身份证44022119870729xxxx 广东深圳 518040
摘要：深圳地铁2号线列车受电弓采用降双弓联锁控制方式，控制电路故障情况下双弓降下且无有效措施重新升弓，本文探讨了实现控制电路故障后列车降单弓并可紧急升弓的电路改良设计。
关键词：降双弓联锁；降单弓；紧急升弓
0 引言
深圳地铁2号线02A3506长型列车采用六节车厢编组，并以两个3节车构成的单元车组呈对称方式连接。列车通过设置于两个B车车顶的受电弓将接触网的DC1500V引入B车车底下部的PH箱中，在PH箱中受高速断路器控制后，经牵引逆变器逆变后送至牵引电机，实现列车牵引和制动功能。因此，受电弓在列车牵引制动过程中处于极其重要的一环。
受电弓作为地铁车从1500V接触网取得电能的高压电气设备，通过110V低压控制电路实现受电弓的升弓功能。目前列车两个受电弓在控制上采用降双弓连锁的控制方式，当受电弓控制电路发生故障时，列车两个受电弓同时降下；同时，无有效的应急措施将受电弓重新升起。当正线发生列车降双弓故障，极其容易造车列车救援。因此，需要对受电弓控制电路进行改良设计，故障设备不影响列车运行安全时只降故障单元车受电弓；当降双弓故障发生后，列车可重新升起受电弓，降低故障对正线的晚点影响。
1 课题背景
经统计，2号线开通5年来发生7起降双弓故障，其中6起为控制电路设备故障，并造成最大的列车晚点为37分钟，平均晚点时间为15分钟。对降双弓故障的原因进行分析发现，主要为受电弓升弓允许控制电路车底部分设备发生故障后导致（图1所示），如：PH箱盖板打开、车间电源盖板打开、隔离接地开关及3KA08继电器故障。司机无法下隧道恢复车底设备，最终导致列车救援。
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图1 受电弓升弓允许控制电路示意图
2 改良设计目标
2.1 定性目标
通过研制一种新的受电弓控制电路方案，可根据故障设备的影响程度不同分别实现降单弓或降双弓的功能：
（1）当列车受电弓控制电路发生的故障不影响列车运营，列车只降故障单元车受电弓。
（2）当列车受电弓控制电路发生的故障影响行车安全时，列车降双弓；同时，新的控制方案具备紧急升弓的功能，使得司机通过紧急操作重新进行升起受电弓。
2.2 定量目标
司机可以通过快速的应急操作，重新升起受电弓，将故障造成的晚点影响下降至5分钟。
3 提出方案并确定最优方案
经调研和探索，提出3种初选方案，各方案优缺点分析对比如下表：
表1 改良设计方案对比表
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初选方案
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列车网络控制方案
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PLC无触点逻辑控制方案
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硬线节点控制方案
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方案说明
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通过TCMS网络控制受电弓升降，升降弓命令从升降弓按钮发出传送至CCU；CCU结合列车状态进行逻辑判断，发出相应的指令控制受电弓的升降功能。
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通过增加集成化管理模块，替代原有的继电器触点控制。
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通过继电器、旋钮及导线等组成控制电路。
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技术难度
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软件编程难度大，只能委托主机厂进行研制。
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PLC程序开发难度大，需委托外单位进行。
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员工有列车电路改造的经验，技术难度不大。
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经济性
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1.必须依赖列车主机厂进行软件修改，厂家报价：25万元/每版；后期软件升级均需产生相应费用；
2.线路改造：890元/列。
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PLC模块的必须委外研发，厂家报价：40万元/列。
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可购买备件自主改造，购买继电器、开关及导线等设备费用：约2000元/列。
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安全性
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列车电信号可能对MVB的信号传输产生干扰，导致列车通信紊乱，存在一定的安全风险
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PLC技术应用地跌车辆技术不成熟，国内地铁列车应用不广泛，存在不可以预测的风险。
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改造不改变列车的既有功能，应用成熟。并且继电器使用的安全性已得到认证。
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人工
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人工成本低，后期维护方便。
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人工成本低，后期维护方便。
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人工成本较高，可以纳入原有的检修工艺流程进行定期维护。
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时效性
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研制周期长。
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研制周期长。
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研制周期短。
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综合评估
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1.一次性投入成本较高；
2.后期软件升级更新的费用较高；
3.列车电信号可能对MVB的信号传输产生干扰。
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1.一次性投入成本高；
2.PLC程序开发难度大；
3.技术不成熟。
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1.一次性投入成本低；
2.技术难度小；
3.维护相对简单。
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结论
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不采用
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不采用
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采用
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因此，经对比分析选用硬线节点控制方案作为受电弓控制改良的初步方案。同时，为提高活动效率，降低研制成本，采取自行设计、参与施工改造的研制方式。
4 优选方案分解
4.1 方案一级分解
经归纳整理，新的受电弓控制方案应具备如下功能及特点：
4.2 方案二级分解
（1）实现故障降单弓功能的方案选择
原升弓允许电路中串联了PH箱盖板行程开关、车间电源盖板行程开关以及隔离接地开关辅助触点，当相应盖板打开后，降双弓。因此，控制方案需求一个单元车的PH箱盖板或车间电源盖板打开后，只降本单元车对应受电弓，另一单元车受电弓正常升起。经分析，可采用两种方案实现故障降单弓功能：方案1，取消降弓联锁的控制逻辑；方案2，降弓联锁控制电路增加辅助触点。
方案分析对比如下：
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图2 方案一级分解
表2 故障降单弓方案对比表
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备选方案
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取消降弓联锁的控制逻辑
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降弓联锁控制电路增加辅助触点
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方案描述
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拆除升弓允许继电器至降弓指令线之间的电路接线，实现故障降单弓功能。
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降双弓联锁电路增加本单元车隔离节点开关辅助触点，实现故障降单弓功能。
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影响范围
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拆除接线后，列车受电弓独立控制。
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当PH箱盖板或车间电源盖板打开，列车降单弓；操作隔离接地开关后，列车降双弓
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技术难度
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员工有列车电路改造的经验，技术难度不大。
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员工有列车电路改造的经验，技术难度不大。
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安全性
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当发生人员误操作1500V高压设备隔离接地开关故障后，列车仍然保持升弓，存在人员触电的隐患，安全性低。
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人员误操作1500V高压设备隔离接地开关故障后，列车降双弓，切断列车高压，保障人身安全，安全性较高。
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经济性
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不增加设备，不产生费用。
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需增加辅助触点，约需400元/列。
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综合评价
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方案简单，威胁人身安全，安全性低。
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方案简单，保障人身安全，安全性高。
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结论
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不采用
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采用
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对于采用方案2需要增加的辅助触点，从功能性、经济性、安装技术难度、维护要求等方面综合评价，最终选择OBFZNA10型辅助触块。
（2）实现紧急升弓功能的方案选择
原升弓允许电路中串联了PH箱盖板行程开关、车间电源盖板行程开关以及隔离接地开关辅助触点，当相应盖板打开或隔离接地开关故障后，降双弓且无法恢复。因此，方案要求受电弓控制电路具备冗余控制的功能，实现受电弓的紧急升弓功能。经分析，可采用两种方案实现紧急升弓功能：方案1，强行升弓；方案2，升弓旁路。
方案分析对比如下：
表3 紧急升弓方案对比表
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备选方案
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强行升弓
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升弓旁路
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方案描述
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增加强行升弓旋钮，列车正线降双弓后，通过合强行升弓旋钮，使的升弓允许回路重新构成，列车实现重新升弓。
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通过增加升弓旁路按钮及旁路继电器，列车正线降双弓后，通过合升弓旁路旋钮，将故障单元受电弓控制电路进行旁路，实现故障单元的受电弓旁路，另外一单元受电弓正常升起。
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影响范围
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合强行升弓按钮后，列车两个受电弓可以重新升弓。
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合升弓旁路后，故障单元的受电弓旁路，另外一单元受电弓正常升起。
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技术难度
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员工有列车电路改造的经验，技术难度不大。
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员工有列车电路改造的经验，技术难度不大。
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安全性
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若发生PH箱内1500V设备接地故障，导致PH箱盖板弹开及接触网跳闸，如进行强行升弓操作，可能引起接触网的再次跳闸，存在严重安全隐患。
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升弓旁路功能可以将故障受电弓旁路，使其不再进行升弓，安全性较高。
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经济性
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紧急升弓旋钮：约220元/列。
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紧急升弓旋钮：约220元/列；
旁路继电器：约1400元/列。
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综合评价
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涉及费用较低，但设计存在安全隐患，影响列车安全运营。
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涉及费用较高，安全性较高，保障了列车运营安全。
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结论
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不采用
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采用
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对于采用方案2需要增加的紧急升弓旋钮和旁路继电器，我们从功能性、经济性、安装技术难度、维护要求等方面综合评价，紧急升弓旋钮采用EAO-704.411.0/900.1/925.2/960.8型开关，旁路继电器采用D-U204-KLC型继电器。
（3）实现方便司机操作的方案选择
紧急升弓作为受电弓发生降双弓故障的一种应急处理方式，涉及的紧急升弓旋钮开关需布置在明显、方便司机操作的位置。该旋钮开关的安装方案有两种：方案1，安装于主司机台；方案2，安装于司机室设备柜。方案对比如下：
表4 方便司机操作方案对比表
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备选方案
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安装于主司机台
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安装于司机室设备柜
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方案描述
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启用主司机台备用按钮安装孔座，用于紧急升弓旋钮的安装
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安装在司机室设备柜旋钮面板上
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技术难度
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安装在备用的孔座，技术难度低
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需在旋钮面板上进行重新打孔，工作量大
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方便程度
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司机可快速定位
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司机需打开设备柜盖板，在进行操作。
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综合评价
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1.安装方便；
2.对司机便利程度高。
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1.安装困难；
2.对司机便利程度略低。
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结论
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采用
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不采用
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通过对比分析，采用方案2即安装于主司机台。
4.3 确定最佳方案
经过逐步分析确定了实现目标的最佳方案，并绘制最佳方案系统图，如图3。
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图3 最佳方案系统图
确定方案后根据方案绘制电路原理图，制定接线表，按方案选取1列车进行改良施工及试验。
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图4 改良后的电路原理图
5 效果检查
5.1 列车降双弓故障处理流程对比
通过模拟故障发生，紧急升弓方案可根据故障部件的重要性不同，分别实现故障降单弓及升弓旁路的功能，其带来的故障处理流程的变化如图5。
5.2 定性目标检查
通过对改良后的多次故障模拟，结果达到目标：
（1）当列车PH箱盖板或车间电源盖板打开后，列车降故障单元车受电弓，司机无需进行其他操作，只需报行车调度后终点站退出服务，有效减少了司机的操作流程及时间。
（2）当列车发生降双弓后，可通过合升弓旁路开关，即可升起受电弓，从而解决了列车降双弓后只能等待救援的问题。
5.3 定量目标检查
控制电路改良完毕后，根据故障处理流程分别进行了6次模拟验证，经统计，地铁列车降双弓的处理平均时间为3分11秒，对比设定的目标值5分钟，达到目标。
5.4 综合效果
（1）推广价值
因该方案的设计彻底改变了受电弓控制电路故障无法动车的局面，并改变了司机只能等待正线救援的现状，我们可以将该具有极大优势的新型控制方案推广到深圳全网列车。
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图5 故障处理流程图对比
（2）安全效益
技术改良之后，当列车高压线路故障，启用升弓旁路功能，能将故障受电弓旁路，避免重新升弓后进一步引发弓网事故，确保正线的运营安全。
（3）经济效益
本项目由地铁列车主机厂进行整改，完成存在同类设计缺陷车型的61列车整改费用约为175.5万元，而通过员工自主整改，只需12.36万元，可节省163.14万元。
（4）社会效益
该方案的改良设计可将正线救援事件降级为5分钟以下的晚点事件，大大减少了乘客的等待事件，进而提升了运营服务质量，同时也提升了地铁公司的服务口碑。
6 结束语
通过试验证明，受电弓控制电路改造能够有效解决列车正线降弓故障引发的无法动车问题，降低正线故障影响。改良后的设计方案已在2号线02A3506长型和1号线01A2206庞型、01A0406长型列车实施，运行稳定可靠。在新购车将故障降单弓和升弓旁路功能纳入采购合同，明确提出受电弓控制电路的设计要求，将该改良设计理念运用至深圳地铁全网列车。
参考文献：
[1]长春轨道客车股份有限公司.深圳地铁二号线车辆功能描述.中国：长春轨道客车股份有限公司，2010.
[2]长春轨道客车股份有限公司.深圳地铁二号线车辆电路图.中国：长春轨道客车股份有限公司，2010.