城軌車輛牽引系統的安全性設計與評估

劉東元

摘 要：城軌車輛的牽引系統對車輛的各方面運行情況具有較大的影響，是車輛運行中非常重要的系統。本文首先分析城軌車輛牽引系統的安全性設計，然后再提出城軌車輛牽引系統的安全性設計評估方法。

關鍵詞：牽引系統;城軌車輛;評估

城軌車輛是將機電集合于一體的高智能化復雜的系統，其技術含量高、組成結構多。這些組成結構既獨立存在，又相互存在聯系。城軌車輛牽引系統的安全性決定著車輛的安全性。因此，在研究城軌車輛系統時應該同步研究牽引系統的安全性[1]。

1.城軌車輛牽引系統的安全性設計

1.1總體設計

由于城軌車輛的運行模式為以下兩種情況：一是早晚高峰期，車輛運行密度較大，車輛裝載人員較多，常常處于超載的現象;二是在其他工作時間，車輛運行密度較小，車輛裝載的人員較少。因此，在設計城軌車輛時多采用連續速度——距離曲線控制的模式。這就要求城軌車輛牽引系統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，為城軌車輛司機提供準確的目標速度和限制速度，以確保城軌車輛能夠安全運行;②具備完善的輸入和輸出檢查功能，城軌列車在運行過程中，當牽引系統設備發生故障時會讓控制導向安全制動，從而確保城軌車輛運行的安全;③一般城軌車輛牽引控制設備的安全側應該是車輛發生故障時，確保車輛運行的安全性，其主要表現為車輛發生故障時，列車降級使用，實行低速行車。

1.2關鍵部件設計

1.2.1高速斷路器的安全性設計

高速斷路器設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計主要包括以下幾方面的內容：①根據地面牽引供電系數的參數，準確計算城軌車輛牽引回路狀態下的預期短路電流，其保護性能應該與地面的變電站的短路保護性能形成良好的配合關系;②高速斷路器的動作應該由牽引控制單元或者過流脫扣裝置觸發，其控制跳閘的時間應該與城軌車輛的斷開速度與輸入濾波器性質相吻合;③高速斷路器的最大電流應該滿足牽引逆變器輸入端的最大承受力和輸入回路時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間與系統分斷曲線、控制邏輯和分斷邏輯相適應。

1.2.2輸入濾波器的安全性設計

在城軌車輛牽引系統的牽引逆變器前配置相應的線路濾波器。其中輸入濾波器在應用過程中的重要作用是限制車輛牽引逆變器的輸入電流變化率和短路電流變化率。針對輸入濾波器安全設計的主要內容包括：①輸入城軌車輛濾波器的電感量應該與城軌車輛電容器的電容量相對應;②線路濾波器的輸入能力設計應該與高速斷路器的判斷能力保持統一，從而確保城軌車輛的輸入濾波器突然接地時，不會受到其他設備的影響;③在安裝輸入濾波器時應該采取合適的措施，這樣能夠減少磁通密度對城軌車輛內部環境的影響。

1.2.3牽引逆變器的安全設計

在城軌車輛牽引系統的設計中，牽引逆變器的設計具有非常重要的作用，也是產生牽引動力的重要裝置。其中牽引逆變器的安全設計內容主要包括以下幾個方面：①城軌車輛牽引系統逆變器的前級接觸器，主要用在與電網電源的隔離方面。②功率模塊主要采用良好的冷卻方式，并在全運用環境和運行條件下進行熱校核設計。③對于城軌車輛牽引控制單元的網絡連接、關鍵信號等主要采用冗余設計，主要用來處理控制板上的電源、電阻、電容、芯片等標準的降額設計。④為了減少城軌車輛濾波電容器和IGBT等開關器件的散熱感，同時濾波電容器在安裝的過程中應該盡量靠近IGBT，并使用疊片式低感排列。其中，對于城軌車輛牽引控制系統和制動系統的接口安全性設計主要包括：牽引控制單元主要通過輸入和輸出接口來控制車輛牽引系統網絡，以此實施車輛全面控制。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[2]。

1.2.4牽引電動機的安全性設計

在城軌車輛的日常運行過程中，牽引電動機有時會出現超功率運行的現象，甚至在制動的時候超功率更大。其中牽引電動機的安全性設計主要是指：在城軌車輛運行范圍內取得較高的牽引力，并在正常工作周期中獲得較高的熱容量，再應用充分的余量來實施超裝載的運行。除此之外，還應該考慮到的因素有：合理應用牽引逆變器輸出的電壓和電流波的影響;在負荷分配不均勻的情況下牽引電動機的性能能夠滿足日常運行的要求;當車輛在運行過程中遇到突發事件時，便可以將輕載轉變成為超載，讓牽引電動機發生超載運行，但牽引逆變器控制必須保持在運行的范圍內。

1.3故障安全導向設計

城軌車輛的系統故障根據是否能夠被檢測出來而分為可測故障和不可測故障。如果故障能夠被檢測出來，便可以根據實際情況采取相應的防止措施，有效避免由于系統故障產生危險而導致設備故障擴大化;而對于不可測量出的故障便可以使系統給出危險輸出，這樣會給城軌車輛運行造成嚴重的后果，從而產生造成的損失。因此，我們需要實施故障安全技術，全面列出各個系統組成部分所造成的故障干擾，然后對其產生的影響進行綜合分析。同時，還應該采取相應的措施及時提出可能出現的故障，并盡最大的力量維持車輛系統的安全性，促使車輛系統始始終朝著安全的狀態轉移。

2.安全性評估

城軌車輛牽引系統安全性評估主要是指應用安全系統工程學的理論依據，對系統運行存在的危險進行綜合分析，確定牽引系統可能發生危險的幾率，然后再提出相應的控制措施，以獲得較高的安全效益。然而，對于城軌車輛的牽引系統來說，主要包括兩個基本的層面，即：設計硬件方面和軟件控制方面。其中城軌車輛設備硬件可以通過安全性管理和故障安全分析，實施安全綜合性評估;對于車輛控制軟件而言，常常采用國際上流行的軟件安全性評估認證。

3.結論

在城軌車輛的運行過程中，牽引系統對車輛的安全性起著非常重要的作用。通常情況下城軌車輛牽引系統的安全性、完整性和故障安全性的設計與可靠性設計存在著一定的差別。總之，城軌車輛牽引系統的安全性設計和評估基本原理對其他系統的安全性研究具有重要的參考價值。

參考文獻：

[1]張波，陸陽，王志峰，王延哲.城軌列車牽引系統熱容量試驗方案研究[J].中國鐵道科學;2013（3）：98-104.

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