城軌車輛牽引系統(tǒng)的安全性設(shè)計與評估

劉東元

摘 要：城軌車輛的牽引系統(tǒng)對車輛的各方面運(yùn)行情況具有較大的影響，是車輛運(yùn)行中非常重要的系統(tǒng)。本文首先分析城軌車輛牽引系統(tǒng)的安全性設(shè)計，然后再提出城軌車輛牽引系統(tǒng)的安全性設(shè)計評估方法。

關(guān)鍵詞：牽引系統(tǒng);城軌車輛;評估

城軌車輛是將機(jī)電集合于一體的高智能化復(fù)雜的系統(tǒng)，其技術(shù)含量高、組成結(jié)構(gòu)多。這些組成結(jié)構(gòu)既獨(dú)立存在，又相互存在聯(lián)系。城軌車輛牽引系統(tǒng)的安全性決定著車輛的安全性。因此，在研究城軌車輛系統(tǒng)時應(yīng)該同步研究牽引系統(tǒng)的安全性[1]。

1.城軌車輛牽引系統(tǒng)的安全性設(shè)計

1.1總體設(shè)計

由于城軌車輛的運(yùn)行模式為以下兩種情況：一是早晚高峰期，車輛運(yùn)行密度較大，車輛裝載人員較多，常常處于超載的現(xiàn)象;二是在其他工作時間，車輛運(yùn)行密度較小，車輛裝載的人員較少。因此，在設(shè)計城軌車輛時多采用連續(xù)速度——距離曲線控制的模式。這就要求城軌車輛牽引系統(tǒng)的安全性具有以下幾種特性：①各種軟硬件具有較高的可靠性，為城軌車輛司機(jī)提供準(zhǔn)確的目標(biāo)速度和限制速度，以確保城軌車輛能夠安全運(yùn)行;②具備完善的輸入和輸出檢查功能，城軌列車在運(yùn)行過程中，當(dāng)牽引系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生故障時會讓控制導(dǎo)向安全制動，從而確保城軌車輛運(yùn)行的安全;③一般城軌車輛牽引控制設(shè)備的安全側(cè)應(yīng)該是車輛發(fā)生故障時，確保車輛運(yùn)行的安全性，其主要表現(xiàn)為車輛發(fā)生故障時，列車降級使用，實(shí)行低速行車。

1.2關(guān)鍵部件設(shè)計

1.2.1高速斷路器的安全性設(shè)計

高速斷路器設(shè)置在受電弓與輸入濾波器之間，而高速斷路器通常只用于牽引回路。一般高速斷路器的安全性設(shè)計主要包括以下幾方面的內(nèi)容：①根據(jù)地面牽引供電系數(shù)的參數(shù)，準(zhǔn)確計算城軌車輛牽引回路狀態(tài)下的預(yù)期短路電流，其保護(hù)性能應(yīng)該與地面的變電站的短路保護(hù)性能形成良好的配合關(guān)系;②高速斷路器的動作應(yīng)該由牽引控制單元或者過流脫扣裝置觸發(fā)，其控制跳閘的時間應(yīng)該與城軌車輛的斷開速度與輸入濾波器性質(zhì)相吻合;③高速斷路器的最大電流應(yīng)該滿足牽引逆變器輸入端的最大承受力和輸入回路時遭受故障而突然接地的電流;④確保高速斷路器的控制回路時間與系統(tǒng)分?jǐn)嗲€、控制邏輯和分?jǐn)噙壿嬒噙m應(yīng)。

1.2.2輸入濾波器的安全性設(shè)計

在城軌車輛牽引系統(tǒng)的牽引逆變器前配置相應(yīng)的線路濾波器。其中輸入濾波器在應(yīng)用過程中的重要作用是限制車輛牽引逆變器的輸入電流變化率和短路電流變化率。針對輸入濾波器安全設(shè)計的主要內(nèi)容包括：①輸入城軌車輛濾波器的電感量應(yīng)該與城軌車輛電容器的電容量相對應(yīng);②線路濾波器的輸入能力設(shè)計應(yīng)該與高速斷路器的判斷能力保持統(tǒng)一，從而確保城軌車輛的輸入濾波器突然接地時，不會受到其他設(shè)備的影響;③在安裝輸入濾波器時應(yīng)該采取合適的措施，這樣能夠減少磁通密度對城軌車輛內(nèi)部環(huán)境的影響。

1.2.3牽引逆變器的安全設(shè)計

在城軌車輛牽引系統(tǒng)的設(shè)計中，牽引逆變器的設(shè)計具有非常重要的作用，也是產(chǎn)生牽引動力的重要裝置。其中牽引逆變器的安全設(shè)計內(nèi)容主要包括以下幾個方面：①城軌車輛牽引系統(tǒng)逆變器的前級接觸器，主要用在與電網(wǎng)電源的隔離方面。②功率模塊主要采用良好的冷卻方式，并在全運(yùn)用環(huán)境和運(yùn)行條件下進(jìn)行熱校核設(shè)計。③對于城軌車輛牽引控制單元的網(wǎng)絡(luò)連接、關(guān)鍵信號等主要采用冗余設(shè)計，主要用來處理控制板上的電源、電阻、電容、芯片等標(biāo)準(zhǔn)的降額設(shè)計。④為了減少城軌車輛濾波電容器和IGBT等開關(guān)器件的散熱感，同時濾波電容器在安裝的過程中應(yīng)該盡量靠近IGBT，并使用疊片式低感排列。其中，對于城軌車輛牽引控制系統(tǒng)和制動系統(tǒng)的接口安全性設(shè)計主要包括：牽引控制單元主要通過輸入和輸出接口來控制車輛牽引系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，以此實(shí)施車輛全面控制。一般情況下，輸出接口主要分為故障安全型和非故障安全型兩類[2]。

1.2.4牽引電動機(jī)的安全性設(shè)計

在城軌車輛的日常運(yùn)行過程中，牽引電動機(jī)有時會出現(xiàn)超功率運(yùn)行的現(xiàn)象，甚至在制動的時候超功率更大。其中牽引電動機(jī)的安全性設(shè)計主要是指：在城軌車輛運(yùn)行范圍內(nèi)取得較高的牽引力，并在正常工作周期中獲得較高的熱容量，再應(yīng)用充分的余量來實(shí)施超裝載的運(yùn)行。除此之外，還應(yīng)該考慮到的因素有：合理應(yīng)用牽引逆變器輸出的電壓和電流波的影響;在負(fù)荷分配不均勻的情況下牽引電動機(jī)的性能能夠滿足日常運(yùn)行的要求;當(dāng)車輛在運(yùn)行過程中遇到突發(fā)事件時，便可以將輕載轉(zhuǎn)變成為超載，讓牽引電動機(jī)發(fā)生超載運(yùn)行，但牽引逆變器控制必須保持在運(yùn)行的范圍內(nèi)。

1.3故障安全導(dǎo)向設(shè)計

城軌車輛的系統(tǒng)故障根據(jù)是否能夠被檢測出來而分為可測故障和不可測故障。如果故障能夠被檢測出來，便可以根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的防止措施，有效避免由于系統(tǒng)故障產(chǎn)生危險而導(dǎo)致設(shè)備故障擴(kuò)大化;而對于不可測量出的故障便可以使系統(tǒng)給出危險輸出，這樣會給城軌車輛運(yùn)行造成嚴(yán)重的后果，從而產(chǎn)生造成的損失。因此，我們需要實(shí)施故障安全技術(shù)，全面列出各個系統(tǒng)組成部分所造成的故障干擾，然后對其產(chǎn)生的影響進(jìn)行綜合分析。同時，還應(yīng)該采取相應(yīng)的措施及時提出可能出現(xiàn)的故障，并盡最大的力量維持車輛系統(tǒng)的安全性，促使車輛系統(tǒng)始始終朝著安全的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。

2.安全性評估

城軌車輛牽引系統(tǒng)安全性評估主要是指應(yīng)用安全系統(tǒng)工程學(xué)的理論依據(jù)，對系統(tǒng)運(yùn)行存在的危險進(jìn)行綜合分析，確定牽引系統(tǒng)可能發(fā)生危險的幾率，然后再提出相應(yīng)的控制措施，以獲得較高的安全效益。然而，對于城軌車輛的牽引系統(tǒng)來說，主要包括兩個基本的層面，即：設(shè)計硬件方面和軟件控制方面。其中城軌車輛設(shè)備硬件可以通過安全性管理和故障安全分析，實(shí)施安全綜合性評估;對于車輛控制軟件而言，常常采用國際上流行的軟件安全性評估認(rèn)證。

3.結(jié)論

在城軌車輛的運(yùn)行過程中，牽引系統(tǒng)對車輛的安全性起著非常重要的作用。通常情況下城軌車輛牽引系統(tǒng)的安全性、完整性和故障安全性的設(shè)計與可靠性設(shè)計存在著一定的差別?？傊擒壾囕v牽引系統(tǒng)的安全性設(shè)計和評估基本原理對其他系統(tǒng)的安全性研究具有重要的參考價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]張波，陸陽，王志峰，王延哲.城軌列車牽引系統(tǒng)熱容量試驗(yàn)方案研究[J].中國鐵道科學(xué);2013（3）：98-104.

[2]王楠.蘇州軌道交通一號線車輛動力電纜選型分析[J].科技與企業(yè);2014（5）：246-246.