基尔霍夫第一、第二定律在地铁车辆调试及故障处理的应用

王信宇  张亚男

中车大连机车车辆有限公司   辽宁大连  116022

摘  要

在售后服务工作中，地铁车辆验收前的调试工作顺利进行，以及车辆投入运营时出现的电气故障能得到及时分析处理，为售后服务工作的重中之重。只有确保车辆时刻处于稳定状态才能保证线路运营畅通，亦能合理简化繁琐的日常检修工序，促使车辆故障率低、下线率低，公司产品质量得到保障。同时可降低故障车辆对运营方的直接损失，以及减小故障车辆对主机厂方的声誉影响。

因此，车辆售后服务人员在业余时间，提高理论知识的同时，举一反三，将学习的理论知识联系及运用到实际工作中，便可有效提高公司产品售后服务质量，大大提高售后服务人员工作效率，赢得甲方业主及己方领导的认可成就自身价值。

关键词  简单电路 复杂电路 节点电流 回路电压

计算对比 案例分析

1.前  言 

首先，了解什么是简单电路？什么是复杂电路？简单电路和复杂电路的计算方法是什么？其次，车辆电气设备运行时在什么情况下为简单电路，又在什么情况下会由简单电路变为复杂电路？通过实例分析，遇到此类故障该如何判断，从而更加效率的处理该类故障？

2.基本的电气原理知识

2.1简单电路

简单电路：能用电阻串联并简化成为一个单回路的电路。

下图为一个直流电路简单电路图，其中E为电源，S为开关，R为电阻。当开关S闭合时，用电器R工作发热。可推导为图右电源及电阻的简化电路。

下图为两个电阻串联的直流电路简单电路图，其中E为电源，S为开关，R1、R2为电阻，当开关S闭合时，用电器R1、R2同时工作发热。可推导为图右电源及电阻的简化电路，其串联电阻R串=R1+R2。（欧姆定律）

下图为两个电阻并联的直流电路简单电路图，其中E为电源，S为开关，R1、R2为电阻，当开关S闭合时，用电器R1、R2同时工作发热。可推导为图右电源及电阻的简化电路。其并联电阻R并=R1·R2/R1+R2。（欧姆定律）

下图为三个电阻串、并联混合的直流电路简单电路图，其中E为电源，S为开关，R1、R2、R3为电阻，当开关S闭合时，用电器R1、R2、R3同时工作发热。可推导为图右电源及电阻的简化电路。其线路总电阻R总=R3+R1·R2/R1+R2。（欧姆定律）

2.2复杂电路

复杂电路：不能用电阻串、并联简化成为一个单一回路的电路。

下图为一个直流电路复杂电路图，其中E1、E2为电源，S1、S2为开关，R1、R2、R3为电阻。当开关S1、S2闭合时，用电器R1、R2、R3同时工作发热。图中电阻之间既不是串联，也不是并联，无法简化成单个回路，同时无法确认通过各电阻的电流方向。

2.3电路的计算

求解简单电路可运用电阻的串并联特性——串联电路各电阻通过的电流相等，并联电路各电阻两端电压相等。

电压U，电流I，电阻R之间的关系为如下：

U=I·R     I=U/R      R=U/I    

因并联电阻两端电压相等，利用欧姆定律可推导出并联电阻计算公式：        R并=R1·R2/R1+R2 

求解复杂电路电阻的串并联特性之外，还需用到基尔霍夫第一定律——节点电流定律；基尔霍夫第二定律——回路电压定律。

支路：由一个或几个电气元件首尾相接构成的无分支电路。

如上图共3条支路，A-C-D-B为一条支路；A-B为一条支路；A-E-F-B为一条支路。

节点：三条或三条以上支路的交汇点。

如上图共有2个节点，节点A、节点B。

回路：电路中任意闭合路径。

如上图共有3条回路，回路A-C-D-B-A;回路A-B-F-E-A；回路C-D-F-E-C。

网孔：内部不包含支路的回路。

如上图共有2个网孔，网孔A-C-D-B-A;网孔A-B-F-E-A。

基尔霍夫第一定律——节点电流定律：电路中任意一个节点上，在任意时刻流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和。

如何理解节点电流定律，假设把电流比作三通水管内水流，水流交汇处比作节点，确认任意两根水管流向，则可确定第三根水管水流流向，水流流向有且只有如下图6种流向。（图7情况不存在）

图1                       图2                       图3

图4                      图5                       图6

图7

基尔霍夫第二定律——回路电压定律：对电路中的任意闭合回路，沿回路绕行方向上各段电压的代数和等于0。

如上图复杂电路中，回路A-C-D-B-A，假设其回路中电流绕行方向为顺时针，则I1R1+E1-E2+I2R2=0。（绕行时遇到电源正极为+，遇到电源负极为-）

3.地铁列车电气回路构造

地铁车辆通常分为高压直流电气回路、低压直流电气回路、高压交流回路、低压交流回路。车辆控制电路主要以继电器和接触器构成，其主要电气元件标称电压为DC110V，因此车辆蓄电池及充电机标称输出电压为DC110V，负极通过车辆转向架的轴端接地碳刷，由车轮与钢轨接触，从而构成接地回路。电气元件通过直流简单电路，可推导表示为如下图。

因此多个用电器并联的简单电路可如下图所表示。

4.地铁列车负线不接地电气原理的改变

   如下图所示，如地铁列车内负载及继电器与接触器的负线，因共负端子短连排接触不良，导致共用负线不接地，无法与钢轨构成接地回路
，则电气原理由简单电路变为复杂电路。

4.1 针对原理的变更通过计算进行对比

已知：E1=E2=110V，R1=5Ω，R2=10Ω，R3=20Ω。求各支路电流。

图中为并联简单电路，各支路电压相等，用欧姆定律计算I1，I2，I3，其中I3无电流经过。

I1=E1/R1=110/5=22A  I2=E2/R2=110/10=11A    I3=0A

已知：E1=E2=110V，R1=5Ω，R2=10Ω，R3=20Ω。求各支路电流。

图中为复杂电路，用节点电流、回路电压方法求解I1，I2，I3。图中有A，B两个节点；共有2个网孔，网孔回路各段电压代数和为0。设定2个网孔电流绕行方向一致为顺时针，B节点的电流I2=I1+I3；

I1R1+E1-E2+I2R2=0        5I1+110-110+10I2=0

-I2R2+E2-I3R3=0         -10I2+110-20I3=0

I1+I3-I2=0 I1+I3-I2=0

I1=-3.14A

I2=1.57A     因I1为负值，则假设的电流为反方向。

I3=4.71A 

4.2通过计算得出结论

相同配线方式，由于负线不接地，列车由简单电路与车辆其他电阻变成复杂电路，且通过用电器的电流差异较大。   

负线不接地后，通过R1的电流为3.14A远小于22A，电流方向一致；通过R2的电流为1.57A远小于11A，电流方向一致；通过车辆电阻R3的电流为4.71A，且负线正常状态下不应有电流经过。

此现象极不满足用电器工作状态，可导致继电器及接触器线圈吸合状态异常，线圈无法按照正常逻辑得电失电，甚至爆闪；车辆低压监控屏等设备无法点亮等故障。

5. 结论的应用与实际案例分析

沈抚西延5号线SF001车2023年7月8日下线故障分析

19：12，沈抚有轨电车5号线SF001车在万科新里程下行出站时，司机报SF001车突然断电，车内有烧焦味道，蓄电池无法断开，受电弓无法降落，车辆清客下线，退出运营。

故障调查

1.现场客户服务人员查看，IDU显示紧急制动网络与硬线指令不一致，RIOM机箱AX1板卡、DO1板卡、DO2板卡、SGN1板卡、DI1板卡、DI2板卡、HVAC、WMS、PIS、EDCU1、EDCU2、DCDCMA、TCUM1、TCUM2、RIOM网关、HMI离线。

2.查车辆突然断电，车辆无法降弓，尝试手摇降弓，接触网无影响，空开柜内有烧焦味道，暂未查出烧焦痕迹，蓄电池无法断开，制动不缓解，手动泵缓解后，车辆暂时牵往二五联络线避线，具体故障需待运营结束后回库检查。

原因分析

车辆回库后经现场跟车人员描述确认：

车辆在正线发生故障时，MC1端为驾驶端，列车无高压，受电弓电源RPCB断路器及辅助触点保护断开，受电弓为升起状态 ，MC1车监控屏、HMI屏幕、IDU屏幕突然失电熄灭，APS断开按钮、降弓按钮、蓄电池断开按钮无法操作，随后跟车人员去往MC2端操作高速断路器断开按钮及APS断开按钮后，全列车断电且无蓄电池电压。

通过上述现象，可判断MC2端DC24V未失电且按钮操作正常；列车DC24V列车线异常；MC1端、MC2端辅助逆变器异常。

实施方法及目的

经排查，全车辅助逆变器过载保护导致列车无三相电压。充电机因过载导致受电弓电源断路器保护断开，辅助触点断开不及时，过电流烧损RIOM主机DI-1插头KK点位针状端子（如图1所示）。此点位为RIOM主机接收断路器辅助触点发出的高电平信号，监控TP车受电弓断路器闭合状态，不参与其他功能。

因两端MC车DC24V供电状态不一致，与电气原理不符。通过电气原理图分析，DC24V列车线贯穿首尾两端，投入单端蓄电池即可为DC24V列车线供电，遂于车顶断开MC1车故障端蓄电池控制箱内BATB蓄电池断路器及BATCB永久负载断路器，两端司机室分别操作蓄电池闭合按钮控制MC2车单端车蓄电池投入，测试DC24V列车线是否正常；全列车DC24V断路器电源是否正常。

经万用表测试：DC24V列车线正常；全列车DC24V断路器电源正常；MC1故障端司机室监控屏、HMI屏幕、IDU屏幕电源正极有DC24V电压输入，屏幕电源插头正负极电压不稳定，区间为DC3V-DC5V；负极不接地，电阻为286Ω；断开MC2端蓄电池控制箱内BATB蓄电池断路器及BATCB永久负载断路器，两端司机室分别操作蓄电池闭合按钮控制MC1单端车蓄电池投入时，MC1车BCC蓄电池接触器反复吸合动作异常；

通过配线图得知，三个显示屏电源负极接线均在司机室CT3-2负线端子连排（如图2所示）其中线缆G24C154(KC3:8-CT3:12D6)为CT3-2负线端子排所有负线的共负线缆，通过KC3插头接至CT1-1负线端子连排，其线号为G24C155(KC3:8-CT1:1D1)；MC1车BCC蓄电池接触器线圈负极线缆G24TC1（T+BATB:X1-12--C+CT2：10）由CT2端子排经KC3插头至CT1-1负线端子连排。

测量CT1-1负线端子连排接地阻值异常，经排查CT1-1负线端子连排共负线缆G24C156（CT1:1A22-CT1:1B2）虚接（如图3所示）；CT1-1负线端子连排至DT1-7负线端子连排共负线缆G24CD1(DT1:7A11-CT1:1B22)与G24CD2(DT1:7B11-CT1:1A23)虚接（如图4所示）；查询G24C155线缆路径途中，发现KC3插头因负线虚接导致电阻过大，电流通过时发热，FC3插头部分针端烧黑，散发烧焦气味（如图5所示）

       

参考文献

[1]《电路基础》——串并联电路；欧姆定律；基尔霍夫第一、第二定律。