地鐵列車(chē)緊急啟動(dòng)單元改造

深圳市地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)總部車(chē)輛中心安全技術(shù)部 胡 科

地鐵列車(chē)緊急啟動(dòng)單元改造

深圳市地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)總部車(chē)輛中心安全技術(shù)部 胡 科

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

地鐵列車(chē)緊急啟動(dòng)；蓄電池；緊急啟動(dòng)單元；電氣絕緣

0 前言

緊急啟動(dòng)單元是地鐵列車(chē)蓄電池充電機(jī)模塊內(nèi)一個(gè)重要部件，它能保證在列車(chē)主蓄電池組嚴(yán)重饋電時(shí)，列車(chē)的正常啟動(dòng)；深圳地鐵1號(hào)線和2號(hào)線龐巴迪牽引系統(tǒng)車(chē)型上使用鉛酸蓄電池組作為列車(chē)緊急啟動(dòng)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(dòng)模塊，僅需結(jié)合列車(chē)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(dòng)單元改造方案

1.1 改造前電路

充電機(jī)通過(guò)斷路器20F17用對(duì)緊急蓄電池進(jìn)行充電，緊急蓄電池通過(guò)斷路器20F18對(duì)外圍電路進(jìn)行供電，當(dāng)蓄電池電量低的時(shí)候，緊急啟動(dòng)蓄電池將幫助啟動(dòng)充電機(jī)模塊。按下司機(jī)室電源柜中緊急啟動(dòng)電源按鈕2SB01，緊急蓄電池2GB03將通過(guò)斷路器 20F18對(duì)繼電器2KA02線圈進(jìn)行供電，進(jìn)而通過(guò)2KA02的觸點(diǎn)對(duì)充電機(jī)的控制板件進(jìn)行供電。充電機(jī)開(kāi)始工作，對(duì)全車(chē)的DC110V負(fù)載進(jìn)行供電，并同時(shí)對(duì)蓄電池以及緊急啟動(dòng)蓄電池進(jìn)行充電。當(dāng)充電機(jī)開(kāi)始工作后，緊急蓄電池在延時(shí)繼電器2KT03計(jì)時(shí)到15分鐘后被切斷。

1.2 改造后電路

通過(guò)獨(dú)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(dòng)模塊從3pin端口的管腳5檢測(cè)到外部的直流110V電路電壓過(guò)低，即原緊急蓄電池充電回路的電壓過(guò)低時(shí)，緊急啟動(dòng)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(dòng)按鈕2SB01后，由緊急啟動(dòng)模塊提供的110V通過(guò)斷路器 20F18對(duì)繼電器2KA02線圈進(jìn)行供電，進(jìn)而通過(guò)2KA02的觸點(diǎn)對(duì)充電機(jī)的控制板件進(jìn)行供電。充電機(jī)開(kāi)始工作，對(duì)全車(chē)的DC110V負(fù)載進(jìn)行供電，并同時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。

緊急啟動(dòng)模塊在端口5檢測(cè)到通過(guò)2R02充電機(jī)對(duì)原緊急啟動(dòng)蓄電池開(kāi)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(shuō)在繼電器2KT03計(jì)時(shí)到15分鐘切斷緊急啟動(dòng)模塊輸出之前，緊急啟動(dòng)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(dòng)模塊原理

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

輸入電壓經(jīng)過(guò)濾波，輸入到反激變壓器輸入端。通過(guò)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(gè)管子幾乎是同時(shí)導(dǎo)通。當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，變壓器存儲(chǔ)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(kāi)關(guān)管關(guān)斷后，變壓器原邊存儲(chǔ)的能量釋放到副邊，副邊的二極管正向?qū)?，向輸出電容充電。通過(guò)PWM控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定輸出。

2 緊急啟動(dòng)模塊技術(shù)參數(shù)

2.1 輸入部分參數(shù)

符號(hào)參數(shù)說(shuō)明條件說(shuō)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(dòng)態(tài)范圍t≤20ms 2540 V UImin欠壓保護(hù)值900 V UImax過(guò)壓保護(hù)值2100 V輸入保護(hù)1個(gè)保險(xiǎn)管1.5kVdc輸入前極LC整機(jī)配置無(wú)

2.2 輸出部分參數(shù)

符號(hào)參數(shù)說(shuō)明條件說(shuō)明最小值典型值最大值單位POn額定輸出功率110 W短時(shí)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(shí)間2 3 s 1000 V≤ UI≤ 1900 V 0 A ≤ IO≤ 1 A按下3腳和4腳開(kāi)始計(jì)算輸出過(guò)壓關(guān)斷輸出短路電流（瞬時(shí)）將輸出+UO和-UO短接150 V 10 A

3 風(fēng)險(xiǎn)以及應(yīng)對(duì)措施

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

應(yīng)對(duì)措施：在設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)用絕緣擋板以及絕緣紙將其他元器件與緊急啟動(dòng)模塊隔開(kāi)。

3.2 模塊故障影響列車(chē)的正常運(yùn)行

應(yīng)對(duì)措施：設(shè)計(jì)中讓緊急啟動(dòng)模塊在平時(shí)待機(jī)不工作，在檢測(cè)到110V電網(wǎng)電壓過(guò)低時(shí)才啟動(dòng)工作，減少模塊的工作時(shí)間，在模塊輸入的前級(jí)接著電感后面，增加承受電壓波動(dòng)沖擊的能力。

3.3 1500V在模塊內(nèi)短路

應(yīng)對(duì)措施：在模塊的輸入端，做好1500的隔離，并且再此處加裝保險(xiǎn)絲，一旦1500V在擊穿元器件在模塊內(nèi)部短路就熔斷前級(jí)的保險(xiǎn)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(gè)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(gòu)成本約950元；蓄電池組在列車(chē)架修時(shí)更換，更換人工費(fèi)約240元，以地鐵列車(chē)30年壽命計(jì)算，須進(jìn)行5次維護(hù)。

緊急啟動(dòng)模塊采用集成電路，每套采購(gòu)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(gòu)成本30%計(jì)算，維護(hù)人工費(fèi)約120元，以地鐵列車(chē)30年壽命計(jì)算，須進(jìn)行2次維護(hù)。

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

表1 緊急啟動(dòng)單元全壽命成本分析1

表2 緊急啟動(dòng)單元全壽命成本分析2

如采用緊急啟動(dòng)單元，按照列車(chē)30年壽命周期計(jì)算，深圳地鐵2號(hào)線35列車(chē)可節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本￥134.19萬(wàn)元。

5 結(jié)束語(yǔ)

深圳地鐵2號(hào)線已完成緊急啟動(dòng)單元的改造試驗(yàn)，目前改造的緊急啟動(dòng)模塊功能穩(wěn)定，后續(xù)將在深圳地鐵1號(hào)線和2號(hào)線龐巴迪車(chē)型上結(jié)合列車(chē)架（大）修進(jìn)行改造；改造完成后，將在上述列車(chē)壽命周期內(nèi)為地鐵公司節(jié)約近￥200萬(wàn)元的運(yùn)營(yíng)費(fèi)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(chē)輛專(zhuān)業(yè)技術(shù)管理。