地鐵列車緊急啟動單元改造

深圳市地鐵集團(tuán)有限公司運營總部車輛中心安全技術(shù)部 胡 科

地鐵列車緊急啟動單元改造

深圳市地鐵集團(tuán)有限公司運營總部車輛中心安全技術(shù)部 胡 科

本文分析地鐵列車緊急啟動單元的可靠性和使用維護(hù)成本；研究新的啟動單元，在保證使用可靠性的前提下，降低運營成本。

地鐵列車緊急啟動；蓄電池；緊急啟動單元；電氣絕緣

0 前言

緊急啟動單元是地鐵列車蓄電池充電機(jī)模塊內(nèi)一個重要部件，它能保證在列車主蓄電池組嚴(yán)重饋電時，列車的正常啟動；深圳地鐵1號線和2號線龐巴迪牽引系統(tǒng)車型上使用鉛酸蓄電池組作為列車緊急啟動單元，該蓄電池組壽命周期約為5年，拆裝復(fù)雜，維護(hù)工作量大，使用成本高；若采用集成電路形式的緊急啟動模塊，僅需結(jié)合列車大修進(jìn)行維護(hù)，可有效降低該部件的全壽命使用成本。

1 緊急啟動單元改造方案

1.1 改造前電路

充電機(jī)通過斷路器20F17用對緊急蓄電池進(jìn)行充電，緊急蓄電池通過斷路器20F18對外圍電路進(jìn)行供電，當(dāng)蓄電池電量低的時候，緊急啟動蓄電池將幫助啟動充電機(jī)模塊。按下司機(jī)室電源柜中緊急啟動電源按鈕2SB01，緊急蓄電池2GB03將通過斷路器 20F18對繼電器2KA02線圈進(jìn)行供電，進(jìn)而通過2KA02的觸點對充電機(jī)的控制板件進(jìn)行供電。充電機(jī)開始工作，對全車的DC110V負(fù)載進(jìn)行供電，并同時對蓄電池以及緊急啟動蓄電池進(jìn)行充電。當(dāng)充電機(jī)開始工作后，緊急蓄電池在延時繼電器2KT03計時到15分鐘后被切斷。

1.2 改造后電路

通過獨立的接線端子1和2可以輸入由接觸網(wǎng)得到的1500V。當(dāng)緊急啟動模塊從3pin端口的管腳5檢測到外部的直流110V電路電壓過低，即原緊急蓄電池充電回路的電壓過低時，緊急啟動模塊從待機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作，從3pin端口的管腳3和4輸出110V，

待司機(jī)室的操作人員按下緊急啟動按鈕2SB01后，由緊急啟動模塊提供的110V通過斷路器 20F18對繼電器2KA02線圈進(jìn)行供電，進(jìn)而通過2KA02的觸點對充電機(jī)的控制板件進(jìn)行供電。充電機(jī)開始工作，對全車的DC110V負(fù)載進(jìn)行供電，并同時對蓄電池進(jìn)行充電。

緊急啟動模塊在端口5檢測到通過2R02充電機(jī)對原緊急啟動蓄電池開始充電的電壓恢復(fù)到110V后將由工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為待機(jī)狀態(tài)，也就是說在繼電器2KT03計時到15分鐘切斷緊急啟動模塊輸出之前，緊急啟動模塊已經(jīng)視充電機(jī)的工作情況先行由工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為待機(jī)狀態(tài)了。

1.3 緊急啟動模塊原理

緊急啟動模塊采用雙管串聯(lián)反激拓?fù)鋵崿F(xiàn)1500V至110V的降壓功能，原理如下圖所示。

輸入電壓經(jīng)過濾波，輸入到反激變壓器輸入端。通過MOS管Q17導(dǎo)通，使得MOS管Q15的源極接地，GS間產(chǎn)生壓差，從而使MOS管Q15導(dǎo)通，由于輸入電壓較高，兩個管子幾乎是同時導(dǎo)通。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通，變壓器存儲能量，變壓器副邊的二極管承受反向電壓，處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷后，變壓器原邊存儲的能量釋放到副邊，副邊的二極管正向?qū)ǎ蜉敵鲭娙莩潆姟Ｍㄟ^PWM控制開關(guān)管的導(dǎo)通時間，可以實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定輸出。

2 緊急啟動模塊技術(shù)參數(shù)

2.1 輸入部分參數(shù)

符號參數(shù)說明條件說明最小值典型值最大值單位UI輸入電壓范圍直流持續(xù)直流t≤20s 1000 900 1900 2100 V輸入電壓動態(tài)范圍t≤20ms 2540 V UImin欠壓保護(hù)值900 V UImax過壓保護(hù)值2100 V輸入保護(hù)1個保險管1.5kVdc輸入前極LC整機(jī)配置無

2.2 輸出部分參數(shù)

符號參數(shù)說明條件說明最小值典型值最大值單位POn額定輸出功率110 W短時輸出功率t≤2s每12分鐘允許輸出1S 200 W UO輸出電壓105 110115 V ΔUO輸出電壓穩(wěn)壓精度0A≤IO≤1A T=-40℃～+70℃10%UOV UOrms輸出電壓紋波額定負(fù)載，300KHz帶寬UOSS輸出電壓峰峰值20MHz帶寬6V 2.5 V tO電壓上升時間2 3 s 1000 V≤ UI≤ 1900 V 0 A ≤ IO≤ 1 A按下3腳和4腳開始計算輸出過壓關(guān)斷輸出短路電流（瞬時）將輸出+UO和-UO短接150 V 10 A

3 風(fēng)險以及應(yīng)對措施

3.1 蓄電池充電機(jī)內(nèi)結(jié)構(gòu)緊湊，緊急啟動模塊安裝空間小，板件對箱體絕緣性能不夠，可能造成放電現(xiàn)象

應(yīng)對措施：在設(shè)計時就充分考慮模塊與箱體其他部件間的安全間距，并且在安裝模塊時用絕緣擋板以及絕緣紙將其他元器件與緊急啟動模塊隔開。

3.2 模塊故障影響列車的正常運行

應(yīng)對措施：設(shè)計中讓緊急啟動模塊在平時待機(jī)不工作，在檢測到110V電網(wǎng)電壓過低時才啟動工作，減少模塊的工作時間，在模塊輸入的前級接著電感后面，增加承受電壓波動沖擊的能力。

3.3 1500V在模塊內(nèi)短路

應(yīng)對措施：在模塊的輸入端，做好1500的隔離，并且再此處加裝保險絲，一旦1500V在擊穿元器件在模塊內(nèi)部短路就熔斷前級的保險絲，保護(hù)模塊外的1500V電路。

4 經(jīng)濟(jì)效益

緊急蓄電池組采用9個蓄電池單體串聯(lián)組成電池組，單體電壓12V容量 1.2Ah，單體采購成本約950元；蓄電池組在列車架修時更換，更換人工費約240元，以地鐵列車30年壽命計算，須進(jìn)行5次維護(hù)。

緊急啟動模塊采用集成電路，每套采購成本約15000元，模塊每10年進(jìn)行一次維護(hù)，維護(hù)成本按采購成本30%計算，維護(hù)人工費約120元，以地鐵列車30年壽命計算，須進(jìn)行2次維護(hù)。

按照以上計算方式，得出兩種設(shè)備全壽命維護(hù)成本，見表1，表2：

表1 緊急啟動單元全壽命成本分析1

表2 緊急啟動單元全壽命成本分析2

如采用緊急啟動單元，按照列車30年壽命周期計算，深圳地鐵2號線35列車可節(jié)省運營成本￥134.19萬元。

5 結(jié)束語

深圳地鐵2號線已完成緊急啟動單元的改造試驗，目前改造的緊急啟動模塊功能穩(wěn)定，后續(xù)將在深圳地鐵1號線和2號線龐巴迪車型上結(jié)合列車架（大）修進(jìn)行改造；改造完成后，將在上述列車壽命周期內(nèi)為地鐵公司節(jié)約近￥200萬元的運營費用。

胡科（1982—），男，四川內(nèi)江人，深圳地鐵集團(tuán)有限公司主管工程師，主要從事城市軌道交通車輛專業(yè)技術(shù)管理。