楊 麗 胡金鑫 柴金川

(1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司, 210031, 南京; 2.南京浩明工貿(mào)實(shí)業(yè)有限公司, 210009, 南京; 3.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司國家鐵道試驗(yàn)中心, 100015, 北京∥第一作者, 高級(jí)工程師)

目前,城市軌道交通列車的兩個(gè)動(dòng)力單元之間僅敷設(shè)一根輔助高壓母線。當(dāng)列車升雙弓運(yùn)行時(shí),輔助高壓母線作為等勢線存在,貫穿整列列車的兩個(gè)高壓單元。當(dāng)列車升單弓運(yùn)行時(shí),在一個(gè)單元受電弓輸入故障或車間電源模式下,輔助高壓母線可將高壓電擴(kuò)展至另一個(gè)單元,另一個(gè)單元輔助逆變器可正常工作,輸出三相交流及直流電,滿足列車交直流負(fù)載的供電需求。當(dāng)列車在庫內(nèi)維護(hù)、使用車間電源供電或升單弓時(shí),高壓箱體、中低壓配電箱內(nèi)器件帶電,列車遠(yuǎn)端(未激活司機(jī)室單元)維護(hù)人員在未知的情況下打開車下箱體蓋板存在觸電風(fēng)險(xiǎn)。

為解決上述問題,本文提出一種城市軌道交通車輛輔助高壓母線環(huán)形饋線控制方案,以期解決由異常維護(hù)操作帶來的觸電隱患問題。在箱體蓋板上(包括高壓箱和饋線接觸器箱蓋板)設(shè)置行程開關(guān),由車輛LCU(邏輯控制單元)采集蓋板狀態(tài)并對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)發(fā)生蓋板異常時(shí),邏輯控制單元控制饋線接觸器斷開,另一單元高壓線路失去高壓電。本研究可為城市軌道交通車輛輔助高壓電路設(shè)計(jì)提供工程經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)指導(dǎo)。

1 總體技術(shù)方案

城市軌道交通車輛輔助高壓母線環(huán)形饋線控制方案主要從高壓箱安全回路、饋線接觸器箱安全環(huán)路、環(huán)形饋線控制及中壓母線控制等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。輔助供電方案為在經(jīng)過受電弓輸入的高壓電源進(jìn)入高壓箱后,一路電源供給輔助逆變器,一路電源經(jīng)過高速斷路器后供給牽引系統(tǒng),另一路電源經(jīng)過高壓母線(也可稱為饋線)至另一個(gè)單元的高壓箱。為防止車間電源插入本端(激活司機(jī)室單元)接口或列車升單弓時(shí),維護(hù)人員對(duì)底架設(shè)備進(jìn)行維護(hù)引起意外觸電,需要對(duì)高壓饋線進(jìn)行控制,保證饋線接觸器在正常情況下貫通、異常情況下斷開。在兩個(gè)單元輔助高壓饋線上設(shè)置饋線接觸器,饋線接觸器的通斷設(shè)計(jì)為受接地隔離開關(guān)、高壓箱、饋線接觸器箱及車輛控制單元狀態(tài)的影響。在進(jìn)行高壓饋線接觸器安全聯(lián)鎖的控制過程中,在高壓安全環(huán)路斷開的同時(shí),邏輯控制單元控制單相線接觸器斷開,在網(wǎng)絡(luò)正常模式和備用模式下,輔助逆變器對(duì)內(nèi)部短路和外部短路進(jìn)行診斷控制。帶饋線控制的輔助高壓供電原理圖如圖1所示。

圖1 帶饋線控制的輔助高壓供電原理圖

2 詳細(xì)技術(shù)方案

輔助高壓母線環(huán)形饋線電路主要由安裝在兩個(gè)動(dòng)力單元車輛上的牽引高壓箱、饋線接觸器箱、LCU和控制開關(guān)等組成。接下去將從高壓箱安全回路、饋線接觸器箱安全環(huán)路、環(huán)形饋線控制及中壓母線控制4個(gè)方面展開介紹。

2.1 高壓箱安全環(huán)路

高壓箱內(nèi)設(shè)有接地隔離開關(guān)Q1、Q2和高壓箱前蓋板行程開關(guān),箱體上設(shè)置有車間電源插座,同時(shí)對(duì)插座蓋板狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。根據(jù)不同需求的工作模式,接地隔離開關(guān)共有3種工作位置,包括運(yùn)行位、車間電源位和接地位。根據(jù)維護(hù)人員操作隔離開關(guān)的不同工作模式,接地隔離開關(guān)位置狀態(tài)發(fā)生變化,實(shí)現(xiàn)互鎖功能。牽引高壓箱安全環(huán)路示意圖如圖2所示。

注:K1為隔離開關(guān)箱體蓋板行程開關(guān);K2為高壓箱蓋板行程開關(guān);K4為接地隔離開關(guān)Q1的位置狀態(tài)開關(guān);K6-1、K6-2為隔離開關(guān)Q2的位置狀態(tài)開關(guān)。

2.2 饋線接觸器箱安全環(huán)路

饋線接觸箱內(nèi)設(shè)有饋線接觸器線圈、主觸頭和箱蓋板行程開關(guān)。將饋線接觸器線圈的得失電用于控制饋線接觸器主觸頭的通斷。饋線接觸器主觸頭可接入車輛高壓母線環(huán)形饋線。箱蓋板的行程開關(guān)用于箱門開關(guān)狀態(tài)的監(jiān)控及安全環(huán)路的控制。

邏輯控制單元對(duì)安全環(huán)路內(nèi)本端高壓箱、饋線接觸器箱蓋板及接地隔離開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,同時(shí)結(jié)合安全環(huán)路中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行邏輯診斷。

2.3 環(huán)形饋線控制

安裝在列車兩個(gè)動(dòng)力單元的邏輯控制單元分別采集車間電源保護(hù)蓋狀態(tài)、接地隔離開關(guān)位置、高壓箱前蓋板狀態(tài)和饋線接觸器箱蓋板狀態(tài),并將其串接入車輛安全回路。LCU采集安全回路狀態(tài)并進(jìn)行邏輯判斷,兩個(gè)動(dòng)力單元間的LCU通過列車總線進(jìn)行通信,并將本地檢測到的安全環(huán)路狀態(tài)發(fā)送至另一單元的LCU。當(dāng)以下任一條件滿足時(shí),邏輯控制單元控制饋線接觸器閉合:①列車兩個(gè)動(dòng)力單元間的車間電源保護(hù)蓋關(guān)閉、接地隔離開關(guān)操作至運(yùn)行位、高壓箱前蓋板位于關(guān)閉位且饋線接觸器蓋板位于關(guān)閉位;②兩個(gè)動(dòng)力單元的車間電源保護(hù)蓋打開、接地隔離開關(guān)操作至車間電源位、高壓箱前蓋板位于關(guān)閉位且饋線接觸器蓋板位于關(guān)閉位。

當(dāng)上述任一動(dòng)力單元蓋板異常或隔離開關(guān)位置發(fā)生變化時(shí),邏輯控制單元控制饋線接觸器斷開,輔助高壓母線斷開失電。環(huán)形饋線控制方案示意圖如圖3所示。

注:K0為接地隔離開關(guān)位置狀態(tài)開關(guān);K3為饋線接觸器箱蓋板開關(guān);K5為邏輯控制單元觸點(diǎn);DI為邏輯控制單元輸入信號(hào)采集點(diǎn);DO為邏輯控制單元輸出信號(hào);S為饋線接觸器線圈;S-1為饋線接觸器主觸頭。

當(dāng)接地隔離開關(guān)為運(yùn)行模式時(shí),由LCU采集兩個(gè)動(dòng)力單元的接地隔離開關(guān)、高壓箱前蓋板開關(guān)、車間電源插座蓋板開關(guān)和饋線接觸器蓋板開關(guān)的狀態(tài)信息。當(dāng)上述開關(guān)組成的安全環(huán)路均為高電平時(shí),LCU內(nèi)的觸點(diǎn)K5閉合,饋線接觸器線圈得電,主觸頭閉合;否則,K5斷開,并將狀態(tài)信息發(fā)送至另一個(gè)動(dòng)力單元內(nèi)的LCU,另一個(gè)動(dòng)力單元觸點(diǎn)同時(shí)斷開。

當(dāng)接地隔離開關(guān)為車間電源模式時(shí),插入車間電源插頭,插座保護(hù)蓋板開關(guān)斷開,同時(shí)車間電源接觸器得電,車間電源接觸器主觸頭和輔助觸頭K6-2閉合,本端DC 1 500 V車間電源接通。K6-2所在控制電路導(dǎo)通,此處電源由車輛蓄電池提供,旁路車間電源插座保護(hù)蓋狀態(tài)K2。由LCU采集兩個(gè)動(dòng)力單元的接地隔離開關(guān)、高壓箱前蓋板開關(guān)和饋線接觸器蓋板開關(guān)的狀態(tài)信息。若上述開關(guān)組成的安全環(huán)路為高電平時(shí),饋線接觸器線圈得電,主觸頭閉合,整車DC 1 500 V電源接通。另一個(gè)動(dòng)力單元的輔助高壓母線可以通過車間電源插座獲取DC 1 500 V高壓電,否則饋線接觸器主觸頭S-1斷開。

2.4 中壓母線控制

當(dāng)車輛高壓母線環(huán)網(wǎng)在安全環(huán)路發(fā)生異常情況時(shí),在斷開母線饋線接觸器進(jìn)行保護(hù)的同時(shí),中壓母線控制也需采用相應(yīng)的閉合邏輯進(jìn)行保護(hù)。中壓母線控制原理圖如圖4所示。在控制電路中設(shè)置繼電器,以及在中壓供電母線上設(shè)置中壓母線接觸器,用于控制中壓母線。當(dāng)饋線接觸器因安全環(huán)路異常而斷開時(shí),中壓供電繼電器收到LCU的指令失電,斷開遠(yuǎn)端中壓供電。此時(shí),中壓母線通斷的控制策略為:

a) 三相接觸器控制圖

1) 網(wǎng)絡(luò)控制單元收到4個(gè)輔助逆變器的輸出中壓母線均無電且沒有報(bào)短路故障的狀態(tài)信息,中壓母線的三相供電接觸器默認(rèn)閉合,整車4個(gè)輔助逆變器向整車輔助系統(tǒng)提供電源。

2) 當(dāng)任一輔助逆變器發(fā)生短路時(shí),整車輔助逆變器全部先報(bào)外部短路,所有輔助逆變器斷電,并且給所有輔助逆變器發(fā)送短路診斷指令;診斷完成后,反饋輔助逆變器的實(shí)際狀態(tài)。若為內(nèi)部短路,切除相應(yīng)輔助逆變器,并重新閉合母線接觸器進(jìn)行并網(wǎng)供電。若為外部短路,保持接觸器斷開,分段并網(wǎng)并切除相應(yīng)輔助逆變器。

3) 當(dāng)整車網(wǎng)絡(luò)故障進(jìn)入備用模式時(shí),任意一個(gè)輔助逆變器輸出外部短路或內(nèi)部短路情況下,中壓母線接觸器斷開進(jìn)行保護(hù),此時(shí)輔助逆變器僅為所在動(dòng)力單元供電。

3 總體技術(shù)方案優(yōu)勢

所提方案的優(yōu)點(diǎn)為:①高壓饋線在安全環(huán)路正常時(shí)貫穿整車作為等勢線存在;②列車單弓運(yùn)行時(shí),整車高壓貫通輔助系統(tǒng)可投入工作;③車間電源模式下,單端車間電源供電時(shí),貫穿整車兩個(gè)動(dòng)力單元的高壓母線環(huán)形饋線貫通;④列車在庫內(nèi)維護(hù)時(shí),若遠(yuǎn)端維護(hù)人員打開任一車下箱體蓋板進(jìn)行維護(hù),整車兩個(gè)饋線接觸器均斷開,并切斷遠(yuǎn)端高壓回路供電和中壓供電,底架的中高壓供配電箱因異常操作均失電,可以有效保證維護(hù)人員的人身安全,同時(shí)將異常狀態(tài)發(fā)送至車輛顯示屏提示司機(jī)。

饋線接觸器的通斷控制方案考慮了接地隔離開關(guān)、牽引高壓箱、饋線接觸器箱等安全環(huán)路的狀態(tài),保證了庫內(nèi)維護(hù)人員的安全,且其控制電路具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等特點(diǎn),可以滿足列車正線運(yùn)行模式及庫內(nèi)車間電源模式的使用需求。

4 結(jié)語

通過技術(shù)方案分析及試驗(yàn)調(diào)試驗(yàn)證可知,在列車的兩個(gè)動(dòng)力單元間設(shè)置高壓安全環(huán)路和中壓安全環(huán)路、使用外部邏輯控制單元診斷控制及設(shè)備自身診斷控制的方式,可以從源頭上解決列車運(yùn)行或維護(hù)過程中,安全環(huán)路異常狀態(tài)可能導(dǎo)致的觸電風(fēng)險(xiǎn)。本文對(duì)輔助高壓母線及中壓母線直接貫通兩個(gè)動(dòng)力單元的電路提出了較大的改進(jìn)措施,從根源上消除了異常維護(hù)操作帶來的安全隱患。目前,采用該設(shè)計(jì)方案的列車已順利通過列車運(yùn)營考核,且運(yùn)行情況良好。