地铁车辆空气压缩机转换供电电路设计方案改进胡亚军

(中车浦镇庞巴迪运输系统有限公司,210031,南京∥工程师)



地铁车辆空气压缩机转换供电电路设计方案改进胡亚军

(中车浦镇庞巴迪运输系统有限公司,210031,南京∥工程师)

结合实际地铁项目,对空气压缩机的转换供电控制电路进行了介绍,针对原型电路存在的安全隐患,提出了3个改进方案。对各改进方案的电路及控制逻辑做了分析和比较,最终确定了远程输入输出模块(RIOM)常闭型触点串联冗余改进方案为最为安全、可靠的空压机转换供电电路方案。

地铁; 空气压缩机; 转换供电; 故障分析

Author′s address CRRC Puzhen Bombardier Transportation Systems Limited,210031,Nanjing,China

空气压缩机(以下简为“空压机”)作为地铁车辆的一项关键系统部件,是空气制动、受电弓等设备唯一的压缩空气来源。目前，空压机大多采用AC 380 V中压交流供电。一般情况下整列列车共配置2台空压机,根据具体项目列车交流供电方案的不同,空压机的供电方式也不尽相同。如全车仅有1条中压交流供电母线,则空压机均接入该母线;如全车有2条或以上中压交流供电母线,则空压机接入不同母线。本文从南京地铁1号线南延线、南京地铁10号线、苏州地铁2号线、南京地铁1号线增购等地铁项目出发,分析了空压机转换供电控制原型电路及改进电路的不同形式,探讨了每种电路和控制逻辑的主要特点,并确定了最为安全、可靠的电路方案。

1 空压机供电方案

在南京地铁1号线南延段、南京地铁10号线、苏州地铁2号线、南京地铁1号线增购车辆项目中,列车编组形式为TC-MP-M-M-MP-TC(TC为带司机室的拖车,MP为带受电弓的动车,M为不带受电弓的动车)。全车中压交流供电采用交叉供电方式,每辆TC车配置1台辅助逆变器(SIV),每台辅助逆变器输出1路AC 380 V三相交流母线。全车总共通过2路独立的三相交流母线向整车所有交流负载供电,且全车的交流负载均匀地分布在两路中压交流母线上,并实现重要交流负载的转换供电,如空压机(每辆Tc车各1台)。列车交流供电原理如图1所示。图1中仅画出空压机的供电,省略了车辆上其它交流负载。

在图1的电路中,当本端辅助逆变器交流输出正常且其交流供电母线无短路异常时,CSK1(转换供电接触器1)触点闭合,本端空压机由本端辅助逆变器供电;当本端辅助逆变器交流输出故障或其交流供电母线发生短路异常时,CSK2(转换供电接触器2)触点闭合,本端空压机改由远端辅助逆变器供电,实现空压机的转换供电。对于该电路而言,对空压机转换供电的控制最终又落在了对CSK1和CSK2这两个接触器的控制上面。下面将对转换供电的控制电路原型及各改进电路进行逐一分析。

2 空压机转换供电控制电路原型

在空压机转换供电控制电路设计之初,使用了图2所示的空压转换供电电路方案。该电路中,当本端SIV检测到交流输出正常时端口X2输出信号使得CSR(转换供电继电器)激活,从而控制CSK1激活、CSK2失电,因而本端空压机由本端辅助逆变器供电。当本端SIV检测到交流输出故障时,SIV辅助逆变器端口X2无信号输出,CSR失电。从而控制CSK1失电、CSK2激活,因而本端空压机改由远端辅助逆变器供电,最终实现空压机的转换供电控制(见图1)。在本方案中,CSK1和CSK2之间存在一种电气互锁关系；为增强安全性和可靠性,CSK1和CSK2之间同时设置了机械互锁装置,以保证CSK1和CSK2在任何时刻均不会同时激活。

图2 空压机转换供电电路原型

该电路原型曾经在南京地铁1号线南延段、苏州地铁2号线等项目中采用,但在列车实际运营过程中发现严重的安全隐患。如果当本端空压机内部发生供电短路故障时,本端SIV一旦检测到交流输出故障则采取保护措施,切断本端交流母线的输出；同时电路中SIV端口X2无信号输出,使得CSK1失电，CSK2激活。于是本端存在短路故障的空压机转换为由远端SIV供电,从而空压机短路故障转移到远端交流母线；远端SIV同样检测到交流输出故障后采取保护措施,切断远端交流母线的输出。因此，造成全车的交流供电母线瘫痪。如果该故障在正线运营时发生,则会导致清客或列车救援。

为了解决这一问题,对空压机转换供电原型电路进行了一系列的改进。

3 空压机转换供电控制电路改进

通过对原型电路的分析,需要将TCMS(列车控制与管理系统)引入到空压机转换供电控制电路。TCMS既能够通过列车通信网络与SIV等各车载设备传输数据,又能够通过RIOM(远程输入/输出模块)设备的I/O(输入/输出)接口与硬线电路之间传递信号。据此,设计出几种改进电路方案。

3.1 方案一

方案一为RIOM常开型触点并联冗余方案(见图3)。该方案在图2原型电路的基础上增加1条与SIV的X1、X2端口所在支路1并联的支路2。支路2由RIOM1和RIOM2常开型触点并联后,再与CSR常开触点23、24串联组成。RIOM 设备内部为单刀双掷触点(COM为公共端,NC为常闭触点,NO为常开触点),TCMS通过控制 RIOM 内部触点的动作控制与外部电路的接通与断开。方案一中TCMS的控制逻辑如图4所示。

图3 空压机转换供电改进电路方案一

图4 方案一转换供电TCMS控制逻辑

该控制逻辑中,当且仅当SIV检测到交流供电母线发生短路故障时,SIV向TCMS发出禁止转换供电信号。如图3所示,当TCMS判断认为应禁止转换供电时,控制RIOM1和RIOM2触点动作(即COM端和NO端接通)。由于SIV在检测到交流供电母线短路故障之前,X2端口一直有输出,从而使得继电器CSR激活,则与RIOM串联的CSR常开触点<23、24>接通；因此,即使本端SIV检测到交流供电母线发生短路，从而导致支路1断开,支路2也仍然处于导通状态,则CSR保持在激活状态不会失电,CSK1保持激活状态,CSK2保持失电状态,本端空压机供电不会转换为由远端SIV供电。如果本端空压机发生供电短路故障,该故障不会转移至远端SIV的交流供电母线,则不会造成全车的交流供电母线瘫痪,从而避免了原型电路存在的安全隐患。

为了实现冗余控制,改进方案一中采用了RIOM1和RIOM2的常开触点并联形式。即使其中1个RIOM故障,与之并联的另外1个RIOM也仍然能够工作,对转换供电的控制不会造成影响。最极端的情况是2个RIOM均故障。此时，支路2断开,TCMS不会禁止空压机转换供电。这在一定程度上保证了空压机的可用性。从理论上来讲,2个RIOM均已故障的情况下，如果空压机再发生短路故障,则空压机短路故障会转移至远端交流供电母线。但这种情况已属于多重故障,属于小概率事件,实际上几乎不可能发生。

图3中,支路2使用了CSR常开触点23、24与RIOM串联。CSR常开触点的意义是,只有当支路1导通使得继电器CSR激活时,此处TCMS的转换供电控制功能才能够发挥作用。当SIV正常工作时,继电器CSR始终保持激活状态,CSR常开触点23、24闭合;当SIV无法提供交流电时支路1断开,由TCMS根据SIV无法提供交流电的原因判断是否需要进行空压机转换供电,从而进行相应的控制。

该改进电路及控制方案已在南京地铁1号线南延线电路整改时采用,并在南京地铁10号线项目中采用。

3.2 方案二

方案二为RIOM常闭型触点串联冗余方案。将方案一电路中支路2的RIOM1和RIOM2常开触点并联方式改为RIOM1和RIOM2常闭触点串联方式,电路其它部分不变。该方案电路如图5所示。方案二中TCMS的控制逻辑如图6所示。

3.3 方案一与方案二比较

比较图4和图6后可以看出,方案一和方案二中转换供电TCMS控制逻辑的区别如下:

(1) 方案一中，RIOM触点动作时电路接通,表示TCMS禁止转换供电;RIOM触点不动作时电路断开,表示TCMS允许转换供电。

(2) 方案二中，RIOM触点动作时电路断开,表示TCMS允许转换供电;RIOM触点不动作时电路接通,表示TCMS禁止转换供电。

图5 空压机转换供电改进电路方案二

图6 方案二的转换供电TCMS控制逻辑

由此可见,因为RIOM触点动作逻辑是由电路形式决定的。因此，虽然2种方案中RIOM触点动作逻辑相反,但电路的控制逻辑却一致(电路接通表示TCMS禁止转换供电,断开表示TCMS允许转换供电)。方案二电路与方案一电路的主要区别见表1。

从表1可以看出,方案一电路和方案二电路最本质的区别在于两个RIOM均故障情况时的控制差异。当两个RIOM均故障、并且空压机再发生短路故障时,方案一中TCMS允许转换供电,则空压机短路故障会转移至远端交流供电母线,属于多重故障,其发生概率极低;方案二中TCMS禁止转换供电,则空压机短路故障不会转移至远端交流供电母线。因此,方案二具有更高的安全性和可靠性,最大限度地降低了原型电路中存在的列车安全隐患。

还存在另外一个问题。由于2个TC车SIV每次上电启动的先后顺序不尽相同,如果本端SIV晚于远端SIV完成启动,则方案二中远端SIV的X2端口比本端SIV更早输出,使得远端CSR比本端CSR更先激活,于是造成两端SIV启动时间差内这段时间的本端CSK1失电、CSK2激活,本端空压机由远端SIV的交流母线供电;当本端SIV启动后X2端口输出使得本端CSK1激活、CSK2失电,本端空压机重新恢复由本端SIV的交流母线供电。因此,两端SIV启动过程中CSK1和CSK2都存在一次瞬间的通-断跳变过程。由于SIV每次启动时CSK1和CSK2均存在一次瞬间跳变的风险,从长远来说这会对接触器的使用寿命产生一定的影响。为了解决这一问题,我们对方案二电路进行改动,取消方案二支路2中的CSR常开触点23、24,得到方案三。

3.4 方案三及方案比较

方案三电路如图7所示。可见，方案三取消了方案二电路里面支路2中的CSR常开触点23、24,同时在转换供电TCMS控制逻辑中增加了“当SIV在启动过程中时,TCMS禁止转换供电”这一逻辑。因此，在SIV启动过程中,本端CSR激活、CSK1激活、CSK2失电,本端空压机由本端SIV的交流母线供电,从而成功避免了方案二中CSK1和CSK2瞬间跳变的风险。

图7 空压机转换供电改进电路方案三

综上所述,方案三既避免了原型电路存在的空压机短路引起全车交流供电母线瘫痪的安全隐患,又解决了接触器CSK1和CSK2瞬间跳变的问题,并且最大限度地保证了列车交流供电母线的安全性和可靠性,其方案优势最为明显。目前方案三已经在南京地铁1号线增购项目中采用。

最后,将RIOM常开型触点并联冗余方案(方案一)、RIOM常闭型触点串联冗余方案(方案二和方案三)的主要技术特性进行对比,对比结果如表2所示。

4 结语

空压机作为地铁车辆的关键系统部件,对列车运行及行车安全来说意义极其重大,本文结合多个地铁项目空压机转换供电设计电路,并结合列车运营时出现的实际问题,指出了原型电路设计存在的空压机短路引起全车交流供电母线瘫痪这一安全隐患,并提出一系列改进电路方案,对每种改进电路方案及其TCMS控制逻辑做了分析和对比,并最终确定了一种综合优势最为明显,最为安全、可靠的空压机转换供电电路方案,将其成功运用于实际项目。

表2 方案三与方案一、方案二比较

[1] 姜敏.新型西门子地铁列车空气压缩机的控制分析[J].淮北职业技术学院学报,2013,12(6):141.

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更正

《城市轨道交通研究》2016年第8期《城市轨道交通与铁路直通运营模式下站台客流组织》一文第一作者李明高的工作单位，更正为“北京城建设计发展集团股份有限公司交通研究中心”。

Improvement of Air Compressor Converting Power Supply Circuit on Metro VehicleHU Yajun

Based on actual metro projects, the converting power supply circuit of air compressor is introduced. According to the hidden problems existed in the prototype circuit, 3 improved solutions are put forward, their circuits and control logics are analyzed and compared. In the end, the most reliable and safe solution that adopts the air compressor converting power supply circuit is confirmed.

metro; air compressor; converting power supply; fault analysis

TH 45

10.16037/j.1007-869x.2016.09.028

2014-11-28)