地铁车辆高压母线短路风险分析与改进

张红江，李翔宇，庞明潇，蓝 天

（青岛地铁集团有限公司运营分公司，山东青岛 266000）

0 引言

近年来，随着经济的迅速发展和城市化进程的不断演进，城市人口越来越多，各大城市都在积极建设轨道交通来解决交通拥挤问题[1]，可靠性高、安全性好的地铁车辆成为越来越多市民出行的首选。地铁车辆高压供电回路系统为车辆空调、照明、车辆控制等提供电能，是车辆至关重要的一部分[2]。通过对青岛地铁2 号线车辆高压辅助母线接触器动作逻辑进行研究，分析车辆辅助贯穿线安全隐患，并从驾驶屏报警、软件保护、硬线互锁3 个方向提出解决方案，并对比论证合理性，最终确定驾驶屏报警+硬线联锁的改造方案。

1 原设计电路短路风险分析

青岛地铁2 号线车辆为6 编组（4 动2 拖）B 型车，最高运行速度80 km/h，采用第三轨供电，辅助母线实现全列车贯穿，主要设计目的是当本单元受流器无法给辅助逆变器供电时，另一单元受流器可以通过辅助母线为本单元辅助逆变器供电。青岛地铁2 号线高压电气箱设有受流器、车间电源、接地3 种连接方式。其中，受流器位用于车辆从第三轨取电，车间电源用于双周、三月检库车辆静调取电，接地位用于车辆无电维修，保证作业人员、设备安全。

辅助母线上设有辅助母线接触器，车辆高压辅助母线电路原理如图1 所示，母线贯穿整列车辆编组，连接Tc 车辅助高压箱，实现列车首尾两端辅助逆变器高压电气连接，为车间电源供电、一端受流器进入断电区时的电能供给提供保障。在审查电气原理图时发现接地隔离开关未设置两单元主隔离开关不在同一位置的互锁逻辑。当列车一端主隔离开关为受流器位，另一端为接地位时，辅助逆变器启动可能导致高压侧通过辅助母线对地（另一端）放电，造成受流器熔断器烧损和地面高压供电过流跳闸等问题。

图1 车辆高压辅助母线电路原理

2 解决方案研究

考虑车辆检修作业过程中操作高压电气箱主隔离开关较为频繁，单从管理上无法完全规避电路安全风险，为保证车辆辅助逆变器供电可靠，避免因车辆两端隔离接地开关位置不同导致设备损伤，分别从驾驶屏报警+软件保护、驾驶屏报警+硬线互锁两种途径开展设计改造工作。

2.1 驾驶屏报警

列车控制及监控系统具备检测主隔离开关受流器、车间电源、接地状态的能力，车辆上电后，列车控制及监控系统一旦监测到两端主隔离开关不在同一位置时，立即在司机室驾驶屏电源模式处以红色闪烁报警方式进行显示，显示逻辑见表1，共10 种显示方式，除4 种两端显示一致的情况，其他电源模式均红色报警提醒。

表1 司机室驾驶屏报警显示逻辑

在驾驶屏显示界面进行报警提示（图2），对维修人员、驾驶人员仅起到提示作用，若操作人员未察觉驾驶屏提示信息，车辆上电后，仍存在对地放电导致人身伤害和设备损坏的风险，不能从根本上杜绝隐患，不能有效避免隔离接地开关未进行位置确认时人为启动SIV 时导致的串电问题，需要增加更可靠、更稳定的保护方式。

图2 司机室驾驶屏报警显示

2.2 软件保护方案

在驾驶屏报警功能的基础之上，增加列车控制及监控系统状态监测功能，通过检测隔离接地开关级联触点电路状态，判断三位置隔离开关位置，辅助高压箱隔离接地开关电气原理如图3所示，当检测到受流器位、车间位、接地位对应位置触点为高电平时，主隔离开关位置与之对应，列车控制及监控系统判定为高电平位置。

图3 隔离接地开关电气原理

当列车控制及监控系统检测一端为接地位、另一端为受流器位时，一方面两端司机室驾驶屏进行报警提示，另一方面，列车控制及监控系统从软件层面，禁止启动接地端辅助逆变器（SIV），使得接地端SIV 充电接触器无法得电闭合，车辆辅助母线无法贯通，避免车辆对地放电。列车控制及监控系统软件保护逻辑见表2，只有在两端仅为相同位置或应急运行模式下，方可允许辅助逆变器启动。

表2 列车控制及监控系统软件保护逻辑

该方案在SIV 未启动前提示司机车辆隔离接地开关状态不一致，同时SIV 保持不启动，充放电接触器不会闭合。软件保护逻辑虽然可以通过禁止启动SIV，避免隔离接地开关不在同一位置发生串电风险，但可能会增加部分故障的故障等级，如网络系统通信故障、I/O模块故障、误检测接地位后禁止启动本端SIV 或软件，造成列车下线，增加正线列车应急运行和救援的概率，另外相较于硬线保护，软件保护稳定性、可靠性较差。

2.3 硬线联锁保护方案

在驾驶屏报警的基础上，增加接地位状态监测信息发送至辅助高压箱控制单元，通过硬线互锁，控制辅助母线的接触器开断，彻底避免辅助母线一端接地导致车辆对地放电的风险。

青岛地铁2 号线车辆隔离接地开关判定逻辑如图4 所示。TCMS 输入输出模块I/O 口分别用1～5 点表示，列车控制及监控系统位置判定逻辑为：1、2 点接通，1、5点接通，其他点不接通，判定为受流器位；3、4 点接通，1、5 路接通，其他点不通，判定为车间位；各点均不接通，判定为接地位。

图4 隔离接地开关判定电路

原电路硬线设计如图5 所示，列车上电后，在无隔离接地开关操作授权的情况下，BLB 继电器线圈得电，对应端辅助母线接触器闭合，列车控制及监控系统状态监视端口输入高电平，判定本端辅助母线接触器已闭合。该电路无法确认隔离接地开关是否在接地位，无法规避辅助母线接触器闭合、辅助列车线连通后导致的对地放电问题。

图5 改造前母线接触器控制电路原理

改造后的电路原理如图6 所示，在司机室驾驶界面报警提示的前提下，TCMS 检测到非接地位置时，接地位端口输出高电平，使辅助母线接触器得电，而当TCMS 检测到接地位置时，接地位端口输出低电平，从而控制辅助母线接触器失电，从而通过硬线联锁避免了辅助母线一端接地放电的风险。

图6 改造后母线接触器控制电路原理

该改造方案额外增加控制线及修改接线，增加数据接入点，一定程度上可能会因点的增加导致故障风险增加，但相较于软件控制，硬线互锁具备更稳定的工作性能和更小的故障影响，可以避免车辆隔离接地开关每月上百次操作产生的安全风险。

3 结束语

通过对青岛地铁2 号线车辆高压辅助母线贯穿电路原理分析，论证当前电路设计存在的短路风险，提出在驾驶界面报警提示+TCMS 控制和在驾驶界面报警提示+硬线连锁两种解决方案，通过比较确定采用更为安全可靠的在驾驶界面报警提示+硬线连锁解决方案，有效避免生产过程中设计缺陷对人员、设备带来的安全风险，提高车辆运行可靠性，实现安全生产。