雙流制140 km/h市域電動客車電氣系統(tǒng)設(shè)計

■ 隋燕 單保強 劉明坤

1 電動客車基本特征

列車電氣系統(tǒng)包括牽引輔助高壓系統(tǒng)、列車監(jiān)視控制系統(tǒng)（TCMS）、列車廣播與乘客信息系統(tǒng)、空調(diào)控制系統(tǒng)、車門控制系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)及照明系統(tǒng)等。由于是試驗列車，預(yù)留了信號、無線、地面PIS等系統(tǒng)接口及安裝空間。

140 km/h市域電動客車最高運行速度140 km/h，采用DC 1.5 kV接觸網(wǎng)及AC 25 kV接觸網(wǎng)供電，受電弓受流方式；車型為A型；基本特征如下。

（1）運行區(qū)間：市域城郊、中心城區(qū)、連接周邊衛(wèi)星城。

（2）線路條件：多樣化。

（3）線路長度：近郊鐵路20～40 km，遠郊鐵路30～80 km。

（4）站間距：近郊鐵路1.5～3 km，遠郊鐵路3～10 km。

（5）供電制式： AC 25 kV；DC 1.5 kV。

（6）車輛編組：4編組（+MC1-TP1-TP2-MC2+）和預(yù)留擴編6編組（+MC1-TP1-M1+T1（M2）-TP2-MC2+）。

（7）客流特點：快速疏解、市域通勤、潮汐客流、高峰負荷大。

（8）運用模式：快起快停、快速乘降。

（9）車內(nèi)布置：區(qū)域線功能完善，市郊線功能部分簡化。

2 電氣系統(tǒng)

2.1 牽引輔助高壓系統(tǒng)

牽引輔助高壓系統(tǒng)主要由主輔一體化牽引輔助變流器（含輔助濾波電抗器和充電機）、二次濾波電抗器柜、直流高壓電器柜、線路濾波電抗器、牽引變壓器、牽引電機、受電弓等設(shè)備組成。直流電（DC 1.5 kV）通過直流受電弓受流，在供給逆變器之前通過線路電抗器平順波形，逆變器將直流電轉(zhuǎn)為變頻變壓（VVVF）電源，供給牽引電機驅(qū)動電機工作；電機通過齒輪箱和聯(lián)軸節(jié)將牽引力（或制動力）傳遞給輪對，實現(xiàn)列車牽引（或制動）。交流電（AC 25 kV）通過交流受電弓受流，在供給整流器之前通過變壓器將電壓降低；整流器將交流電轉(zhuǎn)為直流電，供給與逆變器并聯(lián)的中間回路；逆變器將直流電轉(zhuǎn)為變頻變壓（VVVF）電源，供給牽引電機驅(qū)動電機工作；電機通過齒輪箱和聯(lián)軸節(jié)將牽引力（或制動力）傳遞給輪對，實現(xiàn)列車牽引（或制動）。AC 25 kV和DC 1.5 kV電源共用中間直流回路DC-LINK，以實現(xiàn)逆變模塊和牽引電機在雙流制供電模式下的復(fù)用。AC 25 kV/DC 1.5 kV雙流制供電地鐵列車牽引系統(tǒng)原理見圖1。

通過車載外部硬線邏輯控制電路和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)TCMS實現(xiàn)變流器（AC 25 kV供電）/逆變器（DC 1.5 kV供電）的電源選擇和切換。切換可在不降弓狀態(tài)下進行。AC 25 kV供電回路電氣牽引系統(tǒng)采用四象限脈沖整流器+中間回路+VVVF逆變器+異步鼠籠電動機構(gòu)成的交-直-交電傳動系統(tǒng)，動車采用架控方式，軸式為BO-BO。DC 1.5 kV供電回路的電氣牽引系統(tǒng)采用線路電抗器+中間回路+VVVF逆變器+異步鼠籠電動機構(gòu)成的交-直-交電傳動系統(tǒng)，動車采用架控方式，軸式為BO-BO。

每個動車的牽引輔助變流器柜由2個牽引整流-逆變器橋和一個輔助逆變橋構(gòu)成，1個牽引整流-逆變器橋為2個牽引電機供電。牽引電機既可工作在牽引模式，也可工作在電制動模式。在電制動模式下，若為AC 25 kV交流供電，牽引電機處于發(fā)電機狀態(tài)，逆變器處于反向工作模式，將列車的儲能反饋到接觸網(wǎng)上。由于交流接觸網(wǎng)的容量巨大，電機反饋的能量可通過牽引變壓器回饋到國家電網(wǎng)。因此，交流供電回路可不設(shè)置大容量的制動電阻，但為了保持中間電壓的穩(wěn)定，一般設(shè)置斬波電阻。在電制動模式下，若為DC 1.5 kV直流供電，牽引電機處于發(fā)電機狀態(tài)，逆變器處于反向工作模式，將列車的儲能反饋到接觸網(wǎng)上。由于地面線路設(shè)置能量吸收裝置，牽引電機反饋的能量可像交流電網(wǎng)一樣被吸收。如果網(wǎng)壓超過設(shè)定的電壓門閾值，將開通斬波電阻回路，部分能量消耗在斬波電阻上，以維持中間電壓的穩(wěn)定。

再生制動提供的電制動力將在列車低速時淡出，但空電混合制動將一直持續(xù)，直到列車制停，并維持防溜與保持制動。

MP車設(shè)置受電弓，采用壓縮空氣控制單臂、輕型結(jié)構(gòu)的氣囊式受電弓升降，可進行雙流制受流，在各種軌道條件下升弓時，可保證與接觸網(wǎng)良好的接觸和接觸穩(wěn)定性。線路上設(shè)置的點式信號設(shè)施為列車提供過分相區(qū)域信號，在列車上自動實施過分相作業(yè)。2個相分段距離為23～58 km；相分段上的中性段總長不大于190 m，其中無電區(qū)長約100 m。

2.2 TCMS

圖1 雙流制供電地鐵列車牽引系統(tǒng)原理示意

列車采用的分布式電子列車控制系統(tǒng)是專為軌道車輛控制和通信設(shè)計的車載計算機系統(tǒng)，其控制并監(jiān)視整個列車。分布式電子列車控制系統(tǒng)將列車的智能單元聯(lián)結(jié)成一個網(wǎng)絡(luò)，智能單元采用符合IEC 61375標準的多功能車輛總線連接，其最大優(yōu)點是減少箱柜間的連線，方便系統(tǒng)功能擴展?？偩€擴展比較簡單，只需增加一根連接到單元的電纜線，更新應(yīng)用軟件即可與新單元通信。

列車通信網(wǎng)絡(luò)采用多功能車輛總線MVB連接車輛的電子部件和控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)在車輛總線上可雙向傳遞。車輛內(nèi)MVB的電氣線路（一條線路=一對電線）有物理冗余，以提高可利用性。數(shù)據(jù)通過2條線路（即2對電線）傳遞，一條線路出現(xiàn)故障時，數(shù)據(jù)可通過另一條線路傳遞。MVB使用的電纜是2對雙絞屏蔽線。為防止反射及干擾，MVB總線每端設(shè)有終端電阻（120 Ω）。

TCMS（見圖2）由列車控制單元、模擬輸入輸出接口、數(shù)字量輸入輸出模塊、數(shù)字量輸入模塊、中繼模塊、事件記錄模塊、人機接口等設(shè)備組成。設(shè)備搭建完整系統(tǒng)后，可實現(xiàn)控制、監(jiān)視、診斷功能。

2.2.1 控制功能

列車監(jiān)視控制系統(tǒng)可對司機室激活控制，當(dāng)司機鑰匙旋轉(zhuǎn)至“激活”位后，TCMS進入“激活”狀態(tài)，將“司機鑰匙激活”的TC車設(shè)置為主控司機室，同時顯示器主界面顯示主控司機室，TCMS可對列車運行方向（向前和向后）進行控制。為保證在TCMS故障情況下，列車能夠行駛到下一站，列車設(shè)置了緊急牽引按鈕，可操作緊急牽引按鈕進入緊急牽引模式。TCMS參與列車的空電混合制動控制，制動力的計算和分配由制動系統(tǒng)完成。為防止列車坡道上停車溜車，在列車停穩(wěn)后需施加一個固定的常用制動力，一般為最大常用制動力的70%左右，即保持制動。為保證列車行車安全，TCMS對某些影響列車運行的條件進行監(jiān)視，當(dāng)這些條件不滿足時，TCMS將封鎖列車所有牽引指令，同時在HMI上報“牽引封鎖”提示信息。為防止各節(jié)車輛空調(diào)機組的壓縮機同時啟動，對輔助供電系統(tǒng)造成交流負載嚴重過載，可通過TCMS對空調(diào)機組壓縮機進行錯時啟動控制。TCMS按照一定的循環(huán)周期，分別向各節(jié)車輛的空調(diào)系統(tǒng)發(fā)送“空氣允許啟動”的時間窗口，每節(jié)車輛的空調(diào)系統(tǒng)只能在自己的時間窗口才能啟動。在非緊急牽引情況下，網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對空壓機的工作管理，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)無法獲取主風(fēng)缸壓力信號時，壓力開關(guān)信號作為備份。兩臺空壓機按單、雙日分別工作，用于空車充風(fēng)及維持風(fēng)缸壓力。

2.2.2 監(jiān)視功能

圖2 TCMS示意

車輛監(jiān)視功能由人機界面（HMI）完成，列車配有兩個HMI，分別安裝在TC車的司機控制臺上，為司機和檢修人員提供所需信息。

（1）顯示列車運行的基本數(shù)據(jù)。包括界面名稱、實際速度、手柄級位、網(wǎng)壓、網(wǎng)流、站名信息、時間日期。任何界面下必須顯示這些信息。

（2）子系統(tǒng)顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。包括運行、牽引、制動、輔助供電、空調(diào)、故障、發(fā)車檢查和檢修子系統(tǒng)。

（3）顯示車輛故障相關(guān)數(shù)據(jù)。包括故障確認、故障等級、故障文本、已確認故障數(shù)和總故障數(shù)目。這些信息僅在運行界面顯示。

（4）不同界面輔助功能操作。包括導(dǎo)航鍵、設(shè)置鍵、輔助功能鍵和幫助鍵。任何界面下必須顯示這些信息，不同界面顯示內(nèi)容可不相同。

（5）選擇各分項子系統(tǒng)及退出當(dāng)前模式。包括運行、牽引、制動、輔助供電、空調(diào)、故障、發(fā)車檢查、檢修和退出。任何界面下必須顯示這些信息。

2.2.3 診斷功能

車載故障診斷系統(tǒng)是TCMS的重要組成部分，其具有車載部件故障數(shù)據(jù)采集、分析、轉(zhuǎn)儲和顯示功能。故障信息在司機臺上通過HMI顯示，并且通過PTU上傳到地面維修和服務(wù)系統(tǒng)，以便長期保存和分析。當(dāng)發(fā)生故障時，TCMS的診斷功能可幫助司機采取適當(dāng)操作，幫助維護人員查找和解決故障；如果列車發(fā)生故障，將以純文本信息在HMI上顯示給司機，每條純文本信息分配有故障代碼，可根據(jù)故障類別進行故障評估。故障類別和純文本信息在顯示器界面上顯示。此外，司機可從HMI上獲得操作指導(dǎo)說明。TCMS將故障劃分為3個等級。1級為嚴重故障：嚴重影響列車運行，可能導(dǎo)致乘客和車輛出現(xiàn)危險，司機需對故障進行確認和立即處理；如果故障不能及時排除，列車需在運行的下一站清客，空車回庫解決故障。2級為中等故障：影響列車運行，司機需對故障進行確認和立即處理；如果故障不能及時排除，列車需在完成本次單程運營后退出運行圖，空車回庫解決故障。3級輕微故障：不影響運行，可在列車運營結(jié)束后回庫處理。

2.3 列車廣播及乘客信息系統(tǒng)

列車廣播及乘客信息系統(tǒng)配置了廣播系統(tǒng)控制器、終點站LED顯示器、司機對講裝置（帶話筒）、廣播監(jiān)聽揚聲器、揚聲器、緊急報警器、LED電子動態(tài)地圖、車體外側(cè)LED顯示器、17英寸LCD顯示器等設(shè)備。列車2端司機可通過廣播系統(tǒng)控制器上的話筒實現(xiàn)對講，可用麥克風(fēng)對車廂廣播/通話；當(dāng)車廂出現(xiàn)緊急情況或突發(fā)事件時，乘客可按使用說明按下車廂內(nèi)的緊急按鈕，通過按鈕旁的內(nèi)藏對講裝置實現(xiàn)與司機對話。列車廣播及乘客信息系統(tǒng)具有數(shù)字化自動報站功能。

2.4 車門及空調(diào)系統(tǒng)控制

司機操作開門或關(guān)門按鈕即可實現(xiàn)列車開門、關(guān)門控制，操作簡單，設(shè)計直觀，同時也考慮了開門的誤操作，將開門按鈕設(shè)置為雙按鈕，按鈕同時按下車門才可打開。當(dāng)預(yù)留信號系統(tǒng)與車門控制器安裝ATO信號系統(tǒng)后，車門控制器接收ATO信號系統(tǒng)發(fā)出的信號，實現(xiàn)車門自動開關(guān)和自動開與人工關(guān)。

空調(diào)控制系統(tǒng)為司機室與車廂提供冷風(fēng)和新鮮空氣，提高司機和乘客乘坐的舒適性?？照{(diào)采用頂置安裝方式，空調(diào)控制裝置與列車監(jiān)視控制系統(tǒng)通信接口采用MVB，司機通過TCMS的HMI控制車廂和司機室的空調(diào)，設(shè)定空調(diào)溫度。列車監(jiān)視控制系統(tǒng)負責(zé)控制空調(diào)分時順序啟動。

2.5 照明及其他

車廂照明為貫通式燈帶，在其門區(qū)設(shè)置事故應(yīng)急照明燈，以保證列車出現(xiàn)緊急情況時的車廂照明。每節(jié)車輛兩側(cè)墻的外部設(shè)置關(guān)門到位顯示燈和制動緩解顯示燈，司機室前端安裝前照燈及防護燈。

3 結(jié)束語

雙流制140 km/h市域電動客車電氣系統(tǒng)設(shè)計滿足快速軌道交通線路載客運輸要求；采用雙流制設(shè)計，滿足軌道交通線路不同供電電網(wǎng)的需求；設(shè)計考慮到乘客的舒適性、司機的易操作和誤操作等，為市域軌道交通系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)劃與需求提供了借鑒。