城軌車(chē)輛牽引系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)與評(píng)估

劉東元

摘 要：城軌車(chē)輛的牽引系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛的各方面運(yùn)行情況具有較大的影響，是車(chē)輛運(yùn)行中非常重要的系統(tǒng)。本文首先分析城軌車(chē)輛牽引系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)，然后再提出城軌車(chē)輛牽引系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)評(píng)估方法。

關(guān)鍵詞：牽引系統(tǒng);城軌車(chē)輛;評(píng)估

城軌車(chē)輛是將機(jī)電集合于一體的高智能化復(fù)雜的系統(tǒng)，其技術(shù)含量高、組成結(jié)構(gòu)多。這些組成結(jié)構(gòu)既獨(dú)立存在，又相互存在聯(lián)系。城軌車(chē)輛牽引系統(tǒng)的安全性決定著車(chē)輛的安全性。因此，在研究城軌車(chē)輛系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該同步研究牽引系統(tǒng)的安全性[1]。

1.城軌車(chē)輛牽引系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)

1.1總體設(shè)計(jì)

由于城軌車(chē)輛的運(yùn)行模式為以下兩種情況：一是早晚高峰期，車(chē)輛運(yùn)行密度較大，車(chē)輛裝載人員較多，常常處于超載的現(xiàn)象;二是在其他工作時(shí)間，車(chē)輛運(yùn)行密度較小，車(chē)輛裝載的人員較少。因此，在設(shè)計(jì)城軌車(chē)輛時(shí)多采用連續(xù)速度——距離曲線控制的模式。這就要求城軌車(chē)輛牽引系統(tǒng)的安全性具有以下幾種特性：①各種軟硬件具有較高的可靠性，為城軌車(chē)輛司機(jī)提供準(zhǔn)確的目標(biāo)速度和限制速度，以確保城軌車(chē)輛能夠安全運(yùn)行;②具備完善的輸入和輸出檢查功能，城軌列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)牽引系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)會(huì)讓控制導(dǎo)向安全制動(dòng)，從而確保城軌車(chē)輛運(yùn)行的安全;③一般城軌車(chē)輛牽引控制設(shè)備的安全側(cè)應(yīng)該是車(chē)輛發(fā)生故障時(shí)，確保車(chē)輛運(yùn)行的安全性，其主要表現(xiàn)為車(chē)輛發(fā)生故障時(shí)，列車(chē)降級(jí)使用，實(shí)行低速行車(chē)。

1.2關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1.2.1高速斷路器的安全性設(shè)計(jì)

高速斷路器設(shè)置在受電弓與輸入濾波器之間，而高速斷路器通常只用于牽引回路。一般高速斷路器的安全性設(shè)計(jì)主要包括以下幾方面的內(nèi)容：①根據(jù)地面牽引供電系數(shù)的參數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算城軌車(chē)輛牽引回路狀態(tài)下的預(yù)期短路電流，其保護(hù)性能應(yīng)該與地面的變電站的短路保護(hù)性能形成良好的配合關(guān)系;②高速斷路器的動(dòng)作應(yīng)該由牽引控制單元或者過(guò)流脫扣裝置觸發(fā)，其控制跳閘的時(shí)間應(yīng)該與城軌車(chē)輛的斷開(kāi)速度與輸入濾波器性質(zhì)相吻合;③高速斷路器的最大電流應(yīng)該滿足牽引逆變器輸入端的最大承受力和輸入回路時(shí)遭受故障而突然接地的電流;④確保高速斷路器的控制回路時(shí)間與系統(tǒng)分?jǐn)嗲€、控制邏輯和分?jǐn)噙壿嬒噙m應(yīng)。

1.2.2輸入濾波器的安全性設(shè)計(jì)

在城軌車(chē)輛牽引系統(tǒng)的牽引逆變器前配置相應(yīng)的線路濾波器。其中輸入濾波器在應(yīng)用過(guò)程中的重要作用是限制車(chē)輛牽引逆變器的輸入電流變化率和短路電流變化率。針對(duì)輸入濾波器安全設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：①輸入城軌車(chē)輛濾波器的電感量應(yīng)該與城軌車(chē)輛電容器的電容量相對(duì)應(yīng);②線路濾波器的輸入能力設(shè)計(jì)應(yīng)該與高速斷路器的判斷能力保持統(tǒng)一，從而確保城軌車(chē)輛的輸入濾波器突然接地時(shí)，不會(huì)受到其他設(shè)備的影響;③在安裝輸入濾波器時(shí)應(yīng)該采取合適的措施，這樣能夠減少磁通密度對(duì)城軌車(chē)輛內(nèi)部環(huán)境的影響。

1.2.3牽引逆變器的安全設(shè)計(jì)

在城軌車(chē)輛牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，牽引逆變器的設(shè)計(jì)具有非常重要的作用，也是產(chǎn)生牽引動(dòng)力的重要裝置。其中牽引逆變器的安全設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：①城軌車(chē)輛牽引系統(tǒng)逆變器的前級(jí)接觸器，主要用在與電網(wǎng)電源的隔離方面。②功率模塊主要采用良好的冷卻方式，并在全運(yùn)用環(huán)境和運(yùn)行條件下進(jìn)行熱校核設(shè)計(jì)。③對(duì)于城軌車(chē)輛牽引控制單元的網(wǎng)絡(luò)連接、關(guān)鍵信號(hào)等主要采用冗余設(shè)計(jì)，主要用來(lái)處理控制板上的電源、電阻、電容、芯片等標(biāo)準(zhǔn)的降額設(shè)計(jì)。④為了減少城軌車(chē)輛濾波電容器和IGBT等開(kāi)關(guān)器件的散熱感，同時(shí)濾波電容器在安裝的過(guò)程中應(yīng)該盡量靠近IGBT，并使用疊片式低感排列。其中，對(duì)于城軌車(chē)輛牽引控制系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)的接口安全性設(shè)計(jì)主要包括：牽引控制單元主要通過(guò)輸入和輸出接口來(lái)控制車(chē)輛牽引系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，以此實(shí)施車(chē)輛全面控制。一般情況下，輸出接口主要分為故障安全型和非故障安全型兩類(lèi)[2]。

1.2.4牽引電動(dòng)機(jī)的安全性設(shè)計(jì)

在城軌車(chē)輛的日常運(yùn)行過(guò)程中，牽引電動(dòng)機(jī)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)超功率運(yùn)行的現(xiàn)象，甚至在制動(dòng)的時(shí)候超功率更大。其中牽引電動(dòng)機(jī)的安全性設(shè)計(jì)主要是指：在城軌車(chē)輛運(yùn)行范圍內(nèi)取得較高的牽引力，并在正常工作周期中獲得較高的熱容量，再應(yīng)用充分的余量來(lái)實(shí)施超裝載的運(yùn)行。除此之外，還應(yīng)該考慮到的因素有：合理應(yīng)用牽引逆變器輸出的電壓和電流波的影響;在負(fù)荷分配不均勻的情況下?tīng)恳妱?dòng)機(jī)的性能能夠滿足日常運(yùn)行的要求;當(dāng)車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中遇到突發(fā)事件時(shí)，便可以將輕載轉(zhuǎn)變成為超載，讓牽引電動(dòng)機(jī)發(fā)生超載運(yùn)行，但牽引逆變器控制必須保持在運(yùn)行的范圍內(nèi)。

1.3故障安全導(dǎo)向設(shè)計(jì)

城軌車(chē)輛的系統(tǒng)故障根據(jù)是否能夠被檢測(cè)出來(lái)而分為可測(cè)故障和不可測(cè)故障。如果故障能夠被檢測(cè)出來(lái)，便可以根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的防止措施，有效避免由于系統(tǒng)故障產(chǎn)生危險(xiǎn)而導(dǎo)致設(shè)備故障擴(kuò)大化;而對(duì)于不可測(cè)量出的故障便可以使系統(tǒng)給出危險(xiǎn)輸出，這樣會(huì)給城軌車(chē)輛運(yùn)行造成嚴(yán)重的后果，從而產(chǎn)生造成的損失。因此，我們需要實(shí)施故障安全技術(shù)，全面列出各個(gè)系統(tǒng)組成部分所造成的故障干擾，然后對(duì)其產(chǎn)生的影響進(jìn)行綜合分析。同時(shí)，還應(yīng)該采取相應(yīng)的措施及時(shí)提出可能出現(xiàn)的故障，并盡最大的力量維持車(chē)輛系統(tǒng)的安全性，促使車(chē)輛系統(tǒng)始始終朝著安全的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。

2.安全性評(píng)估

城軌車(chē)輛牽引系統(tǒng)安全性評(píng)估主要是指應(yīng)用安全系統(tǒng)工程學(xué)的理論依據(jù)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行存在的危險(xiǎn)進(jìn)行綜合分析，確定牽引系統(tǒng)可能發(fā)生危險(xiǎn)的幾率，然后再提出相應(yīng)的控制措施，以獲得較高的安全效益。然而，對(duì)于城軌車(chē)輛的牽引系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主要包括兩個(gè)基本的層面，即：設(shè)計(jì)硬件方面和軟件控制方面。其中城軌車(chē)輛設(shè)備硬件可以通過(guò)安全性管理和故障安全分析，實(shí)施安全綜合性評(píng)估;對(duì)于車(chē)輛控制軟件而言，常常采用國(guó)際上流行的軟件安全性評(píng)估認(rèn)證。

3.結(jié)論

在城軌車(chē)輛的運(yùn)行過(guò)程中，牽引系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛的安全性起著非常重要的作用。通常情況下城軌車(chē)輛牽引系統(tǒng)的安全性、完整性和故障安全性的設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)存在著一定的差別。總之，城軌車(chē)輛牽引系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)和評(píng)估基本原理對(duì)其他系統(tǒng)的安全性研究具有重要的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]張波，陸陽(yáng)，王志峰，王延哲.城軌列車(chē)牽引系統(tǒng)熱容量試驗(yàn)方案研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué);2013（3）：98-104.

[2]王楠.蘇州軌道交通一號(hào)線車(chē)輛動(dòng)力電纜選型分析[J].科技與企業(yè);2014（5）：246-246.