中低速磁浮轨道交通的运营风险和典型故障分析

2018-02-16武震啸席卿浩马卫华

西部交通科技 2018年2期

武震啸，席卿浩，李艳，马卫华

(1.西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都 610031；2.中国中铁二院工程集团有限责任公司科学技术研究院，四川成都 610083)

0 引言

中低速磁浮是我国具有自主知识产权的新技术，也是当前城市轨道交通中最先进的技术，它具有环保、安全性高、爬坡能力强、转弯半径小、建设成本低等优点，适用于城市市区、近距离城市间和旅游景区的交通连接，可以替代轻轨和地铁[1]。

中低速磁浮交通同地铁等城市轨道交通工具一样，面临着火灾、水灾、列车冲突、设备故障、损毁以及动力丢失等一系列运营风险的威胁。为了确保运营的安全、进一步完善突发事件应急救援体系，国务院发布了轨道交通应急预案的指导性文件，运营风险等级的划分以及相关应急预案的制定应当结合文件和实际情况进行[2]；磁浮列车依靠直线电机提供牵引力，其牵引系统一般分为高压柜和低压柜，高压柜内装有高速断路器、接触器、滤波电感及充放电回路、中间继电器等部件，主要部件如断路器故障会导致列车丧失动力[3]；由于采用电磁悬浮系统，车辆和轨面之间的间隙与吸引力的大小成反比，不是自稳系统，必须精确地控制电磁铁的悬浮力，使车体与导轨之间保持大约8 mm的间隙，悬浮系统故障会导致列车无法运行[4][5]；陈传峰、田健等对地铁大客流形成的原因以及应对措施进行了研究，对大客流的类型进行了分类[6][7]；卢文龙对轨道交通火灾事故进行了研究，发现火灾事故是历年来轨道交通发生最多的事故之一，往往影响恶劣、后果严重，通常会造成较大的人员伤亡，需要针对火灾制定专门的应急预案[8]。

本文以西南交通大学罗世辉教授团队正在研发的第二代中低速磁浮列车为例，对中低速磁浮列车运营的风险等级划分，进行风险识别与分类，并对车辆、车站、轨道等设备的典型故障进行了分析，为进一步制定合理的中低速磁浮交通紧急疏散和应急救援方案提供了依据。

1 运营安全风险

1.1 风险等级划分

根据磁浮交通运营突发事件可能造成的危害程度、波及范围、影响范围、人员伤亡及财产损失等情况，参照国务院办公厅关于城市轨道交通突发状况处理的相关文件，将突发事件按应急程度由高到低划分为四个等级，即特别重大运营突发事件(Ⅰ级)、重大运营突发事件(Ⅱ级)、较大运营突发事件(Ⅲ级)和一般运营突发事件(Ⅳ级)。

1.2 风险识别与分类

风险识别范围大部分包括但不仅限于《危险化学品重大危险源辨识》(GB18218-2009)，对于中低速磁浮交通而言，凡是可能在车站、区间、机房以及车辆段等范围内造成乘客受伤死亡、车辆和设备损坏损毁、列车中断运营以及其他危害运营安全的突发事件的因素，均在风险识别范围内，常见风险可分为人员因素、设备设施因素以及环境因素三个方面。

1.2.1 人员因素

工作人员是影响中低速磁浮交通安全运营的首要因素，尤其是行车指挥人员和列车运行关键岗位的人员，任何违规操作都有可能造成严重事故。

乘客对中低速磁浮交通的安全性也有重要影响。因为公共交通的开放性，各类社会人员只要通过安检即可进入中低速磁浮交通系统，且客流量大，安检并不能阻止所有危险物品进入，使得不法分子有机会在中低速磁浮系统内制造事端。此外，乘客间发生的治安案件也有可能造成严重的后果。

1.2.2 设备设施因素

车辆系统的主要风险有动力丢失、悬浮功能失效、车载电气设备故障、制动系统故障、车门系统故障以及车辆冲突等；线路系统的主要风险有道岔失联、线路胀轨、线路下沉、线路断裂、异物侵限等；供电系统的主要风险有牵引供电系统故障、悬浮供电系统故障、大面积停电等；机电系统的主要风险有车站扶梯故障、通风系统故障、照明系统故障等。

1.2.3 环境因素

自然环境的运营风险主要有洪水倒灌、地震、高温以及雷击等；公共卫生环境的运营风险主要有传染病、乘客突发疾病等。

2 典型故障

2.1 车辆的典型故障

2.1.1 动力系统故障

中低速磁浮列车采用直线电机，在车上安装三相电枢绕组，轨道上安装感应轨，即把电动机的“定子”布置在列车上，把电动机的“转子”铺设在轨道上。通过“定子”与“转子”间的相互作用，将电能转化为前进的动能。其牵引系统一般分为高压柜和低压柜，高压柜内装有高速断路器、接触器、滤波电感及充放电回路、中间继电器等部件，逆变柜包括逆变模块、过压斩波电路、滤波电容、测量传感器、传动控制单元等部件。

中低速磁浮列车的动力丢失故障一般由直线电机故障或牵引系统故障引起，如断路器故障、逆变模块故障等。发生动力丢失故障后，列车一般能够保持悬浮，但是失去前进的动力，此时可以利用救援车辆进行救援。

2.1.2 悬浮系统故障

中低速磁浮列车采用电磁浮系统(EMS)，它是一种吸力悬浮系统，依靠悬浮架的电磁铁通电后与轨道F型轨的磁极间产生的电磁吸引力实现悬浮，车辆和轨面之间的间隙与吸引力的大小成反比。悬浮系统主要包括悬浮电磁铁、传感器和悬浮控制系统，悬浮控制系统根据传感器测得到间隙与加速度信号，通过控制悬浮电磁铁电流的大小实现对悬浮气隙的调节和控制。为了保证这种悬浮的可靠性和列车运行的平稳，使直线电机有较高的功率，必须精确地控制电磁铁中的电流，使磁场保持稳定的强度和悬浮力，使车体与导轨之间保持大约8 mm的间隙。

悬浮功能的典型故障有悬浮控制器故障、间隙传感器故障和悬浮电磁铁故障。根据故障的严重程度不同，列车可能完全失去悬浮能力，也可能保持悬浮但需要降低功率前进。若列车完全失去悬浮能力，则需要将应急轮放下从而顶起车体，并利用救援车辆进行牵引。当应急轮装置运行时，车辆也同时失去了电导向力，此时列车由各模块上的侧向导向滑橇导向。

2.2 线路的典型故障

2.2.1 线路胀轨

线路胀轨是因线路在温升较大时，F轨内部积存巨大的温度压力，而可能导致轨缝瞎缝、轨排小碎弯，严重时导致F轨线路几何尺寸状态严重不良、胀轨跑道，列车无法运行，磁浮线路运营中断。

2.2.2 线路断裂、下沉

线路结构或构件在荷载和其他作用的影响下处于某种平衡状态，结构或构件由于平衡形式的不稳定性，从初始平衡位置转变到另一平衡位置，称为失稳。运营线路结构失稳会导致线路下沉、断裂，从而造成磁浮系统运营中断。

2.2.3 道岔失联

道岔在正常状态或转换后失去表示时，信号楼控制台显示道岔编号和岔尖红闪。故障发生后行调应对故障道岔进行转换试验，向不同位置转换2次仍不能恢复正常时，行调通过ATS(列车自动监控)工作站查看报警信息，如报警有“连接中断”等信息，则按道岔失联故障处理。

2.2.4 轨行区异物侵限

因受天气、人为等因素的影响，磁浮线路易发生异物侵入磁浮行车限界事件，对运营造成较大的影响。司机在驾驶列车行驶过程中发现轨行区出现可能影响行车的异物，或者巡道人员发现轨行区出现异物，应根据相关应急处理程序对列车、线路设备和其它轨行区设备进行检查确认，并将检查情况及时报告控制中心。控制中心根据相关应急处理程序，采取相应措施，并在第一时间通知相关专业人员现场查看检查确认。

2.3 站内设施的典型故障

2.3.1 电扶梯故障

电扶梯设备一旦出现故障，将直接危及乘客安全，必须立即处理。车站工作人员必须时刻警惕电扶梯是否故障。在乘客遇到电扶梯故障时，工作人员应及时采取措施，组织救援，妥善应对紧急情况，使受伤乘客得到解救，避免因恐慌、非理性操作而导致伤亡，最大限度地保障乘客的人身安全以及设备安全。机电班组人员接到通知，应及时到场解救乘客，排除故障。

2.3.2 站台门故障

站台门指沿站台边缘布置，将车站站台与轨行区隔离开，可以消除乘客误落入轨道的危险因素，可以降低能耗的机电一体化设备。站台门系统主要由玻璃门体、控制系统及电源系统组成。滑动门是乘客上下列车的主要通道，由车站电脑系统控制，与磁浮列车车门同步开门或关门。

2.3.3 突发大客流

中低速磁浮交通一个或多个车站在一定时间内出现较多客流并有持续发展的趋势，造成车站能力或列车运能明显不足时，统称为大客流。同时根据客流的可预见性可分为可预测性大客流和突发性大客流，其中可预测性客流根据其产生原因及特点又可分为节假日大客流、大型活动大客流及恶劣天气大客流。

2.3.4 车站火灾

火灾事故是历年来轨道交通发生最多的事故之一，发生后往往影响恶劣、后果严重，通常会造成较大的人员伤亡，是危害最大的一类城市轨道交通事故。