王 楠

（蘇州軌道交通集團(tuán)運(yùn)營(yíng)分一公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引 言

蘇州地鐵2號(hào)線由2013年運(yùn)營(yíng)至今，已經(jīng)跨過(guò)了7個(gè)年頭，2號(hào)線主線車(chē)及增購(gòu)車(chē)將陸續(xù)完成架修。隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，繼電器出現(xiàn)觸點(diǎn)卡滯和粘連的故障頻次逐漸上升。而繼電器一旦發(fā)生故障，將對(duì)正線車(chē)輛運(yùn)營(yíng)造成較大影響。因此，研究了繼電器使用現(xiàn)狀及其故障特點(diǎn)，提出了相應(yīng)繼電器的維護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)繼電器的全壽命周期管理。

1 蘇州地鐵2號(hào)線車(chē)輛控制繼電器現(xiàn)狀

1.1 繼電器使用情況

蘇州地鐵2號(hào)線為3動(dòng)2拖5節(jié)編組，目前有主線車(chē)24列，增購(gòu)車(chē)16列，共計(jì)40列車(chē)。列車(chē)控制繼電器包括利奇、施密特以及ABB3個(gè)品牌共計(jì)19種繼電器，如表1所示。

1.2 運(yùn)營(yíng)至今故障情況

行車(chē)指標(biāo)用于評(píng)價(jià)城軌交通的運(yùn)營(yíng)情況，包括晚點(diǎn)、清客、抽線、下線及列出準(zhǔn)點(diǎn)率等。影響行車(chē)指標(biāo)的事件叫做行車(chē)指標(biāo)事件，該事件對(duì)應(yīng)造成的影響叫做指標(biāo)影響。不同程度上對(duì)行車(chē)指標(biāo)的影響叫做層次指標(biāo)影響，包括2～5 min晚點(diǎn)、5～15 min晚點(diǎn)、15 min以上晚點(diǎn)、清客、下線、抽線及救援等。運(yùn)營(yíng)至今，蘇州地鐵設(shè)備故障共發(fā)生61次行車(chē)指標(biāo)事件。根據(jù)蘇州軌道交通集團(tuán)運(yùn)營(yíng)分一公司技術(shù)部對(duì)于事故事件中的指標(biāo)定責(zé)進(jìn)行責(zé)任劃分，某中心/單位承擔(dān)全部責(zé)任的，涉事中心/單位承擔(dān)100%責(zé)任指標(biāo)，涉及兩家中心/單位，主要責(zé)任的中心/單位承擔(dān)70%責(zé)任指標(biāo)，另一方承擔(dān)30%責(zé)任指標(biāo)，涉及3家中心/單位，主要責(zé)任的中心/單位承擔(dān)70%責(zé)任指標(biāo)，另外兩家中心/單位各承擔(dān)15%責(zé)任指標(biāo)，涉及4家中心/單位，主要責(zé)任的中心/單位承擔(dān)70%責(zé)任指標(biāo)，另外3家中心/單位各承擔(dān)10%責(zé)任指標(biāo)，涉及5家中心/單位，主要責(zé)任的中心/單位承擔(dān)60%責(zé)任指標(biāo)，另外4家中心/單位各承擔(dān)10%責(zé)任指標(biāo)，涉及多家中心/單位且無(wú)主要責(zé)任的，責(zé)任指標(biāo)平均分配。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，繼電器故障導(dǎo)致行車(chē)指標(biāo)事件共19次事件，占31%。

表1 繼電器使用情況統(tǒng)計(jì)表

故障按照其所在系統(tǒng)的特點(diǎn)，主要集中在車(chē)門(mén)控制系統(tǒng)、制動(dòng)控制系統(tǒng)、受電弓控制系統(tǒng)司機(jī)室占有控制以及繼電器指示燈模塊，如圖1所示。

圖1 故障數(shù)系統(tǒng)分布圖

蘇軌2號(hào)線車(chē)輛的繼電器中車(chē)門(mén)控制和制動(dòng)控制動(dòng)作次數(shù)較為頻繁，而受電弓及司機(jī)室占有控制為長(zhǎng)時(shí)間得電的繼電器。通過(guò)后期檢查發(fā)現(xiàn)，故障主要為觸點(diǎn)卡滯、繼電器線圈故障以及繼電器指示燈模塊內(nèi)部損壞，如圖2所示。繼電器故障存在較強(qiáng)的階段性，隨著使用年限的延長(zhǎng)，繼電器性能會(huì)隨之下降，繼電器的故障率則會(huì)相應(yīng)上升，特別是使用頻次較高的繼電器，此現(xiàn)象會(huì)更加明顯。由于架修和大修期間批量性更換繼電器，故障情況會(huì)有一階段相應(yīng)的好轉(zhuǎn)，故障成階梯狀分布。

圖2 故障類(lèi)型占比圖

1.3 維護(hù)現(xiàn)狀

在均衡修修程周期內(nèi)，每3個(gè)月清理繼電器柜及繼電器表面，檢查繼電器外觀和可視線纜，在每5年、10年的架修和大修修程內(nèi)，架修時(shí)批量更換常用繼電器及個(gè)別重點(diǎn)繼電器，在大修時(shí)則更換所有常用繼電器及重點(diǎn)繼電器。繼電器存在易在運(yùn)營(yíng)后期及架修和大修前期故障率上升這一情況。

2 繼電器故障風(fēng)險(xiǎn)分析

繼電器出現(xiàn)故障的原因是多樣的，按照其內(nèi)部故障狀態(tài)，可分為觸點(diǎn)粘連、觸點(diǎn)卡滯以及線圈故障3類(lèi)。不同的電路結(jié)構(gòu)導(dǎo)致出現(xiàn)這3種故障現(xiàn)象的風(fēng)險(xiǎn)不盡相同，并且3種故障風(fēng)險(xiǎn)也相互影響，因此電路結(jié)構(gòu)的選擇必須考慮電路本身的作用和影響。一般粘連故障的安全風(fēng)險(xiǎn)更高，對(duì)于重要和需要避免觸點(diǎn)粘連的繼電器控制回路，需選擇觸點(diǎn)形式為雙斷雙開(kāi)的繼電器，而對(duì)于其他控制回路，則可以選擇觸點(diǎn)形式為單刀雙擲的繼電器[1]?，F(xiàn)階段，繼電器發(fā)生線圈故障的情況較少，因此根據(jù)繼電器發(fā)生觸點(diǎn)粘連或卡滯的情況所能造成的影響，將繼電器觸點(diǎn)故障的影響等級(jí)分為輕微、中等以及嚴(yán)重，分類(lèi)后各等級(jí)占比如圖3所示。對(duì)于故障時(shí)可能造成嚴(yán)重影響的繼電器，則推薦使用行程冗余機(jī)制或通過(guò)有效的按鈕和開(kāi)關(guān)等旁路觸點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行旁路，以減少其故障所可能產(chǎn)生的影響。

圖3 繼電器故障影響等級(jí)占比圖

3 繼電器故障對(duì)策及整改措施

3.1 優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)

優(yōu)化繼電器控制線路，能夠在不影響實(shí)際功能的前提下，減少單個(gè)繼電器及其觸點(diǎn)故障所可能造成的影響。

3.1.1 繼電器觸點(diǎn)并聯(lián)

由于開(kāi)門(mén)電路為上升沿觸發(fā)，并且開(kāi)門(mén)邏輯中考慮了零速和使能，因此在4號(hào)線電路中的ZVR采用了并聯(lián)結(jié)構(gòu)，1號(hào)線為單觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)。對(duì)于不可取消的關(guān)鍵繼電器，使用兩個(gè)繼電器并聯(lián)同時(shí)得電，而以其常開(kāi)觸點(diǎn)串聯(lián)反饋信號(hào)的門(mén)聯(lián)鎖繼電器DIR1和DIR2為例，增設(shè)一組此兩個(gè)繼電器的串聯(lián)常開(kāi)觸點(diǎn)，與之進(jìn)行并聯(lián)，在保證門(mén)聯(lián)鎖安全優(yōu)先級(jí)的情況下，對(duì)其反饋信號(hào)進(jìn)行冗余設(shè)置，避免其因?yàn)殚T(mén)聯(lián)鎖繼電器任意一個(gè)常開(kāi)觸點(diǎn)的故障所可能造成的列車(chē)未收到所有門(mén)關(guān)信號(hào)反饋命令，導(dǎo)致列車(chē)牽引封鎖的問(wèn)題[2]。

3.1.2 取消中轉(zhuǎn)繼電器

電客車(chē)?yán)^電器主要具有低功率控制大功率和邏輯中轉(zhuǎn)功能，部分的中轉(zhuǎn)繼電器可以取消。例如，開(kāi)/關(guān)門(mén)繼電器DOR、DCR和非零速繼電器TZVR，在蘇州4號(hào)線后期項(xiàng)目中已取消。

3.1.3 增加旁路開(kāi)關(guān)

為減少故障影響，結(jié)合實(shí)際影響，可增加旁路開(kāi)關(guān)或者多選取一個(gè)設(shè)備信號(hào)。目前，許多電路中已有旁路開(kāi)關(guān)，如門(mén)聯(lián)鎖旁路。實(shí)際2號(hào)線門(mén)聯(lián)鎖繼電器故障率較高，但對(duì)正線行車(chē)基本無(wú)影響。鑒于2號(hào)線開(kāi)關(guān)門(mén)回路故障率較高，出問(wèn)題即清客，可以考慮設(shè)置開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)回路硬線旁路開(kāi)關(guān)。

3.1.4 取消或減少使用串聯(lián)形式的繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)

取消或減少使用串聯(lián)形式的繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)，能夠減少由于該組觸點(diǎn)故障所產(chǎn)生的相應(yīng)故障。例如，取消KSR3鑰匙激活繼電器的一組位于司控器向前位輸出命令信號(hào)線路中的觸點(diǎn)，不影響其實(shí)際功能，同時(shí)避免由于該組繼電器觸點(diǎn)故障所產(chǎn)生的沒(méi)有向前位輸出命令信號(hào)，造成列車(chē)牽引封鎖的問(wèn)題。

3.1.5 控制繼電器反饋觸點(diǎn)的邏輯

對(duì)于不可取消且無(wú)法冗余備份其觸點(diǎn)的繼電器反饋觸點(diǎn)，在列車(chē)網(wǎng)絡(luò)可備份的情況下，優(yōu)化控制邏輯，使用網(wǎng)絡(luò)信號(hào)反饋進(jìn)行備份。在系統(tǒng)邏輯中對(duì)網(wǎng)絡(luò)及硬線信號(hào)取或門(mén)，避免單個(gè)繼電器觸點(diǎn)故障造成影響。以氣制動(dòng)緩解反饋信號(hào)為例，在8個(gè)氣制動(dòng)緩解BRR繼電器觸點(diǎn)串聯(lián)反饋，形成整車(chē)氣制動(dòng)緩解反饋信號(hào)的情況下，增設(shè)其對(duì)應(yīng)EP閥的網(wǎng)絡(luò)反饋命令，與之形成或門(mén)控制，提升EP閥網(wǎng)絡(luò)反饋制動(dòng)緩解命令的優(yōu)先級(jí)，避免單個(gè)氣制動(dòng)BRR繼電器反饋觸點(diǎn)故障造成列車(chē)控制系統(tǒng)判斷列車(chē)氣制動(dòng)未緩解，產(chǎn)生牽引封鎖的問(wèn)題。

3.2 維修策略調(diào)整

跟蹤關(guān)鍵繼電器使用情況，按階段分批次評(píng)估關(guān)鍵繼電器性能，評(píng)估內(nèi)容包括響應(yīng)時(shí)間、負(fù)壓時(shí)間、觸點(diǎn)接觸電阻、線圈電阻、最小吸合以及釋放電壓等。適當(dāng)縮短批量更換線圈得電時(shí)間長(zhǎng)、動(dòng)作頻次高的關(guān)鍵繼電器的周期，以減少總體使用時(shí)間[3]。

3.3 LCU改造

目前，主流使用LCU替代繼電器，使用mosfet替代繼電器觸點(diǎn)，并且有兩路并聯(lián)冗余設(shè)計(jì)。LCU一般可替代80%的繼電器，一般不替代大功率負(fù)載繼電器和應(yīng)急電路繼電器。LCU通過(guò)硬件與軟件結(jié)合，應(yīng)用新型光耦和場(chǎng)效應(yīng)管等電路實(shí)現(xiàn)無(wú)觸點(diǎn)控制，替代原控制電路中的時(shí)間繼電器和中間繼電器等有觸點(diǎn)的器件，完成列車(chē)控制所需的各種邏輯和延時(shí)控制功能[4]。LCU具有以下3點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。第一，減少了維護(hù)周期。LCU含有網(wǎng)絡(luò)通信和處理器，可以內(nèi)置自檢檢修軟件，通過(guò)簡(jiǎn)單命令就可以快速完成自檢檢修工作，極大地簡(jiǎn)化了一線檢修人員的日常性檢修及故障處置工作。第二，提高了系統(tǒng)可靠性。LCU的邏輯整體采用光耦和MOSFET等無(wú)觸點(diǎn)電子元件替代繼電器有觸點(diǎn)的機(jī)械部件，具有損耗小和壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。地鐵LCU系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用高可靠性的雙系統(tǒng)熱備方案，包含網(wǎng)絡(luò)熱備冗余、接口和控制單板熱備冗余以及雙電源系統(tǒng)，單點(diǎn)故障不引起系統(tǒng)異常，從而極大提高了系統(tǒng)的可靠性。第三，提升了故障診斷能力。地鐵LCU系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含故障智能診斷功能，內(nèi)部實(shí)時(shí)掃描產(chǎn)品電路運(yùn)行狀態(tài)，隔離和切換故障單元，外部實(shí)現(xiàn)雙路檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)，能夠可靠地診斷故障[5]。LCU利用軟件實(shí)現(xiàn)了邏輯定制、故障診斷以及運(yùn)行記錄等功能。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)分析繼電器使用現(xiàn)狀和故障發(fā)生的特點(diǎn)，提出整改策略，將有助于繼電器的維護(hù)，并減少繼電器故障的發(fā)生，使正線列車(chē)更加平穩(wěn)有序地運(yùn)營(yíng)。