尤維秀 劉玉文
(1.南車四方車輛公司,266111,青島;2.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,266111,青島∥第一作者,工程師)
對(duì)于地鐵列車,可靠性和可用性是兩個(gè)非常重要的指標(biāo)。為了滿足車輛的這些指標(biāo)要求,在提高列車各系統(tǒng)絕對(duì)可靠性的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)上采取一些冗余設(shè)計(jì)也是提高車輛整體可靠性和可用性的重要措施。在北京地鐵4號(hào)線地鐵車輛電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,就充分體現(xiàn)了這個(gè)理念。
北京地鐵4號(hào)線每列車由6節(jié)車編組而成:+Tc1-M1-M3-T3-M2-Tc2+(+表示半自動(dòng)車鉤,-表示半永久棒式車鉤,M1、M2、M3為無(wú)司機(jī)室的動(dòng)車,T3為無(wú)司機(jī)室的拖車;Tc1、Tc2為帶司機(jī)室的拖車)。
從列車編組可以看出,列車由3個(gè)基本相同的小單元組成:(Tc1-M1),(M3-T3),(M2-Tc2)。這3個(gè)小單元分別為一動(dòng)一拖配置。
列車電氣系統(tǒng)主要由牽引系統(tǒng)、控制部分和輔助供電系統(tǒng)等幾大系統(tǒng)構(gòu)成。這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,均采取了不同方式的冗余設(shè)計(jì)。
牽引力的冗余設(shè)計(jì)是北京地鐵4號(hào)線車輛的最大特色。
2.1.1 正常的牽引力冗余
全列車共有3個(gè)動(dòng)車,其動(dòng)力冗余較大(見(jiàn)圖1列車牽引力曲線)。該列車的牽引力除讓列車具備基本牽引性能外,還具有以下冗余能力:
圖1 列車牽引力曲線
(1)6輛編組列車在超員狀態(tài)下,當(dāng)損失1/3動(dòng)力時(shí),列車仍然可以在30‰的坡道上起動(dòng),并能以正常運(yùn)行方式完成一次單程運(yùn)行;
(2)6輛編組列車在空車狀態(tài)下,當(dāng)損失1/3動(dòng)力時(shí),列車仍然可以在34.37‰的坡道上起動(dòng),并返回車輛基地;
(3)一列6輛編組的空車能將另一列停在30‰坡道上的6輛編組超員故障列車移至最近的車站(上坡);
(4)一列6輛編組的空車能將另一列停在34.37‰坡道上的6輛編組故障空車救援到車輛基地(上坡)。
這樣的動(dòng)力冗余性能,大大提高了列車的可用性和可靠性指標(biāo),即:一個(gè)動(dòng)車故障的情況下,不影響列車的運(yùn)營(yíng)。
2.1.2 蓄電池牽引能力
蓄電池牽引運(yùn)行模式是北京地鐵4號(hào)線列車的另一個(gè)顯著特點(diǎn)。列車正常運(yùn)行時(shí),是由第三軌外部電源供電牽引運(yùn)行的。當(dāng)外部電源由于某種原因不能供電時(shí),其他線路的列車就需要救援,但4號(hào)線地鐵車輛可轉(zhuǎn)換到蓄電池供電牽引模式,實(shí)現(xiàn)短時(shí)牽引。所以北京地鐵4號(hào)線列車可以減少車輛被救援的概率,提高了車輛的可用性。另外,在車輛段沒(méi)有三軌電源供電的情況下,列車可通過(guò)采用蓄電池牽引模式,實(shí)現(xiàn)段內(nèi)列車的移動(dòng),從而減少了車輛段調(diào)車用機(jī)車的數(shù)量。存車庫(kù)內(nèi)可以不設(shè)三軌,進(jìn)一步保證了維護(hù)人員和司乘人員的安全。
通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,蓄電池牽引工況下,列車可運(yùn)行2km以上。蓄電池牽引試驗(yàn)分空載(AW0)和超載(AW3)兩種工況進(jìn)行:
(1)空載試驗(yàn)(AW0)在南車四方試驗(yàn)線進(jìn)行,列車靜止工況下,將列車牽引模式轉(zhuǎn)換為蓄電池牽引模式后,啟動(dòng)列車前進(jìn),列車以蓄電池牽引模式運(yùn)行2km。
(2)超載(AW3)工況在業(yè)主線路正線進(jìn)行,列車裝載AW3負(fù)載,靜止工況時(shí)將牽引模式轉(zhuǎn)換為蓄電池牽引模式后,啟動(dòng)列車前進(jìn),列車以蓄電池牽引模式運(yùn)行一個(gè)區(qū)間(大于2km)。
列車蓄電池牽引模式實(shí)現(xiàn)原理如下:動(dòng)車的牽引逆變器由兩路供電:列車正常供電由受流器從線路上的三軌獲得后經(jīng)高速斷路器后送到牽引逆變器,另一路供電來(lái)自列車的蓄電池組。兩路供電由列車網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)現(xiàn)互鎖,每種牽引工況下只允許有一路電送到牽引逆變器。司機(jī)操縱臺(tái)上設(shè)有一個(gè)列車牽引模式選擇開(kāi)關(guān),在列車靜止工況下,司機(jī)可以通過(guò)這個(gè)牽引模式選擇開(kāi)關(guān)選擇采用正常牽引模式還是蓄電池牽引模式。
蓄電池牽引模式實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵有兩個(gè):一是牽引逆變器具有低壓逆變牽引控制能力;二是蓄電池具有足夠的供電容量。
控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)包括網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)本身的冗余和硬線控制的冗余兩個(gè)方面的內(nèi)容。
2.2.1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)
北京地鐵4號(hào)線地鐵車輛列車采用的Mitrac?TCMS(列車控制和管理系統(tǒng))優(yōu)于一般列車采用的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。Mitrac?TCMS系統(tǒng)及其部件無(wú)論是硬件本身還是軟件功能都具有高的可靠性和耐用性。在此基礎(chǔ)上,列車設(shè)計(jì)增加了冗余考慮。見(jiàn)圖2網(wǎng)絡(luò)冗余拓?fù)鋱D。
參見(jiàn)本文“列車編組形式”一節(jié)中的相關(guān)描述,4號(hào)線地鐵列車由3個(gè)小單元構(gòu)成,列車級(jí)的MVB(多功能車輛總線)網(wǎng)絡(luò)中,每個(gè)小單元設(shè)有網(wǎng)絡(luò)主控制單元(VCU)。VCU按備份設(shè)置,即網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)主節(jié)點(diǎn)上,均布置有兩個(gè)VCU控制器。正常情況時(shí),其中一個(gè)VCU擔(dān)任主機(jī)功能,另一個(gè)處于熱備狀態(tài)(僅接受數(shù)據(jù)不參與控制);當(dāng)擔(dān)任主機(jī)功能的VCU控制器發(fā)生故障時(shí),另一個(gè)處于熱備狀態(tài)的VCU接受到主機(jī)故障信息后立即接管主機(jī)功能,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的不間斷控制。網(wǎng)絡(luò)主控制器熱備的冗余設(shè)計(jì),大大提高了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的可用性和可靠性指標(biāo)。
列車信息存儲(chǔ)的冗余。TCMS系統(tǒng)中集成了列車診斷系統(tǒng)。每單元的網(wǎng)絡(luò)主控制單元VCU檢測(cè)、存儲(chǔ)車輛狀態(tài)信息和車輛的故障、事件等信息,故障信息可即時(shí)顯示在司機(jī)臺(tái)的顯示器上,并可指導(dǎo)司機(jī)采取適當(dāng)?shù)拇胧A熊囋贛3車上增設(shè)了2個(gè)數(shù)據(jù)記錄器,同步記錄列車行車信息。冗余的信息存儲(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)一步保證了行車數(shù)據(jù)的安全。行車數(shù)據(jù)可以被下載下來(lái)即時(shí)分析或長(zhǎng)期存儲(chǔ)在服務(wù)系統(tǒng)中供研究之用。
2.2.2 硬線控制的冗余
列車的牽引及制動(dòng)指令,是列車控制系統(tǒng)中最重要的數(shù)據(jù)之一。為確保列車的可用性,這兩個(gè)數(shù)據(jù)除通過(guò)MVB網(wǎng)絡(luò)傳輸之外,在列車控制電路中,還設(shè)計(jì)了牽引和制動(dòng)指令的硬線傳輸模式。即通過(guò)電流環(huán)傳輸模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,作為備份傳輸通路。當(dāng)激活端司機(jī)室(司機(jī)發(fā)出指令的司機(jī)室)中的兩個(gè)VCU均發(fā)生故障的情況下,司機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換到備用工作模式(硬線控制模式),通過(guò)電流環(huán)可以把牽引、制動(dòng)指令傳遞給列車其他兩個(gè)單元的牽引逆變器,使這些車的牽引單元繼續(xù)完成牽引功能,確保列車發(fā)揮三分之二的牽引能力,從而使列車得以正常的運(yùn)營(yíng)速度完成運(yùn)送乘客的任務(wù)??照{(diào)的控制數(shù)據(jù)除通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸外,也具備通過(guò)硬線控制模式傳輸?shù)哪芰Α?/p>
4號(hào)線車輛輔助供電系統(tǒng)的冗余,包括容量上冗余和外部供電方面的冗余兩個(gè)方面的內(nèi)容。
2.3.1 容量冗余及擴(kuò)展供電
4號(hào)線地鐵列車設(shè)有2個(gè)輔助電源,分別設(shè)置在M1和M2車上,每個(gè)輔助電源的容量為160kVA。參見(jiàn)圖3擴(kuò)展供電電路,每個(gè)輔助電源為三輛車的輔助系統(tǒng)供電:M1車上的輔助電源對(duì)Tc1、M1和M3這3個(gè)車上的負(fù)載供電,M2車上的輔助電源對(duì)T3、M2和Tc2這3個(gè)車上的負(fù)載供電。每個(gè)輔助電源的正常最大負(fù)載為150kVA,每個(gè)輔助電源160kVA的容量即為滿足冗余設(shè)計(jì)而準(zhǔn)備。
圖3為擴(kuò)展供電電路,在M3車高壓箱中設(shè)有擴(kuò)展供電裝置。在列車兩個(gè)輔助電源均工作正常的情況下,擴(kuò)展供電接觸器處于斷開(kāi)狀態(tài),兩個(gè)輔助電源分別對(duì)各自的負(fù)載供電。為了保證列車的正常可靠運(yùn)行,列車上所有關(guān)系到行車安全的重要設(shè)備均設(shè)有故障供電措施,即冗余供電設(shè)計(jì)。例如,假定輔助電源1發(fā)生故障時(shí),TCMS根據(jù)其發(fā)出的故障信號(hào),將通過(guò)MVB網(wǎng)絡(luò)通知列車上的所有空調(diào)暫停運(yùn)行后,再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)在M3車高壓箱中的擴(kuò)展供電接觸器閉合,輔助電源2開(kāi)始對(duì)列車上所有空調(diào)進(jìn)行供電,這時(shí),TCMS將通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通知列車上的所有空調(diào)按擴(kuò)展供電模式(減載運(yùn)行模式)再次啟動(dòng)運(yùn)行,這樣,輔助電源2實(shí)現(xiàn)為減載后的整列車的重要負(fù)載供電,以確保列車的正常運(yùn)行。
圖3 擴(kuò)展供電電路
2.3.2不間斷供電技術(shù) 輔助電源外部供電的冗余
北京地鐵4號(hào)線列車采用先進(jìn)的不間斷供電技術(shù)。地鐵列車的正常供電來(lái)自地面線路,即在地面軌道旁鋪設(shè)一條稱為第三軌的供電軌道來(lái)為列車供電,但由于施工條件限制,在道岔等處,不能鋪設(shè)這樣的供電軌,即線路上會(huì)有部分供電間斷的區(qū)域,若列車上沒(méi)有采取適當(dāng)?shù)牟婚g斷供電措施,列車經(jīng)過(guò)這些區(qū)域時(shí),會(huì)出現(xiàn)燈光熄滅、空調(diào)停止工作的情形。為保證列車通過(guò)斷電區(qū)時(shí)車輛的正常供電,傳統(tǒng)的做法是在列車上布置一條貫通全列車的母線,這樣當(dāng)列車通過(guò)斷電區(qū)時(shí),處于斷電區(qū)的車輛可以通過(guò)母線接受其它不在斷電區(qū)車輛的供電,從而保證全列車供電系統(tǒng)的正常供電。北京地鐵4號(hào)線車輛電氣系統(tǒng)采用先進(jìn)的技術(shù),當(dāng)通過(guò)斷電區(qū)時(shí),若檢測(cè)到無(wú)外部電源供電,列車智能管理系統(tǒng)會(huì)通知車輛牽引系統(tǒng)進(jìn)入輕微制動(dòng)模式,通過(guò)制動(dòng)將列車的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能,這些電能為列車供電系統(tǒng)提供電力供應(yīng)。此方案摒棄了傳統(tǒng)的母線重聯(lián)供電模式,在減少了母線配線和控制設(shè)備的同時(shí),增加了列車可以承受的斷電區(qū)長(zhǎng)度。
4號(hào)線車輛低壓直流電源系統(tǒng)的冗余,包括直流供電裝置本身容量上冗余和蓄電池容量的冗余兩個(gè)方面的內(nèi)容。
2.4.1 直流供電裝置本身容量上冗余
4號(hào)線列車上設(shè)有2個(gè)直流供電裝置,每個(gè)直流供電裝置的容量為22kW;2個(gè)直流供電裝置的輸出端帶有輸出接觸器和二極管,通過(guò)二極管后接到同一條直流母線上(見(jiàn)圖4)。
圖4 蓄電池輸出電路
整列車的直流負(fù)載為為20kW左右,而列車上兩個(gè)直流供電裝置每個(gè)的容量即為22kW,這樣的容量配置,可保證當(dāng)一個(gè)直流供電裝置故障的情況下,可以通過(guò)輸出接觸器切除故障的直流供電裝置,而保證整列車的直流負(fù)載供電不受任何影響。
2.4.2 蓄電池容量的冗余
北京地鐵4號(hào)線列車還設(shè)置蓄電池組作為直流供電系統(tǒng)的備用電源,在直流供電裝置正常運(yùn)行時(shí),蓄電池處于浮充電狀態(tài),而在直流供電裝置未啟動(dòng)或故障時(shí)則擔(dān)負(fù)直流電源系統(tǒng)的供電責(zé)任。北京地鐵4號(hào)線列車蓄電池容量為180Ah,確保列車所有負(fù)載在只有蓄電池供電的情況下,列車可以在正線上正常運(yùn)營(yíng)一個(gè)往返。緊急情況下(外部無(wú)高壓電源時(shí)),可以保證列車緊急和重要負(fù)載連續(xù)供電45 min,45min后,若列車外部電源供電恢復(fù),蓄電池組尚具備正常啟動(dòng)列車的能力。
北京地鐵4號(hào)線車輛在電氣系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)方面的理念,是一種健康而實(shí)用的設(shè)計(jì)理念,是提高地鐵車輛可靠性和可用性的基本措施。冗余設(shè)計(jì)的結(jié)果不單單是可靠性和可用性兩個(gè)指標(biāo)數(shù)值的提高,還使列車在冗余工況下完成輸送乘客的任務(wù),具有良好的社會(huì)效益。
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