地铁车辆辅助系统两种供电网络的分析

地铁车辆辅助系统两种供电网络的分析

康亚庆

（南京地下铁道有限责任公司南京210008）

摘要：分析地铁车辆辅助供电系统的两种供电网络的特点、控制方式及其优劣

关键词：地铁车辆、辅助系统、交叉供电、扩展供电

1、地铁车辆电气系统概述

地铁车辆电气系统主要由三大块构成：牵引系统、辅助系统及列车控制系统。其中牵引系统主要为列车提供牵引动力及电制动力，控制列车的运行速度。辅助系统主要为列车除牵引以外的其他电气系统如空调、照明、乘客信息系统、监控系统等，主要为提高乘客舒适度而设置。列车控制系统主要是协调控制列车各个子系统，采集各子系统的信息，进行控制和监视，保证列车运行安全。

辅助系统的供电根据电压等级分为两种，一种为交流400V系统，另一种为直流110V 系统。其中交流400V系统为空调，电加热器，空气压缩机，车厢LCD屏，牵引变流器、辅助变流器、制动电阻、电抗器的冷却风机等交流负载供电；直流110V系统为照明、内外部指示灯、刮雨器、列车上所有控制用电、车门驱动系统、车载信号系统、车载无线通信系统、乘客信息系统、车载监控系统等直流负载供电。以下着重介绍交流400V供电系统目前存在的两种供电模式。

2、交流400V供电系统目前存在的两种供电模式

不管是4辆2动2拖编组列车还是6辆4动2拖编组列车，均可以看作两单元列车，即列车由两个单元组成。一般来讲每个单元有一个辅助逆变器，比如南京2号线列车，每列车为6辆编组，两个单元。每个单元由两辆动车（分别为带受电弓的动车和不带受电弓的动车）和一辆拖车组成，动车带有牵引单元，拖车不带牵引单元，每个单元在拖车上设置一台辅助逆变器（缩写为CVS）。辅助逆变器实现两个功能，一个是将接触网的直流1500V逆变为交流400V，为列车上交流负载供电；一个是将列车直流1500V变换为直流110V，为列车上直流负载供电，并同时为蓄电池充电，当1500V供电失去或逆变器故障时，由蓄电池作为后备模式为列车控制系统及重要直流负载供电。

目前对于交流400V供电网络存在两种供电模式，一种为交叉供电，一种为扩展供电，其电路图分别如下：

图1 交叉供电

图2 扩展供电

如图1所示为交叉供电模式，有两路400V供电线路贯穿整列车，分别与两个辅助逆变器相接。将每节车厢的交流负载根据功率平均的分为两组，分别由两个辅助逆变器供电。对于通风冷却等重要设备则两个辅助逆变器均为其供电，以便在一个逆变器故障时起到冗余的作用。

如图2所示为扩展供电模式，有一路400V供电线路贯穿整列车，两个辅助逆变器均连接到该线路上，但在两个C车之间有一个接触器（成为扩展接触器）将其分断。当两个逆变器都正常工作时，则接触器处于断开状态，每个逆变器为本单元三节车的所有交流负载供电。当其中一个逆变器故障时，则接触器闭合，由状态良好的逆变器为整列车的交流负载供电，考虑到逆变器的容量限制，这时每节车的空调负载减半。

3、两种供电模式的特点、控制方式及其优劣

3.1从控制的角度来讲，交叉供电要比扩展供电容易。

400V交流供电线路的设计方案主要考虑以下几个方面：

1）两台辅助逆变器CVS必须满足整车设备负载正常工作要求。

2）一台辅助逆变器CVS的容量须满足辅助一定设备减载下的所有牵引制动设备的正常工作。辅助系统的减载不导致乘客舒适性最低要求的失去。

3）辅助逆变器CVS必须具有一定的过载能力，满足单台压缩机的启动要求。

4）供电线路与逻辑设计要求保证牵引制动设备用电的冗余，供电的切换不得影响设备工作。

在交叉供电时，因为每节车的负载在供电线路上就连接在不同的逆变器上，所以当一个辅助逆变器故障时，不需要控制电路做任何复杂的判断和切换，自然而然就有一半负载失电停止工作，而另一半负载仍然照常工作。其中空气压缩机和牵引风机等有冗余供电的设备由软件控制其切换到功能正常的由辅助逆变器供电。这样保证故障情况下制动、牵引等系统不受任何影响，车厢内仍有照明、空调等，不会引起乘客的恐慌，列车也可以继续运行到下一站再退出运营。如果在列车运行至下一站的过程中，故障的CVS又恢复了工作，那么断电的负载则又重新投入工作，空气压缩机和牵引风机等再次由软件控制恢复到由原来的SVC 供电，对另一半负载及其它系统没有影响，整个列车恢复到正常的工作状态。当然，该列车也要在对运营影响最小的情况下选择合适的方式回到车辆段进行故障分析，以彻底排除故障。

而扩展供电控制就相对比较复杂。当列车通信网络正常时，两个C车之间的扩展接触

器由列车控制系统TCMS来控制。TCMS监控辅助逆变器的工作状态，当两个CVS都正常时，禁止闭合扩展接触器以防两个交流CVS并联工作。当某个CVS故障时，由TCMS控制首先抑制两个逆变器的脉冲，打开两个逆变器的输出接触器AOIK，然后闭合400V线路扩展接触器，将整列车的负载顺序投入，并且空调工作在半载状态，列车运行到下一站需要退出运营。当如果在此期间故障的逆变器又恢复工作，则TCMS首先抑制两个逆变器的脉冲，打开两个逆变器的输出接触器AOIK，然后打开400V线路扩展接触器，TCMS接收到该接触器打开的反馈信号后命令两个CVS启动，列车按照正常的程序将负载顺序启动。如果一个CVS故障，同时列车通信网络也故障，那么这时TCMS无法正常工作，不进行扩展供电，故障单元的交流负载将不能工作。如果列车已经工作在扩展供电的模式，这时TCMS 故障了，则扩展接触器就直接打开，扩展接触器选用的是一种可以带载打开的特殊的接触器。当然这是一种非常极端的情况，这样的处理也是出于安全角度考虑的。

3.2从布线的角度来讲，扩展供电要比交叉供电简单。

交叉供电需要在整列车上布设两路三相四线制的列车线，共8根，而扩展供电只需要布设四根列车线，从数量上减少了一半，使得成本也减少了一半，线缆重量也减少了一半，尤其是对整列车的减重，扩展供电有其明显的优势。

以6辆编组列车为例，根据辅助负载和逆变器的容量计算，400V列车干线线径为70mm2，其重量为756kg/km。列车长度约为140m，每根布线长度约为180m，这样4跟列车线的重量为：180X4X756/1000=544kg。也就是说采用扩展供电比交叉供电每列车可以减少544kg的重量。目前很多地铁列车的重量都在轴中要求的临界值，如何减重也是列车设计的一个重要的研究课题，所以对辅助供电干线采用扩展供电也是可以考虑的一种措施，同时可以降低成本。

3、结论

通过上述分析可以知道扩展供电和交叉供电各有利弊，目前国内地铁行业这两种方式也都有采用，业主及车辆制造商可以根据需要或希望的侧重点选择使用哪种方式。像南京一号线的列车采用的是交叉供电方式，在二号线列车上就采用了扩展供电的方式。一号线已经投入运营三年时间，二号线还在建设当中，在以后的运营维护中也会对两条线路的列车进行跟踪比较，以便研究这两种供电方式在实际运用中的情况，对上述观点进行验证或修改。