地鐵車輛客室照明集中供電的安全性設(shè)計(jì)

盛銀勝 薛淑勝 張 順

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司,210032,南京//第一作者,高級(jí)工程師)

地鐵車輛客室照明集中供電的安全性設(shè)計(jì)

盛銀勝 薛淑勝 張 順

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司,210032,南京//第一作者,高級(jí)工程師)

介紹了在地鐵車輛集中供電客室照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中,設(shè)計(jì)人員運(yùn)用故障模式影響分析(FMEA)技術(shù),對(duì)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案安全性的改進(jìn)過(guò)程。通過(guò)對(duì)初始設(shè)計(jì)方案中主要部件進(jìn)行FMEA,識(shí)別了這些設(shè)備中可能會(huì)導(dǎo)致安全隱患的單點(diǎn)故障。根據(jù)FMEA的結(jié)果,對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了必要的改進(jìn),從而保證了設(shè)計(jì)方案的安全性。

地鐵車輛; 客室照明; 集中供電; 安全性; 可靠性; 故障模式影響分析

Author′s address CRRC Nanjing Puzhen Co.,Ltd.,210032,Nanjing,China

傳統(tǒng)的地鐵車輛照明系統(tǒng),每個(gè)燈具配備單獨(dú)的電源,整車采用兩路正常照明與一路緊急照明交叉布置的工作冗余方式,來(lái)保證地鐵車輛客室照明的可靠性及安全性。這樣,在其中的任何一路發(fā)生供電故障時(shí),列車仍然能夠提供足夠的照明能力。但隨著LED (發(fā)光二極管)燈具在地鐵車輛上普及,每個(gè)燈具配備單獨(dú)電源的技術(shù)方案已經(jīng)不能發(fā)揮LED燈具高可靠性的特點(diǎn)。本文介紹了采用集中供電方式的地鐵車輛LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,重點(diǎn)介紹系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)過(guò)程。

1 傳統(tǒng)LED照明系統(tǒng)的缺點(diǎn)及解決方案

隨著LED照明技術(shù)的發(fā)展,節(jié)能環(huán)保的LED照明設(shè)備在地鐵列車上得到了廣泛應(yīng)用。早期的LED照明燈具與傳統(tǒng)的熒光燈類似,每個(gè)燈具附帶一個(gè)電源為該燈具提供電能。客室照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仍然采用兩路正常照明與一路緊急照明交叉布置且同時(shí)工作的冗余方式來(lái)保證地鐵車輛客室照明的可靠性及安全性。

早期的LED燈具由若干個(gè)燈珠和一個(gè)電源組成,單個(gè)燈珠的故障對(duì)燈具的照度影響很小,但如果電源失效的話,將導(dǎo)致整個(gè)燈具失去照明能力。由于列車需要的燈具很多,僅一輛B型車就需要近30個(gè),因此即使單個(gè)LED燈具故障率很低,但對(duì)于列車來(lái)說(shuō),燈具的故障率還是相對(duì)較高,這會(huì)降低乘客的舒適性并增加維修費(fèi)用。

為此,車輛設(shè)計(jì)人員利用LED燈具低能耗的特點(diǎn),開發(fā)了采用集中電源供電的LED照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)將車輛的照明分為兩路主要照明燈帶和一路貫通道照明燈,每路燈帶采用2個(gè)集中供電電源冗余供電,當(dāng)其中的一個(gè)集中供電電源發(fā)生故障時(shí),冗余的另外一個(gè)集中供電電源能夠獨(dú)自為燈帶提供電力。為保證冗余的有效性,設(shè)計(jì)人員采用列車控制管理系統(tǒng)(TCMS)對(duì)集中供電電源的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。這一設(shè)計(jì)方法將原來(lái)每車近30個(gè)LED燈具電源變?yōu)槊寇?個(gè)集中供電電源,有效提高了照明系統(tǒng)的可靠性。同時(shí),該方案還對(duì)集中供電電源狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,一旦其中的某個(gè)集中供電電源發(fā)生故障,可以及時(shí)安排人員進(jìn)行維修,從而保證了冗余的有效性。

2 照明系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)

2.1 初始設(shè)計(jì)方案

2.1.1 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

車輛集中供電的LED照明系統(tǒng)的初始設(shè)計(jì)方案如圖1所示:將每節(jié)車廂照明燈具分為3組(兩路主要燈帶PLI和貫通道燈GWELI)。每車設(shè)置4個(gè)集中控制電源,每2個(gè)集中控制冗余電源為一組。列車給2組冗余電源的供電通過(guò)同一個(gè)客室照明接觸器PLK來(lái)實(shí)現(xiàn)。2個(gè)集中控制冗余電源POWER同時(shí)為一路主要燈帶和貫通道燈供電;當(dāng)其中一個(gè)冗余電源故障時(shí),另外一個(gè)冗余電源能夠單獨(dú)為負(fù)載供電。冗余電源的狀態(tài)由TCMS進(jìn)行監(jiān)控,當(dāng)TCMS檢測(cè)到輔助逆變器發(fā)生故障時(shí),TCMS給調(diào)光控制器發(fā)出緊急照明啟動(dòng)信號(hào)DO-ELSTART,燈帶調(diào)光器控制主要燈帶降低照明亮度,實(shí)現(xiàn)緊急照明,從而保證蓄電池的緊急供電時(shí)間能夠持續(xù)45 min。

2.1.2 照明系統(tǒng)與TCMS的接口及控制原理

照明系統(tǒng)與TCMS的硬線接口原理如圖2所示。

圖1 初始LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

圖2 照明系統(tǒng)與TCMS的硬線接口原理圖

TCMS對(duì)照明系統(tǒng)的控制和監(jiān)控功能的軟件需求如下:

緊急照明啟動(dòng)功能:當(dāng)一列車的兩臺(tái)輔助逆變器均故障時(shí)(_IxAPSOK_1=0,且_IxAPSOK_6=0),VCU內(nèi)部緊急照明啟動(dòng)信號(hào)被激活(LGT_xELStart=1)。該信號(hào)被發(fā)送到每個(gè)車的RIOM11、ROIM21、RIOM31。

集中供電電源故障:對(duì)于C1/C6車,當(dāng)某輛車的照明集中供電電源故障時(shí),電源故障信號(hào)(_IxPSFlt =1)被發(fā)送到VCU,則VCU內(nèi)部集中供電電源故障信號(hào)被激活(LGT_xPSFlt_Car=1)。該信號(hào)被存儲(chǔ)在FDL中,同時(shí)發(fā)送到DDU圖標(biāo)顯示。其它車輛與C1/C6車類似,只是信號(hào)采集的輸入輸出模塊RIOM不同。當(dāng)一列車至少有一輛車集中供電電源故障時(shí),“照明系統(tǒng)3級(jí)故障”信號(hào)激活(LGT_xLGTFltGrade3=1)。該診斷用于整列車。

2.2 初始方案的安全性分析

由于這是一個(gè)全新的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,且緊急照明與列車安全密切相關(guān),因此采用故障模式影響分析(FMEA)技術(shù)對(duì)該方案進(jìn)行了詳細(xì)的安全性分析。表1為針對(duì)該電路中主要部件開展的FMEA。

表1 照明系統(tǒng)主要部件FMEA

通過(guò)FMEA,可以得出緊急照明啟動(dòng)信號(hào)DO-ELSTART及客室照明供電接觸器PLK對(duì)本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是單點(diǎn)故障。若其發(fā)生故障、會(huì)影響到乘客的安全。其中,DO-ELSTART若無(wú)法發(fā)出緊急照明啟動(dòng)信號(hào)的話,會(huì)導(dǎo)致照明系統(tǒng)仍保持正常照明亮度而過(guò)多消耗列車的蓄電池電能,使得蓄電池?zé)o法提供45 min的緊急供電。其影響是致命的,極端情況下甚至?xí)?dǎo)致災(zāi)難性的后果。當(dāng)PLK吸合機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時(shí),車輛將失去全部主要燈帶照明而僅剩下貫通道照明,無(wú)法保證緊急照明的亮度。其影響是臨界性的,如果這時(shí)列車失去中壓,本車廂將無(wú)法提供緊急照明,可能會(huì)導(dǎo)致致命性的后果。因此,這兩種故障模式都是不能接受的,應(yīng)采取必要的措施來(lái)降低這兩種故障模式的風(fēng)險(xiǎn)。

危害補(bǔ)償措施的優(yōu)先順序如下:

(1) 通過(guò)設(shè)計(jì)手段消除危害;

(2) 通過(guò)設(shè)計(jì)途徑控制危害;

(3) 通過(guò)安全裝置控制危害;

(4) 通過(guò)警報(bào)裝置控制危害;

(5) 通過(guò)操作程序和培訓(xùn)控制危害。

如同表1中的補(bǔ)償措施,本系統(tǒng)采用的措施是通過(guò)設(shè)計(jì)途徑控制危害。即采用設(shè)計(jì)冗余來(lái)降低危害發(fā)生的概率。

3 最終設(shè)計(jì)方案及關(guān)鍵元器件選型

根據(jù)初始設(shè)計(jì)方案的FMEA結(jié)果,需要按照FMEA中制定的補(bǔ)償措施對(duì)初始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn),以降低DO-ELSTART及PLK兩個(gè)部件相應(yīng)故障模式的風(fēng)險(xiǎn);同時(shí),還要對(duì)電路中的關(guān)鍵元器件故障率進(jìn)行預(yù)計(jì),以評(píng)估選型的合理性。

3.1 最終設(shè)計(jì)方案

改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方案如圖3所示。本方案的主要改進(jìn)之處包括:①為DO-ELSTART并聯(lián)了一個(gè)冗余的緊急供電接觸器EPK觸點(diǎn),當(dāng)列車出現(xiàn)故障需要緊急供電時(shí),司機(jī)按下緊急通風(fēng)開關(guān)的同時(shí),將驅(qū)動(dòng)EPK,空調(diào)系統(tǒng)啟動(dòng)應(yīng)急通風(fēng)。這時(shí)EPK在本照明電路中并聯(lián)的觸點(diǎn)向燈帶調(diào)光器發(fā)出緊急照明信號(hào),本信號(hào)與TCMS發(fā)出的DO-ELSTART信號(hào)互為冗余。②為PLK觸點(diǎn)并聯(lián)了一個(gè)PLK1觸點(diǎn),兩者互為冗余。

圖3 LED照明系統(tǒng)最終設(shè)計(jì)方案

3.2 關(guān)鍵元器件故障率預(yù)測(cè)

通過(guò)FMEA,得知DO-ELSTART故障的危害性很大,因此必須對(duì)其冗余的EPK進(jìn)行故障率預(yù)測(cè),評(píng)估其選型的合理性。

該接觸器的負(fù)載類型為感性負(fù)載,工作在平穩(wěn)移動(dòng)的地面車輛上,工作電流15 A,工作環(huán)境溫度55 ℃,應(yīng)用類別為大功率,動(dòng)作速率小于1次/h,需采用三刀雙擲觸點(diǎn)型式。

經(jīng)選型計(jì)算,EPK選用施耐德LC1-D258FDC。該繼電器額定溫度為85 ℃,額定阻性負(fù)載電流為25 A,結(jié)構(gòu)形式為銜鐵式(短),質(zhì)量等級(jí)為B2級(jí)。

根據(jù)GJB/Z 299C—2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)測(cè)》,接觸器的工作失效率λP預(yù)測(cè)模型為:

λp=λbπEπQπC1πCYCπrπAπC

式中:

λb——基本失效率;

πE——環(huán)境系數(shù);

πQ——質(zhì)量系數(shù);

πC1——觸點(diǎn)形式系數(shù);

πCYC——?jiǎng)幼魉俾氏禂?shù);

πr——額定負(fù)載系數(shù);

πA——應(yīng)用系數(shù);

πC——結(jié)構(gòu)系數(shù)。

結(jié)合上文給出的參數(shù),查閱GJB/Z 299C—2006,可得λb=0.153 7次/106h,πE=4,πQ=0.60,πC1=3,πCYC=0.1,πr=2,πA=1.8,πC=3.5。則λp≈1.39次/106h。

從該接觸器的故障預(yù)測(cè)過(guò)程及故障預(yù)測(cè)結(jié)果可知,該接觸器選型合理,能夠滿足安全要求。

4 結(jié)語(yǔ)

在地鐵車輛集中供電照明系統(tǒng)這一新技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中,通過(guò)對(duì)照明系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)方案中的主要部件開展FMEA,識(shí)別出了其中潛在的安全隱患并制訂了相應(yīng)的補(bǔ)償措施。在最終的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中,根據(jù)FMEA的結(jié)果,通過(guò)冗余設(shè)計(jì),從設(shè)計(jì)上保證了列車照明系統(tǒng)的安全性。目前該集中供電照明系統(tǒng)已在10列車上通過(guò)調(diào)試并交付給用戶,現(xiàn)場(chǎng)使用情況良好。

[1] 中國(guó)人民解放軍總裝備部.故障模式、影響及危害性分析:GJB 1391—2006 [S].北京:總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部,2006:22-24.

[2] 劉幗巾.接觸器式繼電器的觸點(diǎn)失效物理分析[J].低壓電器,2006(7):12.

[3] PATRICK D T,O` Connor.實(shí)用可靠性工程[M].4版.北京:電子工業(yè)出版社,2005:282.

[4] 中國(guó)人民解放軍總裝備部.電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè):GJB/Z 299C—2006 [S].北京:總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部,2007:137-147.

Design for the Safety of Centralized Saloon Illumination Power Supply in Metro Train

SHENG Yinsheng, XUE Shusheng, ZHANG Shun

The safety design process of centralized saloon illumination power supplyin metro train is introduced.In which,the designers implement FMEA to improve the system design.By identifying the potential hazards in the initial design scheme and according to the result of FMEA,some compensation provisions are proposed to assure the safety of illumination system.

metro train; saloon illumination system; centralized power supply; safety; reliability; FMEA (failure mode and effects analysis)

U270.38+1:U231

10.16037/j.1007-869x.2017.04.013

2015-05-15)