地鐵車輛空氣壓縮機轉(zhuǎn)換供電電路設計方案改進胡亞軍

(中車浦鎮(zhèn)龐巴迪運輸系統(tǒng)有限公司,210031,南京∥工程師)

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地鐵車輛空氣壓縮機轉(zhuǎn)換供電電路設計方案改進胡亞軍

(中車浦鎮(zhèn)龐巴迪運輸系統(tǒng)有限公司,210031,南京∥工程師)

結(jié)合實際地鐵項目,對空氣壓縮機的轉(zhuǎn)換供電控制電路進行了介紹,針對原型電路存在的安全隱患,提出了3個改進方案。對各改進方案的電路及控制邏輯做了分析和比較,最終確定了遠程輸入輸出模塊(RIOM)常閉型觸點串聯(lián)冗余改進方案為最為安全、可靠的空壓機轉(zhuǎn)換供電電路方案。

地鐵; 空氣壓縮機; 轉(zhuǎn)換供電; 故障分析

Author′s address CRRC Puzhen Bombardier Transportation Systems Limited,210031,Nanjing,China

空氣壓縮機(以下簡為“空壓機”)作為地鐵車輛的一項關鍵系統(tǒng)部件,是空氣制動、受電弓等設備唯一的壓縮空氣來源。目前，空壓機大多采用AC 380 V中壓交流供電。一般情況下整列列車共配置2臺空壓機,根據(jù)具體項目列車交流供電方案的不同,空壓機的供電方式也不盡相同。如全車僅有1條中壓交流供電母線,則空壓機均接入該母線;如全車有2條或以上中壓交流供電母線,則空壓機接入不同母線。本文從南京地鐵1號線南延線、南京地鐵10號線、蘇州地鐵2號線、南京地鐵1號線增購等地鐵項目出發(fā),分析了空壓機轉(zhuǎn)換供電控制原型電路及改進電路的不同形式,探討了每種電路和控制邏輯的主要特點,并確定了最為安全、可靠的電路方案。

1 空壓機供電方案

在南京地鐵1號線南延段、南京地鐵10號線、蘇州地鐵2號線、南京地鐵1號線增購車輛項目中,列車編組形式為TC-MP-M-M-MP-TC(TC為帶司機室的拖車,MP為帶受電弓的動車,M為不帶受電弓的動車)。全車中壓交流供電采用交叉供電方式,每輛TC車配置1臺輔助逆變器(SIV),每臺輔助逆變器輸出1路AC 380 V三相交流母線。全車總共通過2路獨立的三相交流母線向整車所有交流負載供電,且全車的交流負載均勻地分布在兩路中壓交流母線上,并實現(xiàn)重要交流負載的轉(zhuǎn)換供電,如空壓機(每輛Tc車各1臺)。列車交流供電原理如圖1所示。圖1中僅畫出空壓機的供電,省略了車輛上其它交流負載。

在圖1的電路中,當本端輔助逆變器交流輸出正常且其交流供電母線無短路異常時,CSK1(轉(zhuǎn)換供電接觸器1)觸點閉合,本端空壓機由本端輔助逆變器供電;當本端輔助逆變器交流輸出故障或其交流供電母線發(fā)生短路異常時,CSK2(轉(zhuǎn)換供電接觸器2)觸點閉合,本端空壓機改由遠端輔助逆變器供電,實現(xiàn)空壓機的轉(zhuǎn)換供電。對于該電路而言,對空壓機轉(zhuǎn)換供電的控制最終又落在了對CSK1和CSK2這兩個接觸器的控制上面。下面將對轉(zhuǎn)換供電的控制電路原型及各改進電路進行逐一分析。

2 空壓機轉(zhuǎn)換供電控制電路原型

在空壓機轉(zhuǎn)換供電控制電路設計之初,使用了圖2所示的空壓轉(zhuǎn)換供電電路方案。該電路中,當本端SIV檢測到交流輸出正常時端口X2輸出信號使得CSR(轉(zhuǎn)換供電繼電器)激活,從而控制CSK1激活、CSK2失電,因而本端空壓機由本端輔助逆變器供電。當本端SIV檢測到交流輸出故障時,SIV輔助逆變器端口X2無信號輸出,CSR失電。從而控制CSK1失電、CSK2激活,因而本端空壓機改由遠端輔助逆變器供電,最終實現(xiàn)空壓機的轉(zhuǎn)換供電控制(見圖1)。在本方案中,CSK1和CSK2之間存在一種電氣互鎖關系；為增強安全性和可靠性,CSK1和CSK2之間同時設置了機械互鎖裝置,以保證CSK1和CSK2在任何時刻均不會同時激活。

圖2 空壓機轉(zhuǎn)換供電電路原型

該電路原型曾經(jīng)在南京地鐵1號線南延段、蘇州地鐵2號線等項目中采用,但在列車實際運營過程中發(fā)現(xiàn)嚴重的安全隱患。如果當本端空壓機內(nèi)部發(fā)生供電短路故障時,本端SIV一旦檢測到交流輸出故障則采取保護措施,切斷本端交流母線的輸出；同時電路中SIV端口X2無信號輸出,使得CSK1失電，CSK2激活。于是本端存在短路故障的空壓機轉(zhuǎn)換為由遠端SIV供電,從而空壓機短路故障轉(zhuǎn)移到遠端交流母線；遠端SIV同樣檢測到交流輸出故障后采取保護措施,切斷遠端交流母線的輸出。因此，造成全車的交流供電母線癱瘓。如果該故障在正線運營時發(fā)生,則會導致清客或列車救援。

為了解決這一問題,對空壓機轉(zhuǎn)換供電原型電路進行了一系列的改進。

3 空壓機轉(zhuǎn)換供電控制電路改進

通過對原型電路的分析,需要將TCMS(列車控制與管理系統(tǒng))引入到空壓機轉(zhuǎn)換供電控制電路。TCMS既能夠通過列車通信網(wǎng)絡與SIV等各車載設備傳輸數(shù)據(jù),又能夠通過RIOM(遠程輸入/輸出模塊)設備的I/O(輸入/輸出)接口與硬線電路之間傳遞信號。據(jù)此,設計出幾種改進電路方案。

3.1 方案一

方案一為RIOM常開型觸點并聯(lián)冗余方案(見圖3)。該方案在圖2原型電路的基礎上增加1條與SIV的X1、X2端口所在支路1并聯(lián)的支路2。支路2由RIOM1和RIOM2常開型觸點并聯(lián)后,再與CSR常開觸點23、24串聯(lián)組成。RIOM 設備內(nèi)部為單刀雙擲觸點(COM為公共端,NC為常閉觸點,NO為常開觸點),TCMS通過控制 RIOM 內(nèi)部觸點的動作控制與外部電路的接通與斷開。方案一中TCMS的控制邏輯如圖4所示。

圖3 空壓機轉(zhuǎn)換供電改進電路方案一

圖4 方案一轉(zhuǎn)換供電TCMS控制邏輯

該控制邏輯中,當且僅當SIV檢測到交流供電母線發(fā)生短路故障時,SIV向TCMS發(fā)出禁止轉(zhuǎn)換供電信號。如圖3所示,當TCMS判斷認為應禁止轉(zhuǎn)換供電時,控制RIOM1和RIOM2觸點動作(即COM端和NO端接通)。由于SIV在檢測到交流供電母線短路故障之前,X2端口一直有輸出,從而使得繼電器CSR激活,則與RIOM串聯(lián)的CSR常開觸點<23、24>接通；因此,即使本端SIV檢測到交流供電母線發(fā)生短路，從而導致支路1斷開,支路2也仍然處于導通狀態(tài),則CSR保持在激活狀態(tài)不會失電,CSK1保持激活狀態(tài),CSK2保持失電狀態(tài),本端空壓機供電不會轉(zhuǎn)換為由遠端SIV供電。如果本端空壓機發(fā)生供電短路故障,該故障不會轉(zhuǎn)移至遠端SIV的交流供電母線,則不會造成全車的交流供電母線癱瘓,從而避免了原型電路存在的安全隱患。

為了實現(xiàn)冗余控制,改進方案一中采用了RIOM1和RIOM2的常開觸點并聯(lián)形式。即使其中1個RIOM故障,與之并聯(lián)的另外1個RIOM也仍然能夠工作,對轉(zhuǎn)換供電的控制不會造成影響。最極端的情況是2個RIOM均故障。此時，支路2斷開,TCMS不會禁止空壓機轉(zhuǎn)換供電。這在一定程度上保證了空壓機的可用性。從理論上來講,2個RIOM均已故障的情況下，如果空壓機再發(fā)生短路故障,則空壓機短路故障會轉(zhuǎn)移至遠端交流供電母線。但這種情況已屬于多重故障,屬于小概率事件,實際上幾乎不可能發(fā)生。

圖3中,支路2使用了CSR常開觸點23、24與RIOM串聯(lián)。CSR常開觸點的意義是,只有當支路1導通使得繼電器CSR激活時,此處TCMS的轉(zhuǎn)換供電控制功能才能夠發(fā)揮作用。當SIV正常工作時,繼電器CSR始終保持激活狀態(tài),CSR常開觸點23、24閉合;當SIV無法提供交流電時支路1斷開,由TCMS根據(jù)SIV無法提供交流電的原因判斷是否需要進行空壓機轉(zhuǎn)換供電,從而進行相應的控制。

該改進電路及控制方案已在南京地鐵1號線南延線電路整改時采用,并在南京地鐵10號線項目中采用。

3.2 方案二

方案二為RIOM常閉型觸點串聯(lián)冗余方案。將方案一電路中支路2的RIOM1和RIOM2常開觸點并聯(lián)方式改為RIOM1和RIOM2常閉觸點串聯(lián)方式,電路其它部分不變。該方案電路如圖5所示。方案二中TCMS的控制邏輯如圖6所示。

3.3 方案一與方案二比較

比較圖4和圖6后可以看出,方案一和方案二中轉(zhuǎn)換供電TCMS控制邏輯的區(qū)別如下:

(1) 方案一中，RIOM觸點動作時電路接通,表示TCMS禁止轉(zhuǎn)換供電;RIOM觸點不動作時電路斷開,表示TCMS允許轉(zhuǎn)換供電。

(2) 方案二中，RIOM觸點動作時電路斷開,表示TCMS允許轉(zhuǎn)換供電;RIOM觸點不動作時電路接通,表示TCMS禁止轉(zhuǎn)換供電。

圖5 空壓機轉(zhuǎn)換供電改進電路方案二

圖6 方案二的轉(zhuǎn)換供電TCMS控制邏輯

由此可見,因為RIOM觸點動作邏輯是由電路形式?jīng)Q定的。因此，雖然2種方案中RIOM觸點動作邏輯相反,但電路的控制邏輯卻一致(電路接通表示TCMS禁止轉(zhuǎn)換供電,斷開表示TCMS允許轉(zhuǎn)換供電)。方案二電路與方案一電路的主要區(qū)別見表1。

從表1可以看出,方案一電路和方案二電路最本質(zhì)的區(qū)別在于兩個RIOM均故障情況時的控制差異。當兩個RIOM均故障、并且空壓機再發(fā)生短路故障時,方案一中TCMS允許轉(zhuǎn)換供電,則空壓機短路故障會轉(zhuǎn)移至遠端交流供電母線,屬于多重故障,其發(fā)生概率極低;方案二中TCMS禁止轉(zhuǎn)換供電,則空壓機短路故障不會轉(zhuǎn)移至遠端交流供電母線。因此,方案二具有更高的安全性和可靠性,最大限度地降低了原型電路中存在的列車安全隱患。

還存在另外一個問題。由于2個TC車SIV每次上電啟動的先后順序不盡相同,如果本端SIV晚于遠端SIV完成啟動,則方案二中遠端SIV的X2端口比本端SIV更早輸出,使得遠端CSR比本端CSR更先激活,于是造成兩端SIV啟動時間差內(nèi)這段時間的本端CSK1失電、CSK2激活,本端空壓機由遠端SIV的交流母線供電;當本端SIV啟動后X2端口輸出使得本端CSK1激活、CSK2失電,本端空壓機重新恢復由本端SIV的交流母線供電。因此,兩端SIV啟動過程中CSK1和CSK2都存在一次瞬間的通-斷跳變過程。由于SIV每次啟動時CSK1和CSK2均存在一次瞬間跳變的風險,從長遠來說這會對接觸器的使用壽命產(chǎn)生一定的影響。為了解決這一問題,我們對方案二電路進行改動,取消方案二支路2中的CSR常開觸點23、24,得到方案三。

3.4 方案三及方案比較

方案三電路如圖7所示。可見，方案三取消了方案二電路里面支路2中的CSR常開觸點23、24,同時在轉(zhuǎn)換供電TCMS控制邏輯中增加了“當SIV在啟動過程中時,TCMS禁止轉(zhuǎn)換供電”這一邏輯。因此，在SIV啟動過程中,本端CSR激活、CSK1激活、CSK2失電,本端空壓機由本端SIV的交流母線供電,從而成功避免了方案二中CSK1和CSK2瞬間跳變的風險。

圖7 空壓機轉(zhuǎn)換供電改進電路方案三

綜上所述,方案三既避免了原型電路存在的空壓機短路引起全車交流供電母線癱瘓的安全隱患,又解決了接觸器CSK1和CSK2瞬間跳變的問題,并且最大限度地保證了列車交流供電母線的安全性和可靠性,其方案優(yōu)勢最為明顯。目前方案三已經(jīng)在南京地鐵1號線增購項目中采用。

最后,將RIOM常開型觸點并聯(lián)冗余方案(方案一)、RIOM常閉型觸點串聯(lián)冗余方案(方案二和方案三)的主要技術(shù)特性進行對比,對比結(jié)果如表2所示。

4 結(jié)語

空壓機作為地鐵車輛的關鍵系統(tǒng)部件,對列車運行及行車安全來說意義極其重大,本文結(jié)合多個地鐵項目空壓機轉(zhuǎn)換供電設計電路,并結(jié)合列車運營時出現(xiàn)的實際問題,指出了原型電路設計存在的空壓機短路引起全車交流供電母線癱瘓這一安全隱患,并提出一系列改進電路方案,對每種改進電路方案及其TCMS控制邏輯做了分析和對比,并最終確定了一種綜合優(yōu)勢最為明顯,最為安全、可靠的空壓機轉(zhuǎn)換供電電路方案,將其成功運用于實際項目。

表2 方案三與方案一、方案二比較

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更正

《城市軌道交通研究》2016年第8期《城市軌道交通與鐵路直通運營模式下站臺客流組織》一文第一作者李明高的工作單位，更正為“北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司交通研究中心”。

Improvement of Air Compressor Converting Power Supply Circuit on Metro VehicleHU Yajun

Based on actual metro projects, the converting power supply circuit of air compressor is introduced. According to the hidden problems existed in the prototype circuit, 3 improved solutions are put forward, their circuits and control logics are analyzed and compared. In the end, the most reliable and safe solution that adopts the air compressor converting power supply circuit is confirmed.

metro; air compressor; converting power supply; fault analysis

TH 45

10.16037/j.1007-869x.2016.09.028

2014-11-28)