城市軌道交通車輛輔助高壓母線環形饋線控制方案

楊 麗 胡金鑫 柴金川

(1.中車南京浦鎮車輛有限公司, 210031, 南京; 2.南京浩明工貿實業有限公司, 210009, 南京; 3.中國鐵道科學研究院集團有限公司國家鐵道試驗中心, 100015, 北京∥第一作者, 高級工程師)

目前,城市軌道交通列車的兩個動力單元之間僅敷設一根輔助高壓母線。當列車升雙弓運行時,輔助高壓母線作為等勢線存在,貫穿整列列車的兩個高壓單元。當列車升單弓運行時,在一個單元受電弓輸入故障或車間電源模式下,輔助高壓母線可將高壓電擴展至另一個單元,另一個單元輔助逆變器可正常工作,輸出三相交流及直流電,滿足列車交直流負載的供電需求。當列車在庫內維護、使用車間電源供電或升單弓時,高壓箱體、中低壓配電箱內器件帶電,列車遠端(未激活司機室單元)維護人員在未知的情況下打開車下箱體蓋板存在觸電風險。

為解決上述問題,本文提出一種城市軌道交通車輛輔助高壓母線環形饋線控制方案,以期解決由異常維護操作帶來的觸電隱患問題。在箱體蓋板上(包括高壓箱和饋線接觸器箱蓋板)設置行程開關,由車輛LCU(邏輯控制單元)采集蓋板狀態并對其進行監控。當發生蓋板異常時,邏輯控制單元控制饋線接觸器斷開,另一單元高壓線路失去高壓電。本研究可為城市軌道交通車輛輔助高壓電路設計提供工程經驗與技術指導。

1 總體技術方案

城市軌道交通車輛輔助高壓母線環形饋線控制方案主要從高壓箱安全回路、饋線接觸器箱安全環路、環形饋線控制及中壓母線控制等方面進行設計。輔助供電方案為在經過受電弓輸入的高壓電源進入高壓箱后,一路電源供給輔助逆變器,一路電源經過高速斷路器后供給牽引系統,另一路電源經過高壓母線(也可稱為饋線)至另一個單元的高壓箱。為防止車間電源插入本端(激活司機室單元)接口或列車升單弓時,維護人員對底架設備進行維護引起意外觸電,需要對高壓饋線進行控制,保證饋線接觸器在正常情況下貫通、異常情況下斷開。在兩個單元輔助高壓饋線上設置饋線接觸器,饋線接觸器的通斷設計為受接地隔離開關、高壓箱、饋線接觸器箱及車輛控制單元狀態的影響。在進行高壓饋線接觸器安全聯鎖的控制過程中,在高壓安全環路斷開的同時,邏輯控制單元控制單相線接觸器斷開,在網絡正常模式和備用模式下,輔助逆變器對內部短路和外部短路進行診斷控制。帶饋線控制的輔助高壓供電原理圖如圖1所示。

圖1 帶饋線控制的輔助高壓供電原理圖

2 詳細技術方案

輔助高壓母線環形饋線電路主要由安裝在兩個動力單元車輛上的牽引高壓箱、饋線接觸器箱、LCU和控制開關等組成。接下去將從高壓箱安全回路、饋線接觸器箱安全環路、環形饋線控制及中壓母線控制4個方面展開介紹。

2.1 高壓箱安全環路

高壓箱內設有接地隔離開關Q1、Q2和高壓箱前蓋板行程開關,箱體上設置有車間電源插座,同時對插座蓋板狀態進行監控。根據不同需求的工作模式,接地隔離開關共有3種工作位置,包括運行位、車間電源位和接地位。根據維護人員操作隔離開關的不同工作模式,接地隔離開關位置狀態發生變化,實現互鎖功能。牽引高壓箱安全環路示意圖如圖2所示。

注:K1為隔離開關箱體蓋板行程開關;K2為高壓箱蓋板行程開關;K4為接地隔離開關Q1的位置狀態開關;K6-1、K6-2為隔離開關Q2的位置狀態開關。

2.2 饋線接觸器箱安全環路

饋線接觸箱內設有饋線接觸器線圈、主觸頭和箱蓋板行程開關。將饋線接觸器線圈的得失電用于控制饋線接觸器主觸頭的通斷。饋線接觸器主觸頭可接入車輛高壓母線環形饋線。箱蓋板的行程開關用于箱門開關狀態的監控及安全環路的控制。

邏輯控制單元對安全環路內本端高壓箱、饋線接觸器箱蓋板及接地隔離開關狀態進行實時監控,同時結合安全環路中各個節點的狀態進行邏輯診斷。

2.3 環形饋線控制

安裝在列車兩個動力單元的邏輯控制單元分別采集車間電源保護蓋狀態、接地隔離開關位置、高壓箱前蓋板狀態和饋線接觸器箱蓋板狀態,并將其串接入車輛安全回路。LCU采集安全回路狀態并進行邏輯判斷,兩個動力單元間的LCU通過列車總線進行通信,并將本地檢測到的安全環路狀態發送至另一單元的LCU。當以下任一條件滿足時,邏輯控制單元控制饋線接觸器閉合:①列車兩個動力單元間的車間電源保護蓋關閉、接地隔離開關操作至運行位、高壓箱前蓋板位于關閉位且饋線接觸器蓋板位于關閉位;②兩個動力單元的車間電源保護蓋打開、接地隔離開關操作至車間電源位、高壓箱前蓋板位于關閉位且饋線接觸器蓋板位于關閉位。

當上述任一動力單元蓋板異常或隔離開關位置發生變化時,邏輯控制單元控制饋線接觸器斷開,輔助高壓母線斷開失電。環形饋線控制方案示意圖如圖3所示。

注:K0為接地隔離開關位置狀態開關;K3為饋線接觸器箱蓋板開關;K5為邏輯控制單元觸點;DI為邏輯控制單元輸入信號采集點;DO為邏輯控制單元輸出信號;S為饋線接觸器線圈;S-1為饋線接觸器主觸頭。

當接地隔離開關為運行模式時,由LCU采集兩個動力單元的接地隔離開關、高壓箱前蓋板開關、車間電源插座蓋板開關和饋線接觸器蓋板開關的狀態信息。當上述開關組成的安全環路均為高電平時,LCU內的觸點K5閉合,饋線接觸器線圈得電,主觸頭閉合;否則,K5斷開,并將狀態信息發送至另一個動力單元內的LCU,另一個動力單元觸點同時斷開。

當接地隔離開關為車間電源模式時,插入車間電源插頭,插座保護蓋板開關斷開,同時車間電源接觸器得電,車間電源接觸器主觸頭和輔助觸頭K6-2閉合,本端DC 1 500 V車間電源接通。K6-2所在控制電路導通,此處電源由車輛蓄電池提供,旁路車間電源插座保護蓋狀態K2。由LCU采集兩個動力單元的接地隔離開關、高壓箱前蓋板開關和饋線接觸器蓋板開關的狀態信息。若上述開關組成的安全環路為高電平時,饋線接觸器線圈得電,主觸頭閉合,整車DC 1 500 V電源接通。另一個動力單元的輔助高壓母線可以通過車間電源插座獲取DC 1 500 V高壓電,否則饋線接觸器主觸頭S-1斷開。

2.4 中壓母線控制

當車輛高壓母線環網在安全環路發生異常情況時,在斷開母線饋線接觸器進行保護的同時,中壓母線控制也需采用相應的閉合邏輯進行保護。中壓母線控制原理圖如圖4所示。在控制電路中設置繼電器,以及在中壓供電母線上設置中壓母線接觸器,用于控制中壓母線。當饋線接觸器因安全環路異常而斷開時,中壓供電繼電器收到LCU的指令失電,斷開遠端中壓供電。此時,中壓母線通斷的控制策略為:

a) 三相接觸器控制圖

1) 網絡控制單元收到4個輔助逆變器的輸出中壓母線均無電且沒有報短路故障的狀態信息,中壓母線的三相供電接觸器默認閉合,整車4個輔助逆變器向整車輔助系統提供電源。

2) 當任一輔助逆變器發生短路時,整車輔助逆變器全部先報外部短路,所有輔助逆變器斷電,并且給所有輔助逆變器發送短路診斷指令;診斷完成后,反饋輔助逆變器的實際狀態。若為內部短路,切除相應輔助逆變器,并重新閉合母線接觸器進行并網供電。若為外部短路,保持接觸器斷開,分段并網并切除相應輔助逆變器。

3) 當整車網絡故障進入備用模式時,任意一個輔助逆變器輸出外部短路或內部短路情況下,中壓母線接觸器斷開進行保護,此時輔助逆變器僅為所在動力單元供電。

3 總體技術方案優勢

所提方案的優點為:①高壓饋線在安全環路正常時貫穿整車作為等勢線存在;②列車單弓運行時,整車高壓貫通輔助系統可投入工作;③車間電源模式下,單端車間電源供電時,貫穿整車兩個動力單元的高壓母線環形饋線貫通;④列車在庫內維護時,若遠端維護人員打開任一車下箱體蓋板進行維護,整車兩個饋線接觸器均斷開,并切斷遠端高壓回路供電和中壓供電,底架的中高壓供配電箱因異常操作均失電,可以有效保證維護人員的人身安全,同時將異常狀態發送至車輛顯示屏提示司機。

饋線接觸器的通斷控制方案考慮了接地隔離開關、牽引高壓箱、饋線接觸器箱等安全環路的狀態,保證了庫內維護人員的安全,且其控制電路具有結構簡單、可靠性高等特點,可以滿足列車正線運行模式及庫內車間電源模式的使用需求。

4 結語

通過技術方案分析及試驗調試驗證可知,在列車的兩個動力單元間設置高壓安全環路和中壓安全環路、使用外部邏輯控制單元診斷控制及設備自身診斷控制的方式,可以從源頭上解決列車運行或維護過程中,安全環路異常狀態可能導致的觸電風險。本文對輔助高壓母線及中壓母線直接貫通兩個動力單元的電路提出了較大的改進措施,從根源上消除了異常維護操作帶來的安全隱患。目前,采用該設計方案的列車已順利通過列車運營考核,且運行情況良好。