基于電流監測的APM車輛集電靴報警系統開發與應用

柴立鑫

摘 要：本文以上海APM浦江線為例，介紹了龐巴迪INNOVIA APM 300型車輛集電靴故障無報警問題及其影響，重點描述了基于電流監測的APM車輛集電靴報警系統組成、報警邏輯及系統應用情況。

關鍵詞：全自動旅客運輸;APM300;集電靴

Abstract：Taking Shanghai Pujiang APM line as an example， The article describes the collector shoes of the Bombardier INNOVIA APM 300 vehicle and the problem of no alarm when it fails and the effects it has. focusing on describing the composition of APM vehicle collector shoes alarm system based on current monitoring， alarm logic and system application.

Key words：Automated People Mover System;APM 300; Collector shoes

1 引言

上海軌道交通浦江線是一條采用龐巴迪APM系統（全自動旅客運輸系統）的線路。自2018年3月開通運營以來，偶有靴軌沖突（集電靴脫離供電軌）事件發生，沖突發生后集電靴與絕緣罩殼及導向軌發生碰撞，造成供電軌接地故障、絕緣軌罩損壞、車輛接地故障等嚴重次生災害，甚至造成15分鐘以上晚點、降級模式運營事件發生。究其原因為龐巴迪INNOVIA 300車型集電靴脫出供電軌后無報警，OCC遠程無法及時獲取故障信息并采取措施，最終導致故障事態升級。

國內外采用龐巴迪INNOVIA APM300車型的線路均無集電靴監測報警，且線路主要為大型機場航站樓間的聯絡線，發生靴軌沖突后事故影響較小故未對此進行系統研究和整改。

浦江線作為一條納入上海地鐵路網的無人駕駛線路，運營壓力較大，鑒于國內外該系統均無法徹底杜絕靴軌沖突發生，且發生后影響較大，有必要研發一套能夠實現靴軌沖突后及時報警的檢測系統，從而有效提高運營故障的處置效率，降低對運營造成的影響，對于浦江線車輛的安全運行提供有力保障。

2 APM系統受流原理概述

2.1集電靴概述

龐巴迪INNOVIA APM 300型車輛為全動車且單節獨立供電，每輛車上裝有2套供電集電靴，分別安裝于轉向架導向構架上。符合 IEC 60850 標準的第三軌側式受流，額定電壓 DC750V（DC±375V），電壓變化范圍 DC600～900V。

單個集電靴參數：額定電流≥450A，短時最大電流（10S）：950A，短時最大電流（2S）：1200A。

APM300列車集電靴采用第三軌側部接觸受流方式供電。集電靴有足夠、良好的取流性能，且當只有一個集電靴對車輛供電時，集電靴可保證列車正常工作。

2.2集電靴受流原理概述

每節車輛一位端和二位端轉向架上的集電靴組件通過受流電纜進行并聯連接，這樣可以確保當車輛的每臺轉向架從一個供電區移動至下一個供電區的時候，供電不會中斷。當發生靴軌沖突或經過供電分段絕緣區段時，每個集電靴具有供應正常車輛運行需要的所有電能的容量。

單側兩個集電靴若與供電軌接觸良好，導電率一致的情況下，通過的電流為平均分布。因此，本文將在每個集電靴受流電纜上加裝霍爾電流傳感器，對電流進行監測及對比分析，實現電流檢測報警。

2.3集電靴載流范圍梳理

目前浦江線APM車輛載流情況主要有4種，分別為牽引、惰性、電制動、停站。通過前期對APM車輛個工況下電流數據采集分析，得到最大電流為AW3工況下，如圖3所示。

當列車開始牽引后，集電靴承載的電流開始線性增加，當牽引系統從恒轉矩向恒功率轉變時，短暫出現電流下降后電流繼續增加。實測單側集電靴承載電流峰值約為500A，小于600A的設計最大值。

當列車處于惰性或保持勻速前進狀態時，電流相對穩定，存在小幅波動，波動范圍約為70-120A。

電制動反饋供電軌的電流大小與運行的列車數量及線路網壓存在關聯，當網壓超過DC900V時，無法反饋供電軌，改為電阻制動將電能轉化為熱能。（圖3電流采集設備不區電流方向，電制動電流應為反向電流）

當列車處于靜止或停站狀態時，電流值穩定，主要為列車輔助設備用電，如空調、照明、車門及PIS系統。因車載空調、照明等靜態用電設備影響，停站電流值約為20-50A。

通過對上述集電靴正常工作電流值的梳理，為后續電流傳感器的選型提供依據，同時，能夠將停站電流值作為判斷條件，提高報警準確定性。

3靴軌監測系統方案

本方案通過霍爾電流傳感器采集集電靴實時電流并分析，利用現有TCMS預留備用I/O接口，將電流檢測系統的脫靴報警以硬線方式傳輸至車輛TCMS，TCMS通過車載ATC的車地無線系統上傳至OCC的ATS服務器端，實現集電靴脫軌報警及狀態異常預警。該系統能及時發現集電靴受流異常，通過對該故障的準確反饋，減少集電靴與導電軌之間的互相干涉，同時效防止集電靴對導電軌的電纜的損傷。

系統主要由4臺分析服務器及16臺霍爾電流傳感構成，其中1臺分析服務器為主服務器，整列車監測設備通過車載以太網絡共用主控服務器。分析服務器實現集電靴電流值實時測量及報警邏輯設置，電流數據保存時間不低于1個月。電流傳感器監測范圍為0-750A/DC，誤差小于1%，采樣頻率為10Hz。

4報警邏輯設計

4.1脫靴報警邏輯

（1）單節車單個集電靴脫靴報警（單個集電靴故障報警）

實時檢測每節車4個集電靴，當正極總電流大于閾值，且正極的某個靴電流持續小于1A滿2秒，報警輸出。負極采用同樣邏輯。

因車載空調、照明、PIS等靜態用電設備消耗電流在20-50A，故閾值設置為大于50A。通過設置閾值，可有效過濾停站期間，靜態電流過小導致的脫靴誤報情況。

（2）單節車單側集電靴脫靴報警（一側兩個集電靴故障報警）

浦江線APM300型車輛每節車為獨立供電，車輛之間750Vdc不貫通。

因此，對4節車之間的集電靴電流總和進行對比，如有車廂電流的平均值在1A以下，同時其他車廂所有集電靴正極性或負極性電流總值在55A以上時（脫靴接地除外），累計持續時間為5秒以上時，進行對應的脫靴報警。

（3）單節車單側集電靴脫靴接地報警

系統監測到單個集電靴的電流值在700A以上且持續200ms以上，立刻觸發脫靴報警;如果監測到正負極電流值總和不等，且總和的差值在55A以上，可判斷總和值比較大的那邊極性存在接地故障，同側集電靴中，取電流值較小的判斷為集電靴脫落接地，啟動報警機制。

（4）單節車單個集電靴異常拉弧報警

集電靴發生劇烈的振動，當某一電流采樣值是上一電流采樣值的50倍以上，開始跟蹤，當6秒內5次檢測到電流值是上一采樣值10倍，則輸出報警。

4.2 受流異常預警邏輯

（1）由于系統采用的電流傳感器精度為±6A，最大誤差12A。兩側供電軌同時監測，累計誤差24A。檢測正極與負極之間的差值，當差值超過24A，且持續5秒，發出受流異常預警。

（2）當發現設定的時間內，集電靴經常出現小于1A的情況，發出預警，該集電靴處于靴軌匹配不良狀態。

（3）突變率是比較同側集電靴的變化情況，當兩個集電靴的電流在一定時間內經常變化，判斷可能存在集電靴抖動或其他情況導致不良。根據采集的電流數據分析，集電靴正常受流情況下，電流變化為線性變化，為出現電流瞬間倍率升高情況，初步設定突變率為前一個采樣點的10倍。該值可根據需要進行調整。

（4）將4個集電靴的電流取平均值進行比較，當某個集電靴電流值與平均值的差值相比其他3個靴的偏差過大，判斷此靴可能存在異常。

5 系統應用情況

5.1 報警案例分析

時間：2020年12月19日08：35：15

ATS車輛故障信息：三魯公路上行T0107號車4車廂1位端集電靴報警。

電流監測源數據如下：

時間_1#_電流值_2#_電流值_3#_電流值_4#_電流值_報警

{083512_41_262.65_42_191.81_43_188.42_44_266.12_0010}

{083512_41_183.99_42_232.79_43_194.16_44_233.18_0010}

{083512_41_225.81_42_149.82_43_171.81_44_217.49_0010}

{083512_41_185.17_42_137.70_43_324.32_44_000.92_0010}

{083512_41_175.09_42_119.68_43_283.77_44_000.87_0010}

{083512_41_153.60_42_086.47_43_232.09_44_000.87_0010}

{083512_41_123.35_42_087.98_43_205.53_44_000.92_0010}

{083513_41_074.79_42_068.85_43_131.48_44_000.90_0010}

{083513_41_061.28_42_034.56_43_095.37_44_000.90_0010}

{083513_41_015.91_42_018.91_43_034.76_44_000.90_0010}

{083513_41_017.53_42_020.00_43_031.93_44_000.90_0010}

{083513_41_012.91_42_013.50_43_023.28_44_000.90_0010}

{083513_41_021.85_42_015.88_43_032.58_44_000.90_0010}

{083513_41_010.95_42_015.57_43_021.15_44_000.90_0010}

{083513_41_018.85_42_014.48_43_028.23_44_000.90_0010}

{083513_41_025.18_42_001.93_43_027.79_44_000.87_0010}

{083513_41_007.70_42_011.85_43_019.55_44_000.87_0010}

{083514_41_022.16_42_014.09_43_033.22_44_000.90_0010}

{083514_41_012.04_42_023.08_43_038.71_44_000.90_0010}

{083514_41_027.81_42_007.95_43_034.09_44_000.90_0010}

{083514_41_018.07_42_015.83_43_036.08_44_000.90_0010}

{083514_41_021.48_42_011.18_43_031.87_44_000.90_0010}

{083514_41_024.09_42_014.31_43_036.05_44_000.90_0010}

{083514_41_047.36_42_037.84_43_084.76_44_000.90_0010}

{083514_41_058.01_42_030.17_43_080.19_44_000.90_0010}

{083514_41_060.95_42_040.11_43_102.57_44_000.90_0010}

{083514_41_068.43_42_030.89_43_100.64_44_000.90_0010}

{083515_41_069.32_42_038.82_43_110.33_44_000.92_3010}

{083515_41_070.33_42_051.01_43_121.79_44_000.90_3012}

{083515_41_074.48_42_051.62_43_126.97_44_000.90_3012}

從數據中可以看出，電流從08：35：12開始由217.49A突變降到1A以下，08：35：15的時候報警，間隔2秒。滿足報警邏輯：總電流大于閾值50A，電流持續2秒小于1A ，輸出報警。

靴軌狀態監測系統能夠及時發現集電靴脫出軌道、集電靴拉弧等受流異常故障，有效減少因靴軌沖突造成的集電靴總成、受流電纜、供電軌及絕緣軌罩的損傷，避免了設備故障擴大化。

5.2 報警準確率

自靴軌監測系統安裝至今，浦江線實際共發生靴軌沖突57起，監測系統成功報出55起靴軌沖突故障，漏報2起，報出率96.49%，誤報故障發生4起，誤報率（誤報次數/報警總數）為7%。

漏報2起，其中2起為靴軌沖突后，集電靴未完全脫離供電軌，存在電流，無法通過電流監測判斷。

誤報4起，其中2起為列車通過供電分段時，單側兩個集電靴存在壓差導致拉弧，出現瞬間大電流報警，該問題已通過供電軌分段區增加二極管整改予以解決。另外2起為集電靴碳滑塊偏磨，與供電軌接觸不良，受流不均衡，出現單個集電靴電流持續小于1A的情況，更換碳滑塊后報警消除。

6 結語

（1）本方案設計的車輛集電靴監測報警系統不僅滿足于上海城市軌道交通浦江線APM的運維要求，并對國內外其他在建的龐巴迪INNOVIA APM項目產生指導意義。

（2）靴軌監測系統通過霍爾電流傳感技術和智能分析，實現了集電靴脫軌后的準確報警，并能及時將故障信息反饋至OCC調度大廳ATS系統。

（3）靴軌監測系統靴軌沖突實際報出率96.49%，誤報率為7%。

（4）靴軌狀態監測系統能夠及時發現集電靴脫出軌道、集電靴拉弧等受流異常故障，有效減少因靴軌沖突造成的集電靴總成、受流電纜、供電軌及絕緣軌罩損傷等次生災害，避免了設備故障擴大化。靴軌狀態監測系統投入使用后，靴軌沖突造成的設備更換損失較低50%。

（5）由于APM系統靴軌關系的復雜性，集電靴運行狀態動態，電流監測不能完全排除極個別的脫靴誤報警發生。但是通過遠程調取集電靴監控視頻，OCC及維保專業人員能夠立即判斷報警是否為誤報，可以避免誤報警影響正常運營。

（6）本方案考慮列車改造周期、既有TCMS系統的兼容性及成本因素，僅依靠電流傳感器數據進行報警存在一定的局限性，后續可進一步研究電流傳感器與圖像識別、速度傳感器、壓力傳感器及GPS等信息結合的報警系統。

參考文獻：

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（上海申凱公共交通運營管理有限公司，上海 200070 ）