电源板缺少抗干扰防护电路，而引起电源板输出电压异常，MVB网卡供电异常，网卡过载引起通信故障。控制器输出指令异常，从而导致本应互锁的正常通风接触器KM11和紧急通风接触器KME11互锁功能失效，进而导致380 V高压电流倒灌到紧急逆变器内，造成紧急逆变器内部IGBT烧损，车辆无法启动紧急通风。
因此，通过本次空调故障的分析，可得以下结论。
(1)互锁机构应设置两层以上的防护，不能只是通过软件层级的控制来互锁，应增加机械层级的互锁。
(2)核心电源板卡应设置抗干扰防护电路，防止外部扰动而发生故障。
(3)在控制器启动的时间段内应增加保护逻辑，断开紧急逆变器的控制，避免紧急逆变器烧损。
参考文献：
[1]张大勇．论述地铁车辆空调系统的结构及典型故障案例解析[J].科技风，2019(26):182-183.
[2]范彪，马撰，朱嘉琪．广州地铁二号线空调系统高压故障原因探讨[J].机电工程技术，2019,48(3):171-175.
[3]曾隆隆．地铁车辆空调机组漏电保护断路器分断原因分析与解决措施[J].设备监理，2021(9):79-83.
[4]潘文海，苏锦华，李许磊，等．广州地铁3号线列车空调无制冷故障调查分析及解决[J].机车电传动，2013(3):56-57,100.
[5]王伟．空调机组制冷故障原因分析及检修改进措施[J].铁道车辆，2015,53(7):43-44.
[6]黄幸．地铁车辆空调系统故障分析与措施[J].机电工程技术，2020,49(9):211-213.
[7]王欢，邱明奎，陈亚亮，等.Merak空调控制板不制冷机理分析[J].城市轨道交通研究，2018,21(11):149-152.
[8]黄升．苏州轨道交通1号线列车空调系统高压故障分析及对策[J].城市轨道交通研究，2023,26(11):167-171.
[9]广14电客车维护手册．空调系统[Z].
[10]郑磊，梁春风．广州地铁21号线电客车空调系统通信故障原因探讨[J].技术与市场，2021,28(9):46-48.
[11]张顺，付细群．地铁车辆司机室空调机组低压故障分析及解决方案[J].城市轨道交通研究，2021,24(1):154-157.
[12]李雪飞，孙文斌，李明泽，等．双制式列车断路器合闸浪涌过电压研究[J].电气技术，2023,24(9):28-33.
[13]王玉鑫，王勇，梁晓波，等．基于混合EMD-BPNN方法的短期客流预测分析[J].铁路通信信号工程技术，2022,19(08):72-77.
[14]霍达．动车组升降弓车体浪涌过电压分布研究[D].成都：西南交通大学，2018.
[15]吴颢．车体浪涌过电压研究[D].成都：西南交通大学，2013.
[16]HATSUKADE S,周贤全．降低AC车辆车体浪涌电压的方法[J].国外铁道车辆，2010,47(6):11-16.
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