地铁车辆与车间电源安全联锁方案设计分析

郑 玄

（广州地铁集团有限公司运营事业总部，广东广州 510310）

1 地铁车辆简介

广州地铁 21 号线车辆，同时具有受电弓和集电靴2 种制式受流，列车库内采用 DC1500 V 接触网供电，正线采用 DC1500 V 第三轨供电，在车辆段出入段线设置弓靴转换点，正线运营选择受流靴模式，车辆段回库选择受电弓模式。车辆采用 6 节编组配置，采用 4动 2 拖的动力编组型式（-Tc+Mp+M－M+Mp+Tc-），其中 Tc 车为带司机室的拖车，Mp为带受电弓的动车，M 车为动车，每节车配置 1 套受流器（图 1）。

图1 列车编组示意图

车辆装有牵引系统及辅助电源系统设备，车辆高压电路原理如图 2 所示。正常情况下，地铁车辆由受电弓或集电靴供电，但受电弓和集电靴不可同时得电；车间电源主要用于地铁列车的日常维护工作，通过为车辆辅助电源系统提供 DC1500 V 电源，实现列车静态调试工作。

1.1 牵引系统

列车牵引系统主要由高压电器箱、牵引逆变器、制动电阻、牵引电机等设备构成，采用牵引逆变器和异步牵引电机构成的交流电传动系统。外部输入的DC1500 V 经过牵引逆变器变换成频率、电压均可调的三相交流电，向异步牵引电机供电，牵引电机通过联轴节与齿轮传动装置连接，传递牵引或电制动力矩，驱动列车前进或使列车制动。

1.2 辅助电源系统

列车辅助电源系统主要由辅助高压箱、库用插座箱、辅助逆变器、扩展供电装置等设备构成。辅助电源系统将 DC1500 V 逆变成 AC380 V，为空调、空气压缩机、照明及控制电路等提供稳定的三相四线制的交流电，并将 AC380 V 通过蓄电池充电机变换成蓄电池与低压直流负载使用的 DC110 V 电压。

辅助电源系统独立于牵引系统，为保证辅助电源系统的高可用性并避免通过断电区时电压中断，设置了列车高压辅助母线，通过该母线将 2 台辅助逆变器输入端并连，并设置熔断器（BAF）进行保护。

图2 列车高压电路原理图

1.3 车辆高压电路工况

针对地铁车辆使用车间电源设备的需求，在高压电器箱内设置三位置转换开关 QS1，用于主电路运行模式、车间电源模式以及切除模式的操作。通过操作该开关至相应的位置，可实现车辆高压电路如表 1 所示的 3 种工况。当 QS1 被操作至“车间电源”位时，列车将与车间电源设备连接并工作。

表1 车辆高压电路工况

2 车间电源设备

车间电源柜主要由机械部分（电源柜体、库用插座连接器、不锈钢绕线盘等）、电气系统（主回路、控制回路、安全保护与报警系统）、设备电源、线缆及分布于车间内各处的急停控制单元组成。目前国内各地铁车辆段通常采用双路输出方式的车间电源柜，为确保其使用安全通常设置以下 2 种安全联锁：①只有在车间电源连接器连接可靠后才具备输出条件；②同一台车间电源柜的两路输出互锁。车间电源柜的输出包括DC1500 V、DC110 V 电源，但部分车间电源柜的输出不含 DC110 V 电源。

3 车间电源连接器

地铁车辆在使用车间电源设备时，通过车间电源连接器进行连接。车间电源连接器由车间电源插座、车间电源插头组成。车间电源连接器采用 8 芯连接器，其中主触点 1 个，辅助控制触点 7 个。

车间电源插座安装在高压箱内，一列车共计 2 个，分别位于 Mp 车的两侧。车间电源插座的外形如图 3 所示。

车间电源插头安装在地面静调柜的电源输出端，每个输出端配置 1 个插头。车间电源插头的外形如图 4所示。

4 车上安全联锁方案设计

列车共配置 2 个车间电源插座，每个单元各配置1 个车间电源插座，放置在 M 车的两端。根据列车在库内的使用情况及安全考虑，车上安全联锁电路的设计既需要考虑与车间电源设备本身安全联锁电路的配合，也需要考虑列车 2 个单元之间的安全联锁设计。

图3 车间电源插座外形图

图4 车间电源插头外形图

为保证操作人员安全，受电弓或集电靴与车间电源之间电路逻辑互锁，对于同时具有受电弓和集电靴 2 种制式受流的地铁车辆，其与车间电源之间的电路控制更加复杂，对供电的安全性提出更高要求。因此，受电弓、集电靴和车间电源低压控制电路之间必须相互互锁，不允许任何 2 种方式的高压回路同时接通供电，否则将造成严重的电气安全事故。

4.1 车上安全联锁电路

根据列车高压电路原理（图 2），受电弓与集电靴通过联锁接触器（KM11、KM12）进行互锁，受电弓与集电靴高压回路不会同时带电。当列车采用受电弓受流时，KM11 接触器闭合，KM12 分断；当列车采用集电靴受流时，KM12 接触器闭合，KM11 分断。KM11、KM12 接触器可以通过操作激活端司机室受电弓和受流靴转换开关，且受电弓和集电靴的状态可以在列车 HMI 显示，这样方便司机直观观察。

因受电弓与集电靴已通过电路互锁，高压回路与车间电源的车上安全联锁电路原理如图 5 所示。车间电源连接器的接口定义见表 2。

图5 车上安全联锁电路原理图

表2 车间电源连接器接口表

4.2 使用车间电源柜的安全联锁电路原理

当地铁车辆使用车间电源柜时（如图 5 中左侧单元所示），车上安全联锁电路工作原理简述如下。

将车间电源柜的车间电源插头与 Mp 车的高压电器箱的车间电源插座连接可靠，将 2 个 Mp 车高压箱内的三位置转换开关 QS1 置于“车间电源”位（此时其常开触点 SK1、SK2 闭合）。当车间电源柜可以提供 DC110 V 电源时，启动车间电源柜后，车间电源柜的 DC110 V 电源经触点 1→a→c→QS1 ∶ SK2→SPK→SPK1'→ QS1 ∶ SK1'→b'→c'→c→b→2 后形成通路，高压箱内的库用供电允许继电器 SPK 控制线圈得电；当车间电源柜无法提供 DC110 V 电源时，则可以通过车辆蓄电池经 6→5→a→QS1 ∶ SK2→SPK→SPK1'→QS1 ∶ SK1'→b'→c'→c回路给高压箱内的库用供电允许继电器 SPK 控制线圈进行供电。列车安全联锁电路的 DC110 V 供电原理如下。

（1）库用供电允许继电器 SPK 的常开触点 SPK2 闭合，车间电源插座触点 3、4 点位之间连通，车间电源柜输出接触器 KM 具备闭合条件，操作其输出按钮WTB之后，DC1500 V 电源通过 WXP ∶ 8 对车辆进行供电，列车的辅助电源系统具备工作条件。由此实现了地铁车辆与车间电源柜之间的安全联锁保护功能，即只有在车间电源连接器与地铁车辆连接可靠后，车间电源柜才具备高压输出条件。

（2）库用供电允许继电器 SPK 的常闭触点 SPK1 断开，另一单元库用供电允许继电器 SPK' 的闭合条件不能满足而无法闭合，此时即使其他的车间电源柜与其连接也无法给列车供电。由此实现地铁车辆 2 个单元之间的安全联锁保护功能，即地铁车辆不能同时由 2 个车间电源柜进行供电。

4.3 安全联锁设计功能分析

该地铁车辆的安全联锁电路有效地确保了：①只有在车间电源连接器与地铁车辆连接可靠后，车间电源柜才具备高压输出条件，不会给工作人员带来触电危险；②当车间电源柜已经与其中一个单元连接后，即使其他的地面静调柜与另一单元连接也无法给列车供电，实现了地铁车辆不能同时由 2 个车间电源柜进行供电的安全联锁保护功能，同时该安全联锁电路的设计具备以下优点。

4.3.1 安全可靠

（1）完全适应地面静调电源柜的安全联锁接口要求，可以可靠地提供车间电源插头状态反馈信号；

（2）车间电源插头状态反馈信号只连接了车辆上的 1 组干接点，不涉及其他任何回路，信号可靠；

（3）地面 DC110 V 电源和车上 DC110 V 电源设置二极管进行了隔离，可有效地避免当一个电源输出电压高于另一个电源时可能带来的损坏；

（4）当一个单元车间电源供电时，另外一个单元的库用供电允许继电器处于失电状态，即使另外一个单元的车间电源插座连接其他车间电源连接器也无法输入高压；

（5）地面 DC110 V 电源未采用地铁车辆 DC110 V 负线回流的设计，有效地避免了当地面 DC110 V 电源负线与车辆 DC110 V 负线不共地时无法正常回流，从而导致车辆安全联锁电路无法正常工作的情况。

4.3.2 适用范围广

既适用于车间电源设备能提供 DC110 V 的电源工况，也适用于车间电源设备无法提供 DC110 V 的电源工况。

5 结语

该安全联锁保护设计可以有效实现地铁车辆与车间电源设备的车上安全联锁功能，充分考虑受电弓、集电靴以及车间电源之间的互锁逻辑，大大提高了车辆使用车间电源设备时的安全性，保证了操作人员的人身安全，有效地提高了车辆设备用电安全性和电路可靠性。

[1]梁旭，张玉尊，张玉琢. 地铁列车静调电源柜及其应用[J]. 现代城市轨道交通，2013（2）：26-28.

[2]苗伟明，王野，荣志民. 辅助电源系统与静调电源设备的安全联锁[J]. 轨道交通装备与技术，2014，3（2）：29-31.

[3]生鲁平，张红潮，张红江. 具有弓靴及车间电源三种供电方式的轨道车辆电路控制方法[J]. 沿海企业与科技，2013（4）：66-68.

[4]黄济荣. 电力牵引交流传动与控制[M]. 北京：机械工业出版社，1998.

[5]广州地铁集团有限公司. 广州市轨道交通21号线车辆技术规格书[G]. 广东广州：广州地铁集团有限公司，2014.