地鐵車輛與車間電源安全聯鎖方案設計分析

鄭 玄

（廣州地鐵集團有限公司運營事業總部，廣東廣州 510310）

1 地鐵車輛簡介

廣州地鐵 21 號線車輛，同時具有受電弓和集電靴2 種制式受流，列車庫內采用 DC1500 V 接觸網供電，正線采用 DC1500 V 第三軌供電，在車輛段出入段線設置弓靴轉換點，正線運營選擇受流靴模式，車輛段回庫選擇受電弓模式。車輛采用 6 節編組配置，采用 4動 2 拖的動力編組型式（-Tc+Mp+M－M+Mp+Tc-），其中 Tc 車為帶司機室的拖車，Mp為帶受電弓的動車，M 車為動車，每節車配置 1 套受流器（圖 1）。

圖1 列車編組示意圖

車輛裝有牽引系統及輔助電源系統設備，車輛高壓電路原理如圖 2 所示。正常情況下，地鐵車輛由受電弓或集電靴供電，但受電弓和集電靴不可同時得電；車間電源主要用于地鐵列車的日常維護工作，通過為車輛輔助電源系統提供 DC1500 V 電源，實現列車靜態調試工作。

1.1 牽引系統

列車牽引系統主要由高壓電器箱、牽引逆變器、制動電阻、牽引電機等設備構成，采用牽引逆變器和異步牽引電機構成的交流電傳動系統。外部輸入的DC1500 V 經過牽引逆變器變換成頻率、電壓均可調的三相交流電，向異步牽引電機供電，牽引電機通過聯軸節與齒輪傳動裝置連接，傳遞牽引或電制動力矩，驅動列車前進或使列車制動。

1.2 輔助電源系統

列車輔助電源系統主要由輔助高壓箱、庫用插座箱、輔助逆變器、擴展供電裝置等設備構成。輔助電源系統將 DC1500 V 逆變成 AC380 V，為空調、空氣壓縮機、照明及控制電路等提供穩定的三相四線制的交流電，并將 AC380 V 通過蓄電池充電機變換成蓄電池與低壓直流負載使用的 DC110 V 電壓。

輔助電源系統獨立于牽引系統，為保證輔助電源系統的高可用性并避免通過斷電區時電壓中斷，設置了列車高壓輔助母線，通過該母線將 2 臺輔助逆變器輸入端并連，并設置熔斷器（BAF）進行保護。

圖2 列車高壓電路原理圖

1.3 車輛高壓電路工況

針對地鐵車輛使用車間電源設備的需求，在高壓電器箱內設置三位置轉換開關 QS1，用于主電路運行模式、車間電源模式以及切除模式的操作。通過操作該開關至相應的位置，可實現車輛高壓電路如表 1 所示的 3 種工況。當 QS1 被操作至“車間電源”位時，列車將與車間電源設備連接并工作。

表1 車輛高壓電路工況

2 車間電源設備

車間電源柜主要由機械部分（電源柜體、庫用插座連接器、不銹鋼繞線盤等）、電氣系統（主回路、控制回路、安全保護與報警系統）、設備電源、線纜及分布于車間內各處的急停控制單元組成。目前國內各地鐵車輛段通常采用雙路輸出方式的車間電源柜，為確保其使用安全通常設置以下 2 種安全聯鎖：①只有在車間電源連接器連接可靠后才具備輸出條件；②同一臺車間電源柜的兩路輸出互鎖。車間電源柜的輸出包括DC1500 V、DC110 V 電源，但部分車間電源柜的輸出不含 DC110 V 電源。

3 車間電源連接器

地鐵車輛在使用車間電源設備時，通過車間電源連接器進行連接。車間電源連接器由車間電源插座、車間電源插頭組成。車間電源連接器采用 8 芯連接器，其中主觸點 1 個，輔助控制觸點 7 個。

車間電源插座安裝在高壓箱內，一列車共計 2 個，分別位于 Mp 車的兩側。車間電源插座的外形如圖 3 所示。

車間電源插頭安裝在地面靜調柜的電源輸出端，每個輸出端配置 1 個插頭。車間電源插頭的外形如圖 4所示。

4 車上安全聯鎖方案設計

列車共配置 2 個車間電源插座，每個單元各配置1 個車間電源插座，放置在 M 車的兩端。根據列車在庫內的使用情況及安全考慮，車上安全聯鎖電路的設計既需要考慮與車間電源設備本身安全聯鎖電路的配合，也需要考慮列車 2 個單元之間的安全聯鎖設計。

圖3 車間電源插座外形圖

圖4 車間電源插頭外形圖

為保證操作人員安全，受電弓或集電靴與車間電源之間電路邏輯互鎖，對于同時具有受電弓和集電靴 2 種制式受流的地鐵車輛，其與車間電源之間的電路控制更加復雜，對供電的安全性提出更高要求。因此，受電弓、集電靴和車間電源低壓控制電路之間必須相互互鎖，不允許任何 2 種方式的高壓回路同時接通供電，否則將造成嚴重的電氣安全事故。

4.1 車上安全聯鎖電路

根據列車高壓電路原理（圖 2），受電弓與集電靴通過聯鎖接觸器（KM11、KM12）進行互鎖，受電弓與集電靴高壓回路不會同時帶電。當列車采用受電弓受流時，KM11 接觸器閉合，KM12 分斷；當列車采用集電靴受流時，KM12 接觸器閉合，KM11 分斷。KM11、KM12 接觸器可以通過操作激活端司機室受電弓和受流靴轉換開關，且受電弓和集電靴的狀態可以在列車 HMI 顯示，這樣方便司機直觀觀察。

因受電弓與集電靴已通過電路互鎖，高壓回路與車間電源的車上安全聯鎖電路原理如圖 5 所示。車間電源連接器的接口定義見表 2。

圖5 車上安全聯鎖電路原理圖

表2 車間電源連接器接口表

4.2 使用車間電源柜的安全聯鎖電路原理

當地鐵車輛使用車間電源柜時（如圖 5 中左側單元所示），車上安全聯鎖電路工作原理簡述如下。

將車間電源柜的車間電源插頭與 Mp 車的高壓電器箱的車間電源插座連接可靠，將 2 個 Mp 車高壓箱內的三位置轉換開關 QS1 置于“車間電源”位（此時其常開觸點 SK1、SK2 閉合）。當車間電源柜可以提供 DC110 V 電源時，啟動車間電源柜后，車間電源柜的 DC110 V 電源經觸點 1→a→c→QS1 ∶ SK2→SPK→SPK1'→ QS1 ∶ SK1'→b'→c'→c→b→2 后形成通路，高壓箱內的庫用供電允許繼電器 SPK 控制線圈得電；當車間電源柜無法提供 DC110 V 電源時，則可以通過車輛蓄電池經 6→5→a→QS1 ∶ SK2→SPK→SPK1'→QS1 ∶ SK1'→b'→c'→c回路給高壓箱內的庫用供電允許繼電器 SPK 控制線圈進行供電。列車安全聯鎖電路的 DC110 V 供電原理如下。

（1）庫用供電允許繼電器 SPK 的常開觸點 SPK2 閉合，車間電源插座觸點 3、4 點位之間連通，車間電源柜輸出接觸器 KM 具備閉合條件，操作其輸出按鈕WTB之后，DC1500 V 電源通過 WXP ∶ 8 對車輛進行供電，列車的輔助電源系統具備工作條件。由此實現了地鐵車輛與車間電源柜之間的安全聯鎖保護功能，即只有在車間電源連接器與地鐵車輛連接可靠后，車間電源柜才具備高壓輸出條件。

（2）庫用供電允許繼電器 SPK 的常閉觸點 SPK1 斷開，另一單元庫用供電允許繼電器 SPK' 的閉合條件不能滿足而無法閉合，此時即使其他的車間電源柜與其連接也無法給列車供電。由此實現地鐵車輛 2 個單元之間的安全聯鎖保護功能，即地鐵車輛不能同時由 2 個車間電源柜進行供電。

4.3 安全聯鎖設計功能分析

該地鐵車輛的安全聯鎖電路有效地確保了：①只有在車間電源連接器與地鐵車輛連接可靠后，車間電源柜才具備高壓輸出條件，不會給工作人員帶來觸電危險；②當車間電源柜已經與其中一個單元連接后，即使其他的地面靜調柜與另一單元連接也無法給列車供電，實現了地鐵車輛不能同時由 2 個車間電源柜進行供電的安全聯鎖保護功能，同時該安全聯鎖電路的設計具備以下優點。

4.3.1 安全可靠

（1）完全適應地面靜調電源柜的安全聯鎖接口要求，可以可靠地提供車間電源插頭狀態反饋信號；

（2）車間電源插頭狀態反饋信號只連接了車輛上的 1 組干接點，不涉及其他任何回路，信號可靠；

（3）地面 DC110 V 電源和車上 DC110 V 電源設置二極管進行了隔離，可有效地避免當一個電源輸出電壓高于另一個電源時可能帶來的損壞；

（4）當一個單元車間電源供電時，另外一個單元的庫用供電允許繼電器處于失電狀態，即使另外一個單元的車間電源插座連接其他車間電源連接器也無法輸入高壓；

（5）地面 DC110 V 電源未采用地鐵車輛 DC110 V 負線回流的設計，有效地避免了當地面 DC110 V 電源負線與車輛 DC110 V 負線不共地時無法正常回流，從而導致車輛安全聯鎖電路無法正常工作的情況。

4.3.2 適用范圍廣

既適用于車間電源設備能提供 DC110 V 的電源工況，也適用于車間電源設備無法提供 DC110 V 的電源工況。

5 結語

該安全聯鎖保護設計可以有效實現地鐵車輛與車間電源設備的車上安全聯鎖功能，充分考慮受電弓、集電靴以及車間電源之間的互鎖邏輯，大大提高了車輛使用車間電源設備時的安全性，保證了操作人員的人身安全，有效地提高了車輛設備用電安全性和電路可靠性。

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