地鐵列車緊急制動環路研究及優化

吳安偉 李峰

摘 要：結合鄭州地鐵列車緊急制動不緩解的案例，通過對各線路緊急制動環路進行研究，并分析其設計缺陷，從而優化緊急制動接觸器選型及環路設計方案，最終形成鄭州地鐵列車通用的緊急制動環路方案，也可為其他地鐵公司設計緊急制動環路提供參考。

關鍵詞：地鐵;緊急制動環路;接觸器選型;設計優化

中圖分類號：U279.3

緊急制動環路的設置旨在列車發生緊急情況時可以在最短時間內停車，最大限度地保障乘客人身及財產安全;但該環路若因故障斷開，列車無法緩解緊急制動則會造成列車清客、救援事件，對正線運營產生重大影響。因此，緊急制動環路不僅是應對外界不安全因素的重要保障，還是因內在故障嚴重影響正線運營的重大隱患，具有兩面性。本文通過梳理鄭州地鐵各條線路中緊急制動環路的安全性問題，并針對相應的問題提出優化意見，設計出適合鄭州地鐵列車通用的緊急制動環路方案。

1 列車緊急制動不緩解案例

2019年7月1日，鄭州地鐵1號線0111車發生緊急制動無法緩解故障，司機轉換至緊急牽引位仍無法動車，當換端后故障消失。2018年11月16日，2號線0229車發生緊急制動無法緩解故障，司機依次降級至非限制人工駕駛模式（NRM）、緊急牽引位仍無法動車，最終列車清客后進行救援，造成正線晚點、抽線、下線、加開等重大影響。經分析，這2起故障原因均為緊急制動接觸器觸點卡滯造成緩解指令無法傳輸至制動閥體。同類案例在上海地鐵7號線、寧波地鐵1號線、杭州地鐵2號線等多家地鐵公司均有發生，對正線運營產生嚴重影響。

2 緊急制動環路控制原理

列車緊急制動環路包含控制回路和指令回路，控制回路通過串聯車輛和信號系統中影響行車安全的設備反饋點（如車輛超速保護、總風壓力監控、司控器等）控制緊急制動接觸器;指令回路串聯緊急制動接觸器觸點和制動閥，將控制回路的指令通過接觸器觸點最終傳輸至制動閥體，實現列車緊急制動。通常，緊急制動環路的設計理念分為2種：①保制動緩解，即通過接觸器觸點并聯方式增加緊急制動緩解的概率，以列車運營為導向;② 保制動施加，即通過接觸器多對觸點串聯方式增加緊急制動施加的概率，以列車安全為導向。接觸器觸點并聯方式可降低其工作電流，串聯方式可降低制動閥體的工作電壓，實際應用中各有利弊。通過調研，一些項目/線路的緊急制動環路接觸器連接方式如表1所示。

鄭州地鐵1號（0101～0125車）、2號及5號線列車緊急制動環路設計理念為保制動施加，而1號線（0126～0155車）和城郊線列車為保制動緩解，環路中部件及接線順序大同小異。

2.1 1 號線（0101～0125車）列車環路控制

1號線緊急制動控制環路中依次串聯司機室占有、司控器方向、信號緊急制動（EBR）、網絡（VCU）緊急制動、緊急牽引超速、緊急停車、總風壓力低、零速、緊急制動等設備及接線;其中自動折返（ATB）與司控器方向并聯、列車自動防護（ATP）與信號EBR并聯、緊急牽引與VCU緊急制動和緊急牽引超速并聯，總風壓力低有旁路開關，警惕按鈕和緊急制動接觸器與零速繼電器并聯。指令回路中將緊急制動接觸器的3對觸點串聯于緊急制動列車線，最后連接至制動閥，如圖1所示。

2.2 2 號、5 號線列車環路控制

2號、5號線列車緊急制動環路中所包含的設備及接線與1號線相同，僅繼電器位置和觸點個數稍有差別，結構的主要區別在于：①控制回路中信號EBR后置，增設在指令回路中;②緊急停車繼電器提前，設在司控器方向之后;③指令回路中制動閥后增設信號和ATP切除并聯觸點、3對緊急制動接觸器觸點。

2.3 城郊線和1號線（0126～0155 車）列車環路控制

城郊線緊急制動環路中同樣包含司機室占有、司控器方向、信號EBR、VCU緊急制動、緊急牽引超速、緊急停車、總風壓力低、零速、緊急制動等設備及接線，但設備的供電方式、表述方式、設置順序和數量與1號、2號、5 號線均有所不同，主要體現在：①城郊線緊急制動控制回路及指令回路由2路空氣開關（也稱空氣斷路器）單獨供電，1 號、2號和5號線則由1路空氣開關供電;②1號線（0126～0155車）由2個緊急制動接觸器分別提供1對觸點并聯接入緊急制動指令回路中;③城郊線列車由2個緊急制動接觸器分別提供1對觸點串聯接入緊急制動指令回路中。

3 緊急制動環路存在的問題

通過分析，鄭州地鐵列車緊急制動環路設計中存在以下問題：

（1）西門子3RT1017-2KF42

型接觸器出現觸點燒熔現象，使用壽命無法滿足緊急制動環路的實際需求;

（2）1號線（0101～0125車）列車的信號EBR設置在緊急制動控制回路中，信號系統產生緊急制動時會使緊急制動接觸器動作，增加其動作頻次，從而提升了卡滯的概率;

（3）2號、5號線列車的指令回路中，在制動閥體前后分別設置3對接觸器觸點串聯，增加了接觸器卡滯導致無法緩解緊急制動的概率;

（4）1號線（0126～0155車）列車的緊急制動環路采用2對觸點并聯方式，與多對觸點串聯方式相比，增加了緊急制動無法施加的概率，運營安全性降低;

（5）設計中均未對緊急制動接觸器卡滯設置旁路功能，一旦出現接觸器卡滯緊急制動無法緩解只能等待救援，嚴重影響正線運營。

4 地鐵列車緊急制動環路優化

4.1 接觸器選型優化

緊急制動接觸器是列車緊急制動施加和緩解的關鍵部件，其選型是首先需要考慮的問題。緊急制動接觸器負載為制動閥體，施加和緩解時沖擊電流集中在70～90 A之間，持續時間約為100 μs ，每次緊急制動施加時接觸器會動作1次。如果接觸器容量不足，反復大電流沖擊將造成接觸器觸點燒熔。例如，寧波地鐵1號線、杭州地鐵2號線、成都地鐵1號線曾出現緊急制動接觸器燒熔故障;寧波地鐵2號線、鄭州地鐵1號線出現過接觸器觸點卡滯的故障。當發生緊急制動接觸器觸點燒熔現象后，將原西門子3RT1017-2KF42型接觸器統一更換為施耐德LC1D326FLS207型接觸器。該接觸器3對觸點串聯的額定工作電流為50 A，分斷接通能力大于200 A，其容量滿足實際需求。

鄭州地鐵列車施加緊急制動時的負載沖擊電流約為160 A，分斷功率約為44 kW，緊急制動接觸器3對串聯觸點的每對分斷功率約為14.67 kW。通過分析施耐德LC1D326FLS207型接觸器壽命曲線可知，該接觸器每對主觸頭可承受的最大分斷功率為16 kW時，電氣壽命的動作次數大于3×105次。根據鄭州地鐵實際運行情況，在5年架修時更換緊急制動接觸器，其動作次數約為9.1萬次，小于其使用壽命30萬次的1/3，則設計壽命滿足實際需求。但在實際生產中，無法保障該接觸器在全壽命周期內100%可靠，因此如何減少接觸器動作頻次，降低其故障率是緊急制動環路設計的關鍵。

4.2 環路設計方案優化

環路設計方案優化的原則是：在確保安全的前提下，最大限度地提升運營效率。具體內容如下：

（1）緊急制動環路設計應堅持安全導向的原則，采用保制動施加方案，即多對觸點在指令回路中串聯;

（2）將信號EBR設置在指令回路中，確保信號系統在施加緊急制動時接觸器不動作;

（3）在指令回路中制動閥體前設置接觸器串聯觸點，取消制動閥后的觸點;

（4）增設緊急制動接觸器旁路，在出現接觸器卡滯、緊急制動無法緩解的情況下仍具備動車條件，無須啟用救援方案。

具體優化方法為：將信號EBR從控制回路移至指令回路，控制回路中其他設計不做變更;指令回路中依次包含緊急制動接觸器多對串聯觸點、信號EBR、制動閥。增設的緊急制動接觸器旁路連接在接觸器串聯觸點兩端，旁路包含接觸器串聯觸點、總風壓繼電器觸點、蘑菇按鈕接線，如圖2所示。旁路中串聯總風壓繼電器觸點、蘑菇按鈕接線，確保旁路啟用后列車仍具有總風壓力低和蘑菇按鈕防護功能;同時，在列車控制系統中增設旁路監控并建立聯鎖關系，當該旁路被觸發時，列車限速30 km/h運行，增加安全保障。

5 結語

本文通過深度分析鄭州地鐵各線路緊急制動環路控制原理，調研同行業接觸器設置方式，以及分析接觸器選型情況，根據存在的問題提出相應的優化方案。該方案將正常運營時列車的緊急制動環路導向安全;減少接觸器動作頻次，降低接觸器卡滯導致緊急制動不緩解的概率;在故障發生時能確保列車具備動車條件。目前該方案已被確定為鄭州地鐵新線列車通用的緊急制動環路設計方案，且在2號線完成部分項目的優化工作，已通過現場測試并投入運營，目前運營效果良好。

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收稿日期 2020-05-09

責任編輯 黨選麗