地鐵車輛高壓母線短路風(fēng)險分析與改進(jìn)

張紅江，李翔宇，龐明瀟，藍(lán) 天

（青島地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司，山東青島 266000）

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷演進(jìn)，城市人口越來越多，各大城市都在積極建設(shè)軌道交通來解決交通擁擠問題[1]，可靠性高、安全性好的地鐵車輛成為越來越多市民出行的首選。地鐵車輛高壓供電回路系統(tǒng)為車輛空調(diào)、照明、車輛控制等提供電能，是車輛至關(guān)重要的一部分[2]。通過對青島地鐵2 號線車輛高壓輔助母線接觸器動作邏輯進(jìn)行研究，分析車輛輔助貫穿線安全隱患，并從駕駛屏報警、軟件保護(hù)、硬線互鎖3 個方向提出解決方案，并對比論證合理性，最終確定駕駛屏報警+硬線聯(lián)鎖的改造方案。

1 原設(shè)計電路短路風(fēng)險分析

青島地鐵2 號線車輛為6 編組（4 動2 拖）B 型車，最高運(yùn)行速度80 km/h，采用第三軌供電，輔助母線實現(xiàn)全列車貫穿，主要設(shè)計目的是當(dāng)本單元受流器無法給輔助逆變器供電時，另一單元受流器可以通過輔助母線為本單元輔助逆變器供電。青島地鐵2 號線高壓電氣箱設(shè)有受流器、車間電源、接地3 種連接方式。其中，受流器位用于車輛從第三軌取電，車間電源用于雙周、三月檢庫車輛靜調(diào)取電，接地位用于車輛無電維修，保證作業(yè)人員、設(shè)備安全。

輔助母線上設(shè)有輔助母線接觸器，車輛高壓輔助母線電路原理如圖1 所示，母線貫穿整列車輛編組，連接Tc 車輔助高壓箱，實現(xiàn)列車首尾兩端輔助逆變器高壓電氣連接，為車間電源供電、一端受流器進(jìn)入斷電區(qū)時的電能供給提供保障。在審查電氣原理圖時發(fā)現(xiàn)接地隔離開關(guān)未設(shè)置兩單元主隔離開關(guān)不在同一位置的互鎖邏輯。當(dāng)列車一端主隔離開關(guān)為受流器位，另一端為接地位時，輔助逆變器啟動可能導(dǎo)致高壓側(cè)通過輔助母線對地（另一端）放電，造成受流器熔斷器燒損和地面高壓供電過流跳閘等問題。

圖1 車輛高壓輔助母線電路原理

2 解決方案研究

考慮車輛檢修作業(yè)過程中操作高壓電氣箱主隔離開關(guān)較為頻繁，單從管理上無法完全規(guī)避電路安全風(fēng)險，為保證車輛輔助逆變器供電可靠，避免因車輛兩端隔離接地開關(guān)位置不同導(dǎo)致設(shè)備損傷，分別從駕駛屏報警+軟件保護(hù)、駕駛屏報警+硬線互鎖兩種途徑開展設(shè)計改造工作。

2.1 駕駛屏報警

列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)具備檢測主隔離開關(guān)受流器、車間電源、接地狀態(tài)的能力，車輛上電后，列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)一旦監(jiān)測到兩端主隔離開關(guān)不在同一位置時，立即在司機(jī)室駕駛屏電源模式處以紅色閃爍報警方式進(jìn)行顯示，顯示邏輯見表1，共10 種顯示方式，除4 種兩端顯示一致的情況，其他電源模式均紅色報警提醒。

表1 司機(jī)室駕駛屏報警顯示邏輯

在駕駛屏顯示界面進(jìn)行報警提示（圖2），對維修人員、駕駛?cè)藛T僅起到提示作用，若操作人員未察覺駕駛屏提示信息，車輛上電后，仍存在對地放電導(dǎo)致人身傷害和設(shè)備損壞的風(fēng)險，不能從根本上杜絕隱患，不能有效避免隔離接地開關(guān)未進(jìn)行位置確認(rèn)時人為啟動SIV 時導(dǎo)致的串電問題，需要增加更可靠、更穩(wěn)定的保護(hù)方式。

圖2 司機(jī)室駕駛屏報警顯示

2.2 軟件保護(hù)方案

在駕駛屏報警功能的基礎(chǔ)之上，增加列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測功能，通過檢測隔離接地開關(guān)級聯(lián)觸點電路狀態(tài)，判斷三位置隔離開關(guān)位置，輔助高壓箱隔離接地開關(guān)電氣原理如圖3所示，當(dāng)檢測到受流器位、車間位、接地位對應(yīng)位置觸點為高電平時，主隔離開關(guān)位置與之對應(yīng)，列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)判定為高電平位置。

圖3 隔離接地開關(guān)電氣原理

當(dāng)列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)檢測一端為接地位、另一端為受流器位時，一方面兩端司機(jī)室駕駛屏進(jìn)行報警提示，另一方面，列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)從軟件層面，禁止啟動接地端輔助逆變器（SIV），使得接地端SIV 充電接觸器無法得電閉合，車輛輔助母線無法貫通，避免車輛對地放電。列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)軟件保護(hù)邏輯見表2，只有在兩端僅為相同位置或應(yīng)急運(yùn)行模式下，方可允許輔助逆變器啟動。

表2 列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)軟件保護(hù)邏輯

該方案在SIV 未啟動前提示司機(jī)車輛隔離接地開關(guān)狀態(tài)不一致，同時SIV 保持不啟動，充放電接觸器不會閉合。軟件保護(hù)邏輯雖然可以通過禁止啟動SIV，避免隔離接地開關(guān)不在同一位置發(fā)生串電風(fēng)險，但可能會增加部分故障的故障等級，如網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通信故障、I/O模塊故障、誤檢測接地位后禁止啟動本端SIV 或軟件，造成列車下線，增加正線列車應(yīng)急運(yùn)行和救援的概率，另外相較于硬線保護(hù)，軟件保護(hù)穩(wěn)定性、可靠性較差。

2.3 硬線聯(lián)鎖保護(hù)方案

在駕駛屏報警的基礎(chǔ)上，增加接地位狀態(tài)監(jiān)測信息發(fā)送至輔助高壓箱控制單元，通過硬線互鎖，控制輔助母線的接觸器開斷，徹底避免輔助母線一端接地導(dǎo)致車輛對地放電的風(fēng)險。

青島地鐵2 號線車輛隔離接地開關(guān)判定邏輯如圖4 所示。TCMS 輸入輸出模塊I/O 口分別用1～5 點表示，列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)位置判定邏輯為：1、2 點接通，1、5點接通，其他點不接通，判定為受流器位；3、4 點接通，1、5 路接通，其他點不通，判定為車間位；各點均不接通，判定為接地位。

圖4 隔離接地開關(guān)判定電路

原電路硬線設(shè)計如圖5 所示，列車上電后，在無隔離接地開關(guān)操作授權(quán)的情況下，BLB 繼電器線圈得電，對應(yīng)端輔助母線接觸器閉合，列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視端口輸入高電平，判定本端輔助母線接觸器已閉合。該電路無法確認(rèn)隔離接地開關(guān)是否在接地位，無法規(guī)避輔助母線接觸器閉合、輔助列車線連通后導(dǎo)致的對地放電問題。

圖5 改造前母線接觸器控制電路原理

改造后的電路原理如圖6 所示，在司機(jī)室駕駛界面報警提示的前提下，TCMS 檢測到非接地位置時，接地位端口輸出高電平，使輔助母線接觸器得電，而當(dāng)TCMS 檢測到接地位置時，接地位端口輸出低電平，從而控制輔助母線接觸器失電，從而通過硬線聯(lián)鎖避免了輔助母線一端接地放電的風(fēng)險。

圖6 改造后母線接觸器控制電路原理

該改造方案額外增加控制線及修改接線，增加數(shù)據(jù)接入點，一定程度上可能會因點的增加導(dǎo)致故障風(fēng)險增加，但相較于軟件控制，硬線互鎖具備更穩(wěn)定的工作性能和更小的故障影響，可以避免車輛隔離接地開關(guān)每月上百次操作產(chǎn)生的安全風(fēng)險。

3 結(jié)束語

通過對青島地鐵2 號線車輛高壓輔助母線貫穿電路原理分析，論證當(dāng)前電路設(shè)計存在的短路風(fēng)險，提出在駕駛界面報警提示+TCMS 控制和在駕駛界面報警提示+硬線連鎖兩種解決方案，通過比較確定采用更為安全可靠的在駕駛界面報警提示+硬線連鎖解決方案，有效避免生產(chǎn)過程中設(shè)計缺陷對人員、設(shè)備帶來的安全風(fēng)險，提高車輛運(yùn)行可靠性，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。