淺析城軌列車輔助供電系統(tǒng)

劉曉亮　白秀清

摘要：輔助供電系統(tǒng)是城軌車輛的重要組成部分，為列車的牽引控制、網絡控制、制動控制、照明、空調通風、空氣壓縮機、通信信號等設備提供電源。文章分析與總結了城軌車輛輔助供電系統(tǒng)的組成、供電方式及其優(yōu)缺點，能更好地為城軌車輛輔助供電系統(tǒng)的選擇和設計提供參考。

關鍵詞：城軌列車；輔助供電；集中供電；分散供電

中圖分類號：U260 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）32-0109-02

列車輔助供電系統(tǒng)供電制式主要包括交流供電和直流供電。交流供電系統(tǒng)主要由輔助變流器、輔助設備電機、電熱器等交流負載設備組成，由輔助變流器供電；直流供電系統(tǒng)主要由充電機、蓄電池、直流用電設備組成，由充電機和蓄電池供電。

1 城軌列車輔助供電系統(tǒng)概述

城軌列車為輔助供電負載。輔助供電負載主要由交流負載和直流負載組成。

1.1 交流負載

1.1.1 城軌列車的HVAC系統(tǒng)：城軌列車的每節(jié)車廂設置二個空調單元，其交流能耗設備主要是：（1）空調壓縮機；（2）冷凝風機；（3）通風機；（4）司機室通風機。假如在寒冷地區(qū)，還要增加加熱器。由于空調單元的加熱與制冷不會同時工作，并且設備在制冷時的功率往往是大于設備加熱時的功率，所以，我們在負載計算時一般只需考慮設備在制冷時的功率就行。正常情況下，所有的輔助逆變器都呈正常工作狀態(tài)時，列車的HVAC系統(tǒng)也就會正常工作；假如輔助逆變器出現故障，那么則根據故障程度，采取對相應空調壓縮機或者是空調機組進行切除的方法。

1.1.2 HVAC系統(tǒng)空氣壓縮機：城軌列車的每列車，都安裝兩個空氣壓縮機，負責整列車廂的空氣供風制動系統(tǒng)。當風壓低于規(guī)定設定值時，兩臺壓縮機自動啟動；當風壓高于規(guī)定設定值時，則只啟動一個就可以；當車廂的主風缸壓力已經高于規(guī)定的最高設定值時，則必須關閉兩臺空氣壓縮機。

1.1.3 HVAC系統(tǒng)牽引通風機：牽引通風機主要負責給HVAC系統(tǒng)牽引逆變器進行強迫風冷，而對于非強迫風冷的牽引箱，則不存在牽引通風機。

1.1.4 HVAC系統(tǒng)制動電阻風機：HVAC系統(tǒng)在電阻制動時會消耗大量的能量，導致HVAC系統(tǒng)的制動電阻溫度會呈急劇升高狀態(tài)，那么就需要通過系統(tǒng)的制動電阻風機來進行強迫通風，以達到散熱降溫的目的，從而保護系統(tǒng)制動電阻。不過對于自然冷卻的動電阻，則不需要啟動制動電阻風機。

1.1.5 HVAC系統(tǒng)交流220V負載：負載包括：方便插座、客室普通照明（AC220和DC110V供電制式都有）、顯示屏（AC220和DC110V供電制式都有）等。

1.2 直流負載

直流DC110V和DC24V負載：主要包括控制電路、應急照明、旅客信息系統(tǒng)等。

2 輔助供電系統(tǒng)供電方式

根據不同種類的城軌列車輔助供電系統(tǒng)，負載的數量與功率也不同。以下是對某B型六節(jié)編組的地鐵列車的輔助供電系統(tǒng)的分析負載參數。

2.1 輔助電源交流負載負荷統(tǒng)計表

因為輔助電源系統(tǒng)（交流電源）的最大負載工況是在夏季，故只對夏季負載進行計算和分析。

冬季負載，夏季中不適用。

交流（AC380V/AC220V）負載容量：從輔助電源負荷統(tǒng)計表中看到，正常工作狀態(tài)下，輔助供電系統(tǒng)最大交流負載為夏季負載304.8kVA。

2.2 列車集中供電方式

在每列列車的集中供電系統(tǒng)中，設置兩臺輔助逆變器，輔助逆變器的運行是通過系統(tǒng)的三相輸出接觸器分別向3節(jié)車廂供電。供電電路可以是并聯供電、擴展供電。如果是集中供電的擴展供電方式，在正常工作狀態(tài)下，M車上的三相母線接觸器處于斷開狀態(tài)，兩個單元各自獨立工作；如果是集中供電的并聯供電方式，列車的交流供電母線是貫通的，兩個輔變單元共同向列車負載供電。

每臺輔助逆變器的容量通常設計為220kVA左右，如果采用的是集中供電的擴展供電方式，當某個輔助逆變器出現故障時，首先斷開輸出接觸器，將其與供電母線隔離，同時，通過系統(tǒng)的閉合擴展供電接觸器，及時將非故障電流引入發(fā)生故障單元，以保障故障單元的正常工作。由于集中供電系統(tǒng)采用的是并聯供電方式，這使得單個輔助逆變器無法滿足整列車正常運轉的負載要求，因此，需要及時切除相應的負載功能。負載重新分配時將保留Mc車和M車的牽引風機和制動電阻風機。以保證有一臺空氣壓縮機的正常工作。系統(tǒng)功率減少一半后，需要切除系統(tǒng)內功率消耗大的空調設備。此時整列車的負載功率為228kVA，一臺輔助逆變器的容量可以滿足要求。

2.3 分散供電

列車的分散供電系統(tǒng)在每節(jié)車箱上都安裝有一臺輔助逆變器，通過系統(tǒng)的三相輸出接觸器，向380V交流的列車母線供電。一般輔助逆變器的設計為73kVA，這使得整列列車的交流供電系統(tǒng)的總裝機容量就達到438kVA，保證了整列列車的負載。這樣，即使有一、兩臺輔助逆變器出現故障。容量為365kVA和292kVA的輔助逆變器仍然能夠滿足列車的正常運行。當出現三臺輔助逆變器發(fā)生故障時，則只需切除一半的空調壓縮機就能保證列車所有通風機組的正常工作，列車仍然能保證安全、無限速的運行。假如出現四臺或者是五臺輔助逆變器發(fā)生故障，則必須切除所有空調設備，以保證列車正常運行到最近站點，組織旅客換乘其他列車。

2.4 兩種供電方式的分析比較

目前，列車的集中供電系統(tǒng)運用比分散并網系統(tǒng)在輔助逆變器設備的數量上要少，其檢修以及維護的成本要低；不過分散供電系統(tǒng)的故障冗余能力比較強，但列車布線更復雜、檢修維護成本要更高。現在，集中供電系統(tǒng)多數采用擴展供電方式，每個單元的運作是獨立的，即使出現負載波動，也只影響本單元，而分散供電多數采用的是并網供電形式，其抗負載沖擊能力比集中供電系統(tǒng)更強。

集中供電系統(tǒng)所裝備的輔助逆變器箱每個約1400kg，這樣整列車重量就僅為2800kg。但是分散并網供電系統(tǒng)的輔助逆變器箱不帶充電機時約875kg，帶充電機時約為965kg，整列車重量是5430kg。使用集中供電系統(tǒng)比分散供電系統(tǒng)整列車要輕2630kg，現在地鐵運行單位對整列車的單位能耗特別關注，列車減重也是車輛制造廠努力的方向，采用集中供電系統(tǒng)的列車要比采用分散供電系統(tǒng)的列車更節(jié)能，因此新生產的城軌車輛比較傾向于采用集中并網供電系統(tǒng)。

3 結語

本文通過對集中供電系統(tǒng)和分散供電系統(tǒng)的分析，可以看出采用并網供電技術的集中供電系統(tǒng)更有優(yōu)勢，因此在城軌列車輔助供電系統(tǒng)的設計中，如果對列車的安全、穩(wěn)定運行要求高一些，采用冗余度更高的分散供電系統(tǒng)；如果對列車的檢修維護和節(jié)能降耗要求高一些，那么則采用集中供電且冗余度較高的并網供電系統(tǒng)。

參考文獻

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作者簡介：劉曉亮（1984—），男，河北唐山人，唐山軌道客車有限責任公司產品研發(fā)中心工程師，研究方向：軌道車輛研發(fā)設計。