城軌車輛輔助供電系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)研究

魏偉龍

一、輔助供電系統(tǒng)組成及常規(guī)電路結(jié)構(gòu)

城軌車輛輔助供電系統(tǒng)是為車輛中低壓負(fù)載設(shè)備供電的系統(tǒng)，其穩(wěn)定性直接影響列車牽引、制動(dòng)及空調(diào)等關(guān)鍵系統(tǒng)的正常工作，可能造成列車晚點(diǎn)、乘客投訴等影響。輔助供電系統(tǒng)主要包括高壓母線（DC1500V）、輔助逆變器、中壓母線（AC380V）、充電機(jī)、低壓母線（DC110V）、蓄電池及其他開關(guān)設(shè)備等，并通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)輔助供電系統(tǒng)在正常工況、應(yīng)急處置等情況下的資源配置。

早期城軌車輛主要采用擴(kuò)展供電（天津1號(hào)線）和交叉供電（深圳2號(hào)線）電路結(jié)構(gòu)，基于行業(yè)技術(shù)水平的日益成熟，近年陸續(xù)出現(xiàn)并網(wǎng)供電（廈門1號(hào)線）等新電路結(jié)構(gòu)形式，其可靠性較前者有較大提升。

二、常規(guī)輔助系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

1.交叉供電

列車一般設(shè)有2個(gè)輔助逆變器（以下簡(jiǎn)稱“輔逆”），分別在列車2個(gè)單元的某節(jié)車輛上，分別向2路貫穿全車的中壓母線供電。同時(shí)，每節(jié)車上的中壓負(fù)載分成2路，分別從2路中壓母線取電。結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

2.擴(kuò)展供電

列車輔逆數(shù)量及位置設(shè)置同交叉供電，但列車僅設(shè)1條貫穿全車的中壓母線，單元間通過擴(kuò)展接觸器將母線分隔。正常情況下，2個(gè)輔逆分別向本單元輔助負(fù)載供電，中間擴(kuò)展接觸器斷開；當(dāng)某1個(gè)輔逆故障時(shí)，故障輔逆將被隔離，中間擴(kuò)展接觸器閉合，由正常工作的輔逆為全列車輔助負(fù)載供電，部分設(shè)備減載運(yùn)行。結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 常規(guī)輔助系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

3.并網(wǎng)供電

列車一般設(shè)置4個(gè)及以上的輔逆，均勻分布在列車2個(gè)單元的車輛上，共同向1路貫穿列車的中壓母線供電。當(dāng)某個(gè)輔逆故障時(shí)，故障輔逆將被隔離，列車中壓負(fù)載供電受影響，中壓負(fù)載受影響程度隨故障輔逆數(shù)的增多而加大。結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

4.對(duì)比分析

表1 常見輔助系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

從上表可得，傳統(tǒng)的交叉供電和擴(kuò)展供電輔逆設(shè)置較為集中，輔逆故障時(shí)影響范圍較大，而并網(wǎng)供電輔逆分散布置，故在多個(gè)輔逆故障情況下仍可維持列車運(yùn)行，冗余度較高；但并網(wǎng)供電在中壓母線發(fā)生短路故障情況下的可靠性較另外2類結(jié)構(gòu)低，例如：廈門地鐵1號(hào)線列車輔助電路結(jié)構(gòu)為并網(wǎng)供電，曾發(fā)生過某列車2、3車廂380V母線跨接線纜插頭接觸不良，造成母線電壓三相不平衡，引起輔助系統(tǒng)不平衡保護(hù)、4個(gè)輔逆停機(jī)的故障；為提升并網(wǎng)供電列車在該類故障情況下的冗余能力，地鐵使用單位可斷開列車兩單元間的母線連接線，并修改相應(yīng)控制邏輯，降低該類故障下的影響范圍。從廈門地鐵1號(hào)線2017年運(yùn)營(yíng)至今車輛故障統(tǒng)計(jì)情況來看，母線接地故障遠(yuǎn)低于輔逆故障發(fā)生概率，所以綜合來看，并網(wǎng)供電可靠性總體高于前兩者。維護(hù)成本方面，“擴(kuò)展供電”增加了擴(kuò)展接觸器，成本會(huì)相對(duì)較高；因輔逆為集成結(jié)構(gòu)，其數(shù)量增加對(duì)維護(hù)成本的增加有限。

三、常見輔助系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

為進(jìn)一步提升列車輔助供電系統(tǒng)的可靠性，可在上述常見電路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，通過組合的形式形成新的電路結(jié)構(gòu)，比如：“并網(wǎng)+交叉”、“并網(wǎng)+擴(kuò)展”、“并網(wǎng)+交叉+擴(kuò)展”及“并網(wǎng)+交叉+局部擴(kuò)展”等組合方式。下面列舉其中3個(gè)優(yōu)化方案，并對(duì)其可靠性及維護(hù)成本進(jìn)行對(duì)比分析。

1.并網(wǎng)+擴(kuò)展供電

并網(wǎng)+擴(kuò)展供電結(jié)構(gòu)可理解為將傳統(tǒng)集中擴(kuò)展供電電路結(jié)構(gòu)輔逆拆分成多個(gè)，提升系統(tǒng)在輔逆故障情況下的冗余能力，若加大拆分后的輔逆容量，可進(jìn)一步提升輔逆故障情況下的冗余能力，但成本和設(shè)計(jì)難度也會(huì)隨之加大，這需要運(yùn)營(yíng)單位結(jié)合自身實(shí)際綜合考慮；該結(jié)構(gòu)也可理解為將并網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)母線按列車單元進(jìn)行分割，提升并網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)在母線接地故障情況下的列車可靠度。結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

2.交叉+并網(wǎng)+擴(kuò)展供電

并網(wǎng)+交叉+擴(kuò)展供電結(jié)構(gòu)可理解為將并網(wǎng)+擴(kuò)展供電“分解”成兩路，每路母線均為并網(wǎng)+擴(kuò)展供電電路結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升了輔逆故障及母線短路給列車帶來的影響。結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的各類電路結(jié)構(gòu)示意圖

3.交叉+并網(wǎng)+局部擴(kuò)展供電

如圖2所示，以并網(wǎng)+交叉電路結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，將每單元“重要負(fù)載”同時(shí)接入兩路母線，并用接觸器控制負(fù)載投切，即僅對(duì)“重要負(fù)載”進(jìn)行擴(kuò)展。其中，“重要負(fù)載”指對(duì)車輛運(yùn)行有影響的中壓負(fù)載，包括制動(dòng)電阻風(fēng)機(jī)、牽引逆變器風(fēng)機(jī)和空氣壓縮機(jī)等。如此，可以在交叉+并網(wǎng)+擴(kuò)展供電基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低輔逆故障及母線短路給列車運(yùn)行帶來的影響。

正常工況下，KM1常閉、KM2常開，重要負(fù)載1由下側(cè)母線供電，當(dāng)下側(cè)母線短路或2個(gè)輔逆局故障情況下斷開KM1，閉合KM2，將重要負(fù)載投切至上側(cè)母線，保證重要負(fù)載的正常工作，確保列車運(yùn)行能力。

表2 幾種改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

四、結(jié)語

綜合來看，更高的冗余度一定程度上依賴于更為復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)，而復(fù)雜電路結(jié)構(gòu)意味著更多的成本投入。比如增加母線鋪設(shè)、增加線路接觸器、控制電路等設(shè)備，而其可靠性的保障則基于新增設(shè)備及控制邏輯本身可靠性的提升，這需要相應(yīng)行業(yè)通過一定的發(fā)展來積累，否則反而會(huì)降低列車的可靠度。

經(jīng)過長(zhǎng)期的技術(shù)積累，我國(guó)城市軌道交通已逐步打破既有常見輔助系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)，選取相對(duì)復(fù)雜、有利于提升列車可靠度的輔助系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)，特別是北京、上海、廣州及深圳等客運(yùn)量大、行車間隔短的城市，采用可靠性更高的電路結(jié)構(gòu)對(duì)提升列車可用性有積極意義。