對城軌列車輔助供電系統(tǒng)的探討

張聞天

南京地鐵運營責(zé)任有限公司 江蘇南京 210000

摘要：本文通過對集中和分散供電系統(tǒng)的對比分析，能夠看出采用并網(wǎng)供電技術(shù)的集中供電系統(tǒng)會更有優(yōu)勢，所以，在城軌列車輔助供電系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用中，如果對列車的安全、穩(wěn)定運行要求更高一些，則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(hù)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(wǎng)供電系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：城軌列車；輔助供電；集中供電；分散供電

供電系統(tǒng)的列車輔助供電系統(tǒng)主要包括交流和直流電源。交流供電系統(tǒng)主要由輔助變流器、輔助設(shè)備電機(jī)、電熱器等交流負(fù)載設(shè)備組成，由輔助變流器供電；直流供電系統(tǒng)主要由充電機(jī)、蓄電池、直流用電設(shè)備組成，由充電機(jī)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(fù)載。輔助供電負(fù)載主要由交流負(fù)載和直流負(fù)載組成。

1.1 交流負(fù)載

1.1.1城軌列車的HVAC系統(tǒng)：城軌列車的每節(jié)車廂設(shè)置二個空調(diào)單元，其交流能耗設(shè)備主要是：（1）空調(diào)壓縮機(jī)；（2）冷凝風(fēng)機(jī)；（3）通風(fēng)機(jī)；（4）司機(jī)室通風(fēng)機(jī)。假如在寒冷地區(qū)，還要增加加熱器。由于空調(diào)單元的加熱與制冷不會同時工作，并且設(shè)備在制冷時的功率往往是大于設(shè)備加熱時的功率，所以，我們在負(fù)載計算時一般只需考慮設(shè)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(xiàn)故障，那么則根據(jù)故障程度，采取對相應(yīng)空調(diào)壓縮機(jī)或者是空調(diào)機(jī)組進(jìn)行切除的方法。

1.1.2HVAC系統(tǒng)空氣壓縮機(jī)：城軌列車的每列車，都安裝兩個空氣壓縮機(jī)，負(fù)責(zé)整列車廂的空氣供風(fēng)制動系統(tǒng)。當(dāng)風(fēng)壓低于規(guī)定設(shè)定值時，兩臺壓縮機(jī)自動啟動；當(dāng)風(fēng)壓高于規(guī)定設(shè)定值時，則只啟動一個就可以；當(dāng)車廂的主風(fēng)缸壓力已經(jīng)高于規(guī)定的最高設(shè)定值時，則必須關(guān)閉兩臺空氣壓縮機(jī)。

1.1.3HVAC系統(tǒng)牽引通風(fēng)機(jī)：牽引通風(fēng)機(jī)主要負(fù)責(zé)給HVAC系統(tǒng)牽引逆變器進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷，而對于非強(qiáng)迫風(fēng)冷的牽引箱，則不存在牽引通風(fēng)機(jī)。

1.1.4HVAC系統(tǒng)制動電阻風(fēng)機(jī)：HVAC系統(tǒng)在電阻制動時會消耗大量的能量，導(dǎo)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(fēng)機(jī)來進(jìn)行強(qiáng)迫通風(fēng)，以達(dá)到散熱降溫的目的，從而保護(hù)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(fēng)機(jī)。

1.1.5HVAC系統(tǒng)交流220V負(fù)載：負(fù)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(fù)載

直流DC110V和DC24V負(fù)載：主要包括控制電路、應(yīng)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(jù)不同種類的城軌列車輔助供電系統(tǒng)，負(fù)載的數(shù)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(fù)載參數(shù)。

2.1 輔助電源交流負(fù)載負(fù)荷統(tǒng)計表

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

冬季負(fù)載，夏季中不適用。

交流（AC380V/AC220V）負(fù)載容量：從輔助電源負(fù)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(fù)載為夏季負(fù)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(shè)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(lián)供電、擴(kuò)展供電。如果是集中供電的擴(kuò)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(lián)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(fù)載供電。

每臺輔助逆變器的容量通常設(shè)計為220kVA左右，如果采用的是集中供電的擴(kuò)展供電方式，當(dāng)某個輔助逆變器出現(xiàn)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(kuò)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(lián)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(zhuǎn)的負(fù)載要求，因此，需要及時切除相應(yīng)的負(fù)載功能。負(fù)載重新分配時將保留Mc車和M車的牽引風(fēng)機(jī)和制動電阻風(fēng)機(jī)。以保證有一臺空氣壓縮機(jī)的正常工作。系統(tǒng)功率減少一半后，需要切除系統(tǒng)內(nèi)功率消耗大的空調(diào)設(shè)備。此時整列車的負(fù)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(shè)計為73kVA，這使得整列列車的交流供電系統(tǒng)的總裝機(jī)容量就達(dá)到438kVA，保證了整列列車的負(fù)載。這樣，即使有一、兩臺輔助逆變器出現(xiàn)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(dāng)出現(xiàn)三臺輔助逆變器發(fā)生故障時，則只需切除一半的空調(diào)壓縮機(jī)就能保證列車所有通風(fēng)機(jī)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(xiàn)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(diào)設(shè)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(wǎng)系統(tǒng)在輔助逆變器設(shè)備的數(shù)量上要少，其檢修以及維護(hù)的成本要低；不過分散供電系統(tǒng)的故障冗余能力比較強(qiáng)，但列車布線更復(fù)雜、檢修維護(hù)成本要更高?，F(xiàn)在，集中供電系統(tǒng)多數(shù)采用擴(kuò)展供電方式，每個單元的運作是獨立的，即使出現(xiàn)負(fù)載波動，也只影響本單元，而分散供電多數(shù)采用的是并網(wǎng)供電形式，其抗負(fù)載沖擊能力比集中供電系統(tǒng)更強(qiáng)。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(wǎng)供電系統(tǒng)的輔助逆變器箱不帶充電機(jī)時約875kg，帶充電機(jī)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，地鐵列車運行單位對整列車的單位能耗非常的在意，列車減重也是所有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(chǎn)的城軌車輛比較傾向于采用集中并網(wǎng)供電系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

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