基于电流监测的APM车辆集电靴报警系统开发与应用

柴立鑫

摘 要：本文以上海APM浦江线为例，介绍了庞巴迪INNOVIA APM 300型车辆集电靴故障无报警问题及其影响，重点描述了基于电流监测的APM车辆集电靴报警系统组成、报警逻辑及系统应用情况。

关键词：全自动旅客运输;APM300;集电靴

Abstract：Taking Shanghai Pujiang APM line as an example， The article describes the collector shoes of the Bombardier INNOVIA APM 300 vehicle and the problem of no alarm when it fails and the effects it has. focusing on describing the composition of APM vehicle collector shoes alarm system based on current monitoring， alarm logic and system application.

Key words：Automated People Mover System;APM 300; Collector shoes

1 引言

上海轨道交通浦江线是一条采用庞巴迪APM系统（全自动旅客运输系统）的线路。自2018年3月开通运营以来，偶有靴轨冲突（集电靴脱离供电轨）事件发生，冲突发生后集电靴与绝缘罩壳及导向轨发生碰撞，造成供电轨接地故障、绝缘轨罩损坏、车辆接地故障等严重次生灾害，甚至造成15分钟以上晚点、降级模式运营事件发生。究其原因为庞巴迪INNOVIA 300车型集电靴脱出供电轨后无报警，OCC远程无法及时获取故障信息并采取措施，最终导致故障事态升级。

国内外采用庞巴迪INNOVIA APM300车型的线路均无集电靴监测报警，且线路主要为大型机场航站楼间的联络线，发生靴轨冲突后事故影响较小故未对此进行系统研究和整改。

浦江线作为一条纳入上海地铁路网的无人驾驶线路，运营压力较大，鉴于国内外该系统均无法彻底杜绝靴轨冲突发生，且发生后影响较大，有必要研发一套能够实现靴轨冲突后及时报警的检测系统，从而有效提高运营故障的处置效率，降低对运营造成的影响，对于浦江线车辆的安全运行提供有力保障。

2 APM系统受流原理概述

2.1集电靴概述

庞巴迪INNOVIA APM 300型车辆为全动车且单节独立供电，每辆车上装有2套供电集电靴，分别安装于转向架导向构架上。符合 IEC 60850 标准的第三轨侧式受流，额定电压 DC750V（DC±375V），电压变化范围 DC600～900V。

单个集电靴参数：额定电流≥450A，短时最大电流（10S）：950A，短时最大电流（2S）：1200A。

APM300列车集电靴采用第三轨侧部接触受流方式供电。集电靴有足够、良好的取流性能，且当只有一个集电靴对车辆供电时，集电靴可保证列车正常工作。

2.2集电靴受流原理概述

每节车辆一位端和二位端转向架上的集电靴组件通过受流电缆进行并联连接，这样可以确保当车辆的每台转向架从一个供电区移动至下一个供电区的时候，供电不会中断。当发生靴轨冲突或经过供电分段绝缘区段时，每个集电靴具有供应正常车辆运行需要的所有电能的容量。

单侧两个集电靴若与供电轨接触良好，导电率一致的情况下，通过的电流为平均分布。因此，本文将在每个集电靴受流电缆上加装霍尔电流传感器，对电流进行监测及对比分析，实现电流检测报警。

2.3集电靴载流范围梳理

目前浦江线APM车辆载流情况主要有4种，分别为牵引、惰性、电制动、停站。通过前期对APM车辆个工况下电流数据采集分析，得到最大电流为AW3工况下，如图3所示。

当列车开始牵引后，集电靴承载的电流开始线性增加，当牵引系统从恒转矩向恒功率转变时，短暂出现电流下降后电流继续增加。实测单侧集电靴承载电流峰值约为500A，小于600A的设计最大值。

当列车处于惰性或保持匀速前进状态时，电流相对稳定，存在小幅波动，波动范围约为70-120A。

电制动反馈供电轨的电流大小与运行的列车数量及线路网压存在关联，当网压超过DC900V时，无法反馈供电轨，改为电阻制动将电能转化为热能。（图3电流采集设备不区电流方向，电制动电流应为反向电流）

当列车处于静止或停站状态时，电流值稳定，主要为列车辅助设备用电，如空调、照明、车门及PIS系统。因车载空调、照明等静态用电设备影响，停站电流值约为20-50A。

通过对上述集电靴正常工作电流值的梳理，为后续电流传感器的选型提供依据，同时，能够将停站电流值作为判断条件，提高报警准确定性。

3靴轨监测系统方案

本方案通过霍尔电流传感器采集集电靴实时电流并分析，利用现有TCMS预留备用I/O接口，将电流檢测系统的脱靴报警以硬线方式传输至车辆TCMS，TCMS通过车载ATC的车地无线系统上传至OCC的ATS服务器端，实现集电靴脱轨报警及状态异常预警。该系统能及时发现集电靴受流异常，通过对该故障的准确反馈，减少集电靴与导电轨之间的互相干涉，同时效防止集电靴对导电轨的电缆的损伤。

系统主要由4台分析服务器及16台霍尔电流传感构成，其中1台分析服务器为主服务器，整列车监测设备通过车载以太网络共用主控服务器。分析服务器实现集电靴电流值实时测量及报警逻辑设置，电流数据保存时间不低于1个月。电流传感器监测范围为0-750A/DC，误差小于1%，采样频率为10Hz。

4报警逻辑设计

4.1脱靴报警逻辑

（1）单节车单个集电靴脱靴报警（单个集电靴故障报警）

实时检测每节车4个集电靴，当正极总电流大于阈值，且正极的某个靴电流持续小于1A满2秒，报警输出。负极采用同样逻辑。

因车载空调、照明、PIS等静态用电设备消耗电流在20-50A，故阈值设置为大于50A。通过设置阈值，可有效过滤停站期间，静态电流过小导致的脱靴误报情况。

（2）单节车单侧集电靴脱靴报警（一侧两个集电靴故障报警）

浦江线APM300型车辆每节车为独立供电，车辆之间750Vdc不贯通。

因此，对4节车之间的集电靴电流总和进行对比，如有车厢电流的平均值在1A以下，同时其他车厢所有集电靴正极性或负极性电流总值在55A以上时（脱靴接地除外），累计持续时间为5秒以上时，进行对应的脱靴报警。

（3）单节车单侧集电靴脱靴接地报警

系统监测到单个集电靴的电流值在700A以上且持续200ms以上，立刻触发脱靴报警;如果监测到正负极电流值总和不等，且总和的差值在55A以上，可判断总和值比较大的那边极性存在接地故障，同侧集电靴中，取电流值较小的判断为集电靴脱落接地，启动报警机制。

（4）单节车单个集电靴异常拉弧报警

集电靴发生剧烈的振动，当某一電流采样值是上一电流采样值的50倍以上，开始跟踪，当6秒内5次检测到电流值是上一采样值10倍，则输出报警。

4.2 受流异常预警逻辑

（1）由于系统采用的电流传感器精度为±6A，最大误差12A。两侧供电轨同时监测，累计误差24A。检测正极与负极之间的差值，当差值超过24A，且持续5秒，发出受流异常预警。

（2）当发现设定的时间内，集电靴经常出现小于1A的情况，发出预警，该集电靴处于靴轨匹配不良状态。

（3）突变率是比较同侧集电靴的变化情况，当两个集电靴的电流在一定时间内经常变化，判断可能存在集电靴抖动或其他情况导致不良。根据采集的电流数据分析，集电靴正常受流情况下，电流变化为线性变化，为出现电流瞬间倍率升高情况，初步设定突变率为前一个采样点的10倍。该值可根据需要进行调整。

（4）将4个集电靴的电流取平均值进行比较，当某个集电靴电流值与平均值的差值相比其他3个靴的偏差过大，判断此靴可能存在异常。

5 系统应用情况

5.1 报警案例分析

时间：2020年12月19日08：35：15

ATS车辆故障信息：三鲁公路上行T0107号车4车厢1位端集电靴报警。

电流监测源数据如下：

时间_1#_电流值_2#_电流值_3#_电流值_4#_电流值_报警

{083512_41_262.65_42_191.81_43_188.42_44_266.12_0010}

{083512_41_183.99_42_232.79_43_194.16_44_233.18_0010}

{083512_41_225.81_42_149.82_43_171.81_44_217.49_0010}

{083512_41_185.17_42_137.70_43_324.32_44_000.92_0010}

{083512_41_175.09_42_119.68_43_283.77_44_000.87_0010}

{083512_41_153.60_42_086.47_43_232.09_44_000.87_0010}

{083512_41_123.35_42_087.98_43_205.53_44_000.92_0010}

{083513_41_074.79_42_068.85_43_131.48_44_000.90_0010}

{083513_41_061.28_42_034.56_43_095.37_44_000.90_0010}

{083513_41_015.91_42_018.91_43_034.76_44_000.90_0010}

{083513_41_017.53_42_020.00_43_031.93_44_000.90_0010}

{083513_41_012.91_42_013.50_43_023.28_44_000.90_0010}

{083513_41_021.85_42_015.88_43_032.58_44_000.90_0010}

{083513_41_010.95_42_015.57_43_021.15_44_000.90_0010}

{083513_41_018.85_42_014.48_43_028.23_44_000.90_0010}

{083513_41_025.18_42_001.93_43_027.79_44_000.87_0010}

{083513_41_007.70_42_011.85_43_019.55_44_000.87_0010}

{083514_41_022.16_42_014.09_43_033.22_44_000.90_0010}

{083514_41_012.04_42_023.08_43_038.71_44_000.90_0010}

{083514_41_027.81_42_007.95_43_034.09_44_000.90_0010}

{083514_41_018.07_42_015.83_43_036.08_44_000.90_0010}

{083514_41_021.48_42_011.18_43_031.87_44_000.90_0010}

{083514_41_024.09_42_014.31_43_036.05_44_000.90_0010}

{083514_41_047.36_42_037.84_43_084.76_44_000.90_0010}

{083514_41_058.01_42_030.17_43_080.19_44_000.90_0010}

{083514_41_060.95_42_040.11_43_102.57_44_000.90_0010}

{083514_41_068.43_42_030.89_43_100.64_44_000.90_0010}

{083515_41_069.32_42_038.82_43_110.33_44_000.92_3010}

{083515_41_070.33_42_051.01_43_121.79_44_000.90_3012}

{083515_41_074.48_42_051.62_43_126.97_44_000.90_3012}

從数据中可以看出，电流从08：35：12开始由217.49A突变降到1A以下，08：35：15的时候报警，间隔2秒。满足报警逻辑：总电流大于阈值50A，电流持续2秒小于1A ，输出报警。

靴轨状态监测系统能够及时发现集电靴脱出轨道、集电靴拉弧等受流异常故障，有效减少因靴轨冲突造成的集电靴总成、受流电缆、供电轨及绝缘轨罩的损伤，避免了设备故障扩大化。

5.2 报警准确率

自靴轨监测系统安装至今，浦江线实际共发生靴轨冲突57起，监测系统成功报出55起靴轨冲突故障，漏报2起，报出率96.49%，误报故障发生4起，误报率（误报次数/报警总数）为7%。

漏报2起，其中2起为靴轨冲突后，集电靴未完全脱离供电轨，存在电流，无法通过电流监测判断。

误报4起，其中2起为列车通过供电分段时，单侧两个集电靴存在压差导致拉弧，出现瞬间大电流报警，该问题已通过供电轨分段区增加二极管整改予以解决。另外2起为集电靴碳滑块偏磨，与供电轨接触不良，受流不均衡，出现单个集电靴电流持续小于1A的情况，更换碳滑块后报警消除。

6 结语

（1）本方案设计的车辆集电靴监测报警系统不仅满足于上海城市轨道交通浦江线APM的运维要求，并对国内外其他在建的庞巴迪INNOVIA APM项目产生指导意义。

（2）靴轨监测系统通过霍尔电流传感技术和智能分析，实现了集电靴脱轨后的准确报警，并能及时将故障信息反馈至OCC调度大厅ATS系统。

（3）靴轨监测系统靴轨冲突实际报出率96.49%，误报率为7%。

（4）靴轨状态监测系统能够及时发现集电靴脱出轨道、集电靴拉弧等受流异常故障，有效减少因靴轨冲突造成的集电靴总成、受流电缆、供电轨及绝缘轨罩损伤等次生灾害，避免了设备故障扩大化。靴轨状态监测系统投入使用后，靴轨冲突造成的设备更换损失较低50%。

（5）由于APM系统靴轨关系的复杂性，集电靴运行状态动态，电流监测不能完全排除极个别的脱靴误报警发生。但是通过远程调取集电靴监控视频，OCC及维保专业人员能够立即判断报警是否为误报，可以避免误报警影响正常运营。

（6）本方案考虑列车改造周期、既有TCMS系统的兼容性及成本因素，仅依靠电流传感器数据进行报警存在一定的局限性，后续可进一步研究电流传感器与图像识别、速度传感器、压力传感器及GPS等信息结合的报警系统。

参考文献：

[1]刘正，刘东亮，桑林晨. 上海浦江线靴轨平顺性测试及靴轨视频监测系统研究[J]. 城市轨道交通研究， GDJT.0.2019（10）：033

[2]肖友庆. 接触轨线路靴轨关系的研究及改善分析[J]. 装备应用与研究， 2018（15）：69-72

[3]陈晓亮. 靴轨受流系统存在的问题及对策[J]. 黑龙江交通科技， 2019（1）：160-162

（上海申凯公共交通运营管理有限公司，上海 200070 ）