一種全自動(dòng)駕駛列車供電回路遠(yuǎn)程診斷及復(fù)位電路設(shè)計(jì)

劉江濤, 張 寶, 楊 峰, 侯小強(qiáng)

(1 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司， 山東青島 266111;2 北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司, 北京 100068；3 北京市軌道交通運(yùn)營(yíng)管理有限公司， 北京100068)

傳統(tǒng)的軌道列車一般采用斷路器對(duì)各供電回路進(jìn)行防護(hù)，一旦發(fā)生跳閘則需要人工復(fù)位并盯控，以免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。這種事后防護(hù)、人工判斷的方法不僅對(duì)于值守人員的專業(yè)水平有著較高的要求，而且有著很大的局限性：對(duì)于漏電流較小的情況起不到保護(hù)作用；而對(duì)于負(fù)載特性不穩(wěn)定的回路(尤其是啟動(dòng)電流很大、額定電流較小的回路)，斷路器選型不當(dāng)會(huì)造成過(guò)保護(hù)或欠保護(hù)的情況。

近年來(lái)，全自動(dòng)駕駛列車普遍采用復(fù)位機(jī)構(gòu)來(lái)模擬人工復(fù)位斷路器的動(dòng)作，以便在檢測(cè)到斷路器跳閘后能夠嘗試再次投入。此類機(jī)構(gòu)一般應(yīng)用在電站、移動(dòng)基站等交通不便且無(wú)人值守的場(chǎng)所，主要是針對(duì)派人赴現(xiàn)場(chǎng)操作不便的需求而設(shè)計(jì)的，其普遍特點(diǎn)是通過(guò)小電流的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)直接對(duì)斷路器操作桿進(jìn)行復(fù)位(如：電機(jī)旋轉(zhuǎn)、電磁鐵推桿等)，一是動(dòng)作時(shí)工作電流比較大，二是控制脈沖幅值及脈寬均比較小，極易受到干擾，一旦控制脈沖紊亂導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間通電則會(huì)導(dǎo)致過(guò)流發(fā)熱，存在一定的火災(zāi)隱患。

針對(duì)全自動(dòng)駕駛列車的運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種新的供電回路，以每個(gè)車廂為整體設(shè)置電流檢測(cè)回路以及并聯(lián)供電通道，兼顧檢測(cè)、判斷、處理等各項(xiàng)需求。不僅能夠掌握供電回路的電流變化趨勢(shì)，為智能運(yùn)維提供第一手原始數(shù)據(jù)，而且可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)電源進(jìn)行復(fù)位。在確保行車安全的前提下避免偶發(fā)電源故障對(duì)無(wú)人值守列車運(yùn)營(yíng)秩序產(chǎn)生影響。

1 需求分析

全自動(dòng)駕駛列車的運(yùn)營(yíng)模式雖然也是無(wú)人值守，但是與電站、移動(dòng)基站等交通不便場(chǎng)所有著本質(zhì)的區(qū)別，主要有以下3點(diǎn)：

1.1 強(qiáng)大的運(yùn)營(yíng)保障體系

軌道列車的運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)是每天運(yùn)行固定時(shí)間后返回檢修庫(kù)，需要解決的重點(diǎn)及難點(diǎn)是運(yùn)營(yíng)途中盡量避免因列車故障導(dǎo)致線路占用。而列車的檢修維護(hù)、故障處理等工作均可在檢修庫(kù)內(nèi)完成。

全自動(dòng)駕駛列車無(wú)法依靠司機(jī)或機(jī)械師的現(xiàn)場(chǎng)排查來(lái)定位故障點(diǎn)，而且運(yùn)營(yíng)方也不允許長(zhǎng)時(shí)間停車，這就要求列車具備自我診斷及自復(fù)位功能。其中：自我診斷主要是通過(guò)預(yù)判趨勢(shì)來(lái)避免故障的發(fā)生，自復(fù)位功能則主要是指采取臨時(shí)措施令列車能夠繼續(xù)運(yùn)行。

1.2 電磁環(huán)境復(fù)雜

軌道列車采用動(dòng)態(tài)受流方式，并且高低壓設(shè)備均集成在同一車廂，空間輻射、線路串?dāng)_等耦合關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，低壓脈沖式的控制方式極易導(dǎo)致誤觸發(fā)，因此必須選用可靠性高、且失效后不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果的器件控制各供電回路。

供電回路出現(xiàn)短路、接地等極端工況的概率較低，傳統(tǒng)的斷路器防護(hù)模式可最大限度的保護(hù)行車安全。為全自動(dòng)駕駛列車設(shè)置的斷路器遠(yuǎn)程復(fù)位機(jī)構(gòu)一般處于待命狀態(tài)，這就要求此類裝置必須具備強(qiáng)大的抗干擾能力，確保正常情況下可靠關(guān)斷避免誤動(dòng)作、收到指令后馬上動(dòng)作。

1.3 負(fù)載特性多樣

鑒于交流負(fù)載功率較大，且列車設(shè)置了完善的冗余措施，因此此處僅討論低壓直流回路的供電。軌道列車直流負(fù)載主要包括控制主機(jī)、線圈兩大類，其中：前者內(nèi)部的電源模塊多種多樣，部分設(shè)備的啟動(dòng)電流很大；后者主要指繼電器、接觸器等邏輯電路，雖然電流穩(wěn)定且較小，但是相互之間的聯(lián)系比較復(fù)雜，線路連接遍布整列車。

綜上所述，根據(jù)上述特點(diǎn)，針對(duì)低壓直流回路的供電設(shè)計(jì)了電流檢測(cè)及自復(fù)位電路：通過(guò)判斷正線與負(fù)線之間的電流差值、電流變化趨勢(shì)判斷當(dāng)前回路是否存在異常；一旦發(fā)生斷路器跳閘，在初步判斷的基礎(chǔ)上通過(guò)并聯(lián)供電維持列車運(yùn)行，直到入庫(kù)后交由人工處理。

2 電路設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)電路的主要目的是避免過(guò)流導(dǎo)致火災(zāi)隱患，針對(duì)線圈、電源模塊等不同負(fù)載，從電流檢測(cè)、電源復(fù)位兩方面分別制定了設(shè)計(jì)方案。從故障概率以及失效模式等方面考慮，檢測(cè)回路主要用來(lái)判斷供電回路中開(kāi)關(guān)、觸點(diǎn)、線圈、電纜等部位是否存在破損、絕緣不良等異常，而電源復(fù)位電路則主要是因偶發(fā)因素導(dǎo)致控制主機(jī)電源跳閘后嘗試再投入。

2.1 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)方案

司機(jī)室及客室配電柜內(nèi)集中放置了各直流負(fù)載的斷路器，考慮到安裝空間、安裝方式、檢測(cè)精度等一系列因素，每個(gè)配電柜配置兩個(gè)電流傳感器即可，分別檢測(cè)所有回路的正、負(fù)極電流，圖1所示為電流檢測(cè)回路原理圖。

圖1 檢測(cè)回路原理圖

CT1采集正線總電流、CT2采集負(fù)線總電流，當(dāng)TCMS檢測(cè)到二者差值較大、或者波動(dòng)較大時(shí)，及時(shí)報(bào)警提醒人工處理。庫(kù)內(nèi)排查時(shí)，通過(guò)逐一合分?jǐn)嗦菲骷纯煽焖俣ㄎ还收匣芈贰?/p>

2.2 復(fù)位電路設(shè)計(jì)方案

考慮到斷路器跳閘屬于低概率事件，而且一旦發(fā)生應(yīng)立刻回庫(kù)處理，因此電源復(fù)位電路設(shè)計(jì)僅考慮短時(shí)供電工況(即：不超過(guò)24 h)。圖2所示為電源遠(yuǎn)程復(fù)位電路原理圖。

圖2 復(fù)位電路原理圖

正常情況下電源復(fù)位接觸器處于斷開(kāi)狀態(tài)，確保復(fù)位電路與各負(fù)載供電回路可靠隔離。當(dāng)某個(gè)斷路器跳閘時(shí)，由TCMS驅(qū)動(dòng)接觸器閉合，復(fù)位電路電源斷路器經(jīng)穩(wěn)壓二極管代替原斷路器向負(fù)載供電。除跳閘回路的穩(wěn)壓二極管兩端存在電壓差能夠?qū)ㄍ?，其他正?；芈啡杂稍瓟嗦菲鞴╇?，避免了電源并?lián)帶來(lái)的隱患，并且能夠令列車維持運(yùn)行至回庫(kù)檢修。

另外，由于控制主機(jī)類負(fù)載由軟件實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，存在一定的斷電重啟需求，因此在斷路器上附加一個(gè)跳閘勵(lì)磁線圈，結(jié)合復(fù)位電路即可實(shí)現(xiàn)電源級(jí)重啟，避免通信中斷或者指令紊亂導(dǎo)致的功能失效，從而提高列車可用性。

3 仿真示例

對(duì)上述方案的漏電檢測(cè)、電源復(fù)位電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。圖3所示為simulink仿真框圖。

圖3中CB1、R1、GR組成了漏電流檢測(cè)回路，通過(guò)判斷正極電流(I_P)與負(fù)極電流(I_N)之間的差值來(lái)判斷是否存在漏電流(即：GR模擬電纜破損或回路中觸點(diǎn)接地)。仿真結(jié)果如圖4所示。

仿真結(jié)果表明，正極電流3.47 A(圖4中虛線)，負(fù)極單流3.25 A(圖4中點(diǎn)畫(huà)線),存在0.22 A的電流差，即設(shè)計(jì)的電路檢測(cè)到電路中存在漏電流。

圖3 漏電檢測(cè)及電源復(fù)位仿真框圖

圖4 漏電流檢測(cè)電路仿真結(jié)果

圖3中CB2、R2組成故障回路，CB3、R3組成正常供電回路，與Diode2和Diode1分別組成兩個(gè)復(fù)位電路，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5自上而下4條曲線分別表示：CB3電流、CB2電流、二極管1電流、二極管2電流。仿真結(jié)果表明，CB2電流為零(圖5中虛線)，穩(wěn)壓二極管2電流1.05 A(圖5中點(diǎn)畫(huà)線)，即CB2、R2組成的回路中，R2由導(dǎo)通的Diode2(壓降設(shè)k置為5 V)供電；CB3電流1.1 A(圖5中實(shí)線)，穩(wěn)壓二極管1電流為零(圖5中點(diǎn)線)，即穩(wěn)壓二極管Diode1因兩端電壓相同而不導(dǎo)通，流經(jīng)R3的電流全部由CB3驅(qū)動(dòng)。

圖5 電源復(fù)位電路仿真結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

為了適應(yīng)全自動(dòng)無(wú)人駕駛等軌道交通智能化運(yùn)營(yíng)模式的飛速發(fā)展，軌道車輛各系統(tǒng)必須具備自檢測(cè)、自控制等功能，如何保證車輛狀態(tài)的快速、準(zhǔn)確判斷是其中的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。文中提出的漏電流檢測(cè)及電源復(fù)位電路，可用于車輛狀態(tài)檢測(cè)及特定回路的電源復(fù)位，不僅能夠提高狀態(tài)檢測(cè)的可靠性以及列車可用性，而且能夠提前診斷實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維。在提升運(yùn)營(yíng)效率，降低故障率方面均能產(chǎn)生良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。