城轨车辆牵引系统的安全性设计与评估

刘东元

摘 要：城轨车辆的牵引系统对车辆的各方面运行情况具有较大的影响，是车辆运行中非常重要的系统。本文首先分析城轨车辆牵引系统的安全性设计，然后再提出城轨车辆牵引系统的安全性设计评估方法。

关键词：牵引系统;城轨车辆;评估

城轨车辆是将机电集合于一体的高智能化复杂的系统，其技术含量高、组成结构多。这些组成结构既独立存在，又相互存在联系。城轨车辆牵引系统的安全性决定着车辆的安全性。因此，在研究城轨车辆系统时应该同步研究牵引系统的安全性[1]。

1.城轨车辆牵引系统的安全性设计

1.1总体设计

由于城轨车辆的运行模式为以下两种情况：一是早晚高峰期，车辆运行密度较大，车辆装载人员较多，常常处于超载的现象;二是在其他工作时间，车辆运行密度较小，车辆装载的人员较少。因此，在设计城轨车辆时多采用连续速度——距离曲线控制的模式。这就要求城轨车辆牵引系统的安全性具有以下几种特性：①各种软硬件具有较高的可靠性，为城轨车辆司机提供准确的目标速度和限制速度，以确保城轨车辆能够安全运行;②具备完善的输入和输出检查功能，城轨列车在运行过程中，当牵引系统设备发生故障时会让控制导向安全制动，从而确保城轨车辆运行的安全;③一般城轨车辆牵引控制设备的安全侧应该是车辆发生故障时，确保车辆运行的安全性，其主要表现为车辆发生故障时，列车降级使用，实行低速行车。

1.2关键部件设计

1.2.1高速断路器的安全性设计

高速断路器设置在受电弓与输入滤波器之间，而高速断路器通常只用于牵引回路。一般高速断路器的安全性设计主要包括以下几方面的内容：①根据地面牵引供电系数的参数，准确计算城轨车辆牵引回路狀态下的预期短路电流，其保护性能应该与地面的变电站的短路保护性能形成良好的配合关系;②高速断路器的动作应该由牵引控制单元或者过流脱扣装置触发，其控制跳闸的时间应该与城轨车辆的断开速度与输入滤波器性质相吻合;③高速断路器的最大电流应该满足牵引逆变器输入端的最大承受力和输入回路时遭受故障而突然接地的电流;④确保高速断路器的控制回路时间与系统分断曲线、控制逻辑和分断逻辑相适应。

1.2.2输入滤波器的安全性设计

在城轨车辆牵引系统的牵引逆变器前配置相应的线路滤波器。其中输入滤波器在应用过程中的重要作用是限制车辆牵引逆变器的输入电流变化率和短路电流变化率。针对输入滤波器安全设计的主要内容包括：①输入城轨车辆滤波器的电感量应该与城轨车辆电容器的电容量相对应;②线路滤波器的输入能力设计应该与高速断路器的判断能力保持统一，从而确保城轨车辆的输入滤波器突然接地时，不会受到其他设备的影响;③在安装输入滤波器时应该采取合适的措施，这样能够减少磁通密度对城轨车辆内部环境的影响。

1.2.3牵引逆变器的安全设计

在城轨车辆牵引系统的设计中，牵引逆变器的设计具有非常重要的作用，也是产生牵引动力的重要装置。其中牵引逆变器的安全设计内容主要包括以下几个方面：①城轨车辆牵引系统逆变器的前级接触器，主要用在与电网电源的隔离方面。②功率模块主要采用良好的冷却方式，并在全运用环境和运行条件下进行热校核设计。③对于城轨车辆牵引控制单元的网络连接、关键信号等主要采用冗余设计，主要用来处理控制板上的电源、电阻、电容、芯片等标准的降额设计。④为了减少城轨车辆滤波电容器和IGBT等开关器件的散热感，同时滤波电容器在安装的过程中应该尽量靠近IGBT，并使用叠片式低感排列。其中，对于城轨车辆牵引控制系统和制动系统的接口安全性设计主要包括：牵引控制单元主要通过输入和输出接口来控制车辆牵引系统网络，以此实施车辆全面控制。一般情况下，输出接口主要分为故障安全型和非故障安全型两类[2]。

1.2.4牵引电动机的安全性设计

在城轨车辆的日常运行过程中，牵引电动机有时会出现超功率运行的现象，甚至在制动的时候超功率更大。其中牵引电动机的安全性设计主要是指：在城轨车辆运行范围内取得较高的牵引力，并在正常工作周期中获得较高的热容量，再应用充分的余量来实施超装载的运行。除此之外，还应该考虑到的因素有：合理应用牵引逆变器输出的电压和电流波的影响;在负荷分配不均匀的情况下牵引电动机的性能能够满足日常运行的要求;当车辆在运行过程中遇到突发事件时，便可以将轻载转变成为超载，让牵引电动机发生超载运行，但牵引逆变器控制必须保持在运行的范围内。

1.3故障安全导向设计

城轨车辆的系统故障根据是否能够被检测出来而分为可测故障和不可测故障。如果故障能够被检测出来，便可以根据实际情况采取相应的防止措施，有效避免由于系统故障产生危险而导致设备故障扩大化;而对于不可测量出的故障便可以使系统给出危险输出，这样会给城轨车辆运行造成严重的后果，从而产生造成的损失。因此，我们需要实施故障安全技术，全面列出各个系统组成部分所造成的故障干扰，然后对其产生的影响进行综合分析。同时，还应该采取相应的措施及时提出可能出现的故障，并尽最大的力量维持车辆系统的安全性，促使车辆系统始始终朝着安全的状态转移。

2.安全性评估

城轨车辆牵引系统安全性评估主要是指应用安全系统工程学的理论依据，对系统运行存在的危险进行综合分析，确定牵引系统可能发生危险的几率，然后再提出相应的控制措施，以获得较高的安全效益。然而，对于城轨车辆的牵引系统来说，主要包括两个基本的层面，即：设计硬件方面和软件控制方面。其中城轨车辆设备硬件可以通过安全性管理和故障安全分析，实施安全综合性评估;对于车辆控制软件而言，常常采用国际上流行的软件安全性评估认证。

3.结论

在城轨车辆的运行过程中，牵引系统对车辆的安全性起着非常重要的作用。通常情况下城轨车辆牵引系统的安全性、完整性和故障安全性的设计与可靠性设计存在着一定的差别。总之，城轨车辆牵引系统的安全性设计和评估基本原理对其他系统的安全性研究具有重要的参考价值。

参考文献：

[1]张波，陆阳，王志峰，王延哲.城轨列车牵引系统热容量试验方案研究[J].中国铁道科学;2013（3）：98-104.

[2]王楠.苏州轨道交通一号线车辆动力电缆选型分析[J].科技与企业;2014（5）：246-246.