北京地鐵4號(hào)線車輛電氣系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)

尤維秀 劉玉文

（1.南車四方車輛公司，266111，青島；2.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，266111，青島∥第一作者，工程師）

對(duì)于地鐵列車，可靠性和可用性是兩個(gè)非常重要的指標(biāo)。為了滿足車輛的這些指標(biāo)要求，在提高列車各系統(tǒng)絕對(duì)可靠性的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)上采取一些冗余設(shè)計(jì)也是提高車輛整體可靠性和可用性的重要措施。在北京地鐵4號(hào)線地鐵車輛電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，就充分體現(xiàn)了這個(gè)理念。

1 列車的編組形式

北京地鐵4號(hào)線每列車由6節(jié)車編組而成：＋Tc1－M1－M3－T3－M2－Tc2＋（＋表示半自動(dòng)車鉤，－表示半永久棒式車鉤，M1、M2、M3為無(wú)司機(jī)室的動(dòng)車，T3為無(wú)司機(jī)室的拖車；Tc1、Tc2為帶司機(jī)室的拖車）。

從列車編組可以看出，列車由3個(gè)基本相同的小單元組成：（Tc1－M1），（M3－T3），（M2－Tc2）。這3個(gè)小單元分別為一動(dòng)一拖配置。

2 冗余設(shè)計(jì)

列車電氣系統(tǒng)主要由牽引系統(tǒng)、控制部分和輔助供電系統(tǒng)等幾大系統(tǒng)構(gòu)成。這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，均采取了不同方式的冗余設(shè)計(jì)。

2.1 牽引力的冗余

牽引力的冗余設(shè)計(jì)是北京地鐵4號(hào)線車輛的最大特色。

2.1.1 正常的牽引力冗余

全列車共有3個(gè)動(dòng)車，其動(dòng)力冗余較大（見圖1列車牽引力曲線）。該列車的牽引力除讓列車具備基本牽引性能外，還具有以下冗余能力：

圖1 列車牽引力曲線

（1）6輛編組列車在超員狀態(tài)下，當(dāng)損失1／3動(dòng)力時(shí)，列車仍然可以在30‰的坡道上起動(dòng)，并能以正常運(yùn)行方式完成一次單程運(yùn)行；

（2）6輛編組列車在空車狀態(tài)下，當(dāng)損失1／3動(dòng)力時(shí)，列車仍然可以在34.37‰的坡道上起動(dòng)，并返回車輛基地；

（3）一列6輛編組的空車能將另一列停在30‰坡道上的6輛編組超員故障列車移至最近的車站（上坡）；

（4）一列6輛編組的空車能將另一列停在34.37‰坡道上的6輛編組故障空車救援到車輛基地（上坡）。

這樣的動(dòng)力冗余性能，大大提高了列車的可用性和可靠性指標(biāo)，即：一個(gè)動(dòng)車故障的情況下，不影響列車的運(yùn)營(yíng)。

2.1.2 蓄電池牽引能力

蓄電池牽引運(yùn)行模式是北京地鐵4號(hào)線列車的另一個(gè)顯著特點(diǎn)。列車正常運(yùn)行時(shí)，是由第三軌外部電源供電牽引運(yùn)行的。當(dāng)外部電源由于某種原因不能供電時(shí)，其他線路的列車就需要救援，但4號(hào)線地鐵車輛可轉(zhuǎn)換到蓄電池供電牽引模式，實(shí)現(xiàn)短時(shí)牽引。所以北京地鐵4號(hào)線列車可以減少車輛被救援的概率，提高了車輛的可用性。另外，在車輛段沒(méi)有三軌電源供電的情況下，列車可通過(guò)采用蓄電池牽引模式，實(shí)現(xiàn)段內(nèi)列車的移動(dòng)，從而減少了車輛段調(diào)車用機(jī)車的數(shù)量。存車庫(kù)內(nèi)可以不設(shè)三軌，進(jìn)一步保證了維護(hù)人員和司乘人員的安全。

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，蓄電池牽引工況下，列車可運(yùn)行2km以上。蓄電池牽引試驗(yàn)分空載（AW0）和超載（AW3）兩種工況進(jìn)行：

（1）空載試驗(yàn)（AW0）在南車四方試驗(yàn)線進(jìn)行，列車靜止工況下，將列車牽引模式轉(zhuǎn)換為蓄電池牽引模式后，啟動(dòng)列車前進(jìn)，列車以蓄電池牽引模式運(yùn)行2km。

（2）超載（AW3）工況在業(yè)主線路正線進(jìn)行，列車裝載AW3負(fù)載，靜止工況時(shí)將牽引模式轉(zhuǎn)換為蓄電池牽引模式后，啟動(dòng)列車前進(jìn)，列車以蓄電池牽引模式運(yùn)行一個(gè)區(qū)間（大于2km）。

列車蓄電池牽引模式實(shí)現(xiàn)原理如下：動(dòng)車的牽引逆變器由兩路供電：列車正常供電由受流器從線路上的三軌獲得后經(jīng)高速斷路器后送到牽引逆變器，另一路供電來(lái)自列車的蓄電池組。兩路供電由列車網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)現(xiàn)互鎖，每種牽引工況下只允許有一路電送到牽引逆變器。司機(jī)操縱臺(tái)上設(shè)有一個(gè)列車牽引模式選擇開關(guān)，在列車靜止工況下，司機(jī)可以通過(guò)這個(gè)牽引模式選擇開關(guān)選擇采用正常牽引模式還是蓄電池牽引模式。

蓄電池牽引模式實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵有兩個(gè)：一是牽引逆變器具有低壓逆變牽引控制能力；二是蓄電池具有足夠的供電容量。

2.2 控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)包括網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)本身的冗余和硬線控制的冗余兩個(gè)方面的內(nèi)容。

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)

北京地鐵4號(hào)線地鐵車輛列車采用的Mitrac?TCMS（列車控制和管理系統(tǒng)）優(yōu)于一般列車采用的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。Mitrac?TCMS系統(tǒng)及其部件無(wú)論是硬件本身還是軟件功能都具有高的可靠性和耐用性。在此基礎(chǔ)上，列車設(shè)計(jì)增加了冗余考慮。見圖2網(wǎng)絡(luò)冗余拓?fù)鋱D。

參見本文“列車編組形式”一節(jié)中的相關(guān)描述，4號(hào)線地鐵列車由3個(gè)小單元構(gòu)成，列車級(jí)的MVB（多功能車輛總線）網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)小單元設(shè)有網(wǎng)絡(luò)主控制單元（VCU）。VCU按備份設(shè)置，即網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)主節(jié)點(diǎn)上，均布置有兩個(gè)VCU控制器。正常情況時(shí)，其中一個(gè)VCU擔(dān)任主機(jī)功能，另一個(gè)處于熱備狀態(tài)（僅接受數(shù)據(jù)不參與控制）；當(dāng)擔(dān)任主機(jī)功能的VCU控制器發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)處于熱備狀態(tài)的VCU接受到主機(jī)故障信息后立即接管主機(jī)功能，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的不間斷控制。網(wǎng)絡(luò)主控制器熱備的冗余設(shè)計(jì)，大大提高了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的可用性和可靠性指標(biāo)。

列車信息存儲(chǔ)的冗余。TCMS系統(tǒng)中集成了列車診斷系統(tǒng)。每單元的網(wǎng)絡(luò)主控制單元VCU檢測(cè)、存儲(chǔ)車輛狀態(tài)信息和車輛的故障、事件等信息，故障信息可即時(shí)顯示在司機(jī)臺(tái)的顯示器上，并可指導(dǎo)司機(jī)采取適當(dāng)?shù)拇胧Ａ熊囋贛3車上增設(shè)了2個(gè)數(shù)據(jù)記錄器，同步記錄列車行車信息。冗余的信息存儲(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)一步保證了行車數(shù)據(jù)的安全。行車數(shù)據(jù)可以被下載下來(lái)即時(shí)分析或長(zhǎng)期存儲(chǔ)在服務(wù)系統(tǒng)中供研究之用。

2.2.2 硬線控制的冗余

列車的牽引及制動(dòng)指令，是列車控制系統(tǒng)中最重要的數(shù)據(jù)之一。為確保列車的可用性，這兩個(gè)數(shù)據(jù)除通過(guò)MVB網(wǎng)絡(luò)傳輸之外，在列車控制電路中，還設(shè)計(jì)了牽引和制動(dòng)指令的硬線傳輸模式。即通過(guò)電流環(huán)傳輸模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，作為備份傳輸通路。當(dāng)激活端司機(jī)室（司機(jī)發(fā)出指令的司機(jī)室）中的兩個(gè)VCU均發(fā)生故障的情況下，司機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)換到備用工作模式（硬線控制模式），通過(guò)電流環(huán)可以把牽引、制動(dòng)指令傳遞給列車其他兩個(gè)單元的牽引逆變器，使這些車的牽引單元繼續(xù)完成牽引功能，確保列車發(fā)揮三分之二的牽引能力，從而使列車得以正常的運(yùn)營(yíng)速度完成運(yùn)送乘客的任務(wù)。空調(diào)的控制數(shù)據(jù)除通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸外，也具備通過(guò)硬線控制模式傳輸?shù)哪芰Α?/p>

2.3 輔助供電系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)

4號(hào)線車輛輔助供電系統(tǒng)的冗余，包括容量上冗余和外部供電方面的冗余兩個(gè)方面的內(nèi)容。

2.3.1 容量冗余及擴(kuò)展供電

4號(hào)線地鐵列車設(shè)有2個(gè)輔助電源，分別設(shè)置在M1和M2車上，每個(gè)輔助電源的容量為160kVA。參見圖3擴(kuò)展供電電路，每個(gè)輔助電源為三輛車的輔助系統(tǒng)供電：M1車上的輔助電源對(duì)Tc1、M1和M3這3個(gè)車上的負(fù)載供電，M2車上的輔助電源對(duì)T3、M2和Tc2這3個(gè)車上的負(fù)載供電。每個(gè)輔助電源的正常最大負(fù)載為150kVA，每個(gè)輔助電源160kVA的容量即為滿足冗余設(shè)計(jì)而準(zhǔn)備。

圖3為擴(kuò)展供電電路，在M3車高壓箱中設(shè)有擴(kuò)展供電裝置。在列車兩個(gè)輔助電源均工作正常的情況下，擴(kuò)展供電接觸器處于斷開狀態(tài)，兩個(gè)輔助電源分別對(duì)各自的負(fù)載供電。為了保證列車的正常可靠運(yùn)行，列車上所有關(guān)系到行車安全的重要設(shè)備均設(shè)有故障供電措施，即冗余供電設(shè)計(jì)。例如，假定輔助電源1發(fā)生故障時(shí)，TCMS根據(jù)其發(fā)出的故障信號(hào)，將通過(guò)MVB網(wǎng)絡(luò)通知列車上的所有空調(diào)暫停運(yùn)行后，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)在M3車高壓箱中的擴(kuò)展供電接觸器閉合，輔助電源2開始對(duì)列車上所有空調(diào)進(jìn)行供電，這時(shí)，TCMS將通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通知列車上的所有空調(diào)按擴(kuò)展供電模式（減載運(yùn)行模式）再次啟動(dòng)運(yùn)行，這樣，輔助電源2實(shí)現(xiàn)為減載后的整列車的重要負(fù)載供電，以確保列車的正常運(yùn)行。

圖3 擴(kuò)展供電電路

2.3.2不間斷供電技術(shù) 輔助電源外部供電的冗余

北京地鐵4號(hào)線列車采用先進(jìn)的不間斷供電技術(shù)。地鐵列車的正常供電來(lái)自地面線路，即在地面軌道旁鋪設(shè)一條稱為第三軌的供電軌道來(lái)為列車供電，但由于施工條件限制，在道岔等處，不能鋪設(shè)這樣的供電軌，即線路上會(huì)有部分供電間斷的區(qū)域，若列車上沒(méi)有采取適當(dāng)?shù)牟婚g斷供電措施，列車經(jīng)過(guò)這些區(qū)域時(shí)，會(huì)出現(xiàn)燈光熄滅、空調(diào)停止工作的情形。為保證列車通過(guò)斷電區(qū)時(shí)車輛的正常供電，傳統(tǒng)的做法是在列車上布置一條貫通全列車的母線，這樣當(dāng)列車通過(guò)斷電區(qū)時(shí)，處于斷電區(qū)的車輛可以通過(guò)母線接受其它不在斷電區(qū)車輛的供電，從而保證全列車供電系統(tǒng)的正常供電。北京地鐵4號(hào)線車輛電氣系統(tǒng)采用先進(jìn)的技術(shù)，當(dāng)通過(guò)斷電區(qū)時(shí)，若檢測(cè)到無(wú)外部電源供電，列車智能管理系統(tǒng)會(huì)通知車輛牽引系統(tǒng)進(jìn)入輕微制動(dòng)模式，通過(guò)制動(dòng)將列車的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，這些電能為列車供電系統(tǒng)提供電力供應(yīng)。此方案摒棄了傳統(tǒng)的母線重聯(lián)供電模式，在減少了母線配線和控制設(shè)備的同時(shí)，增加了列車可以承受的斷電區(qū)長(zhǎng)度。

2.4 直流供電的冗余

4號(hào)線車輛低壓直流電源系統(tǒng)的冗余，包括直流供電裝置本身容量上冗余和蓄電池容量的冗余兩個(gè)方面的內(nèi)容。

2.4.1 直流供電裝置本身容量上冗余

4號(hào)線列車上設(shè)有2個(gè)直流供電裝置，每個(gè)直流供電裝置的容量為22kW；2個(gè)直流供電裝置的輸出端帶有輸出接觸器和二極管，通過(guò)二極管后接到同一條直流母線上（見圖4）。

圖4 蓄電池輸出電路

整列車的直流負(fù)載為為20kW左右，而列車上兩個(gè)直流供電裝置每個(gè)的容量即為22kW，這樣的容量配置，可保證當(dāng)一個(gè)直流供電裝置故障的情況下，可以通過(guò)輸出接觸器切除故障的直流供電裝置，而保證整列車的直流負(fù)載供電不受任何影響。

2.4.2 蓄電池容量的冗余

北京地鐵4號(hào)線列車還設(shè)置蓄電池組作為直流供電系統(tǒng)的備用電源，在直流供電裝置正常運(yùn)行時(shí)，蓄電池處于浮充電狀態(tài)，而在直流供電裝置未啟動(dòng)或故障時(shí)則擔(dān)負(fù)直流電源系統(tǒng)的供電責(zé)任。北京地鐵4號(hào)線列車蓄電池容量為180Ah，確保列車所有負(fù)載在只有蓄電池供電的情況下，列車可以在正線上正常運(yùn)營(yíng)一個(gè)往返。緊急情況下（外部無(wú)高壓電源時(shí)），可以保證列車緊急和重要負(fù)載連續(xù)供電45 min，45min后，若列車外部電源供電恢復(fù)，蓄電池組尚具備正常啟動(dòng)列車的能力。

3 結(jié)語(yǔ)

北京地鐵4號(hào)線車輛在電氣系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)方面的理念，是一種健康而實(shí)用的設(shè)計(jì)理念，是提高地鐵車輛可靠性和可用性的基本措施。冗余設(shè)計(jì)的結(jié)果不單單是可靠性和可用性兩個(gè)指標(biāo)數(shù)值的提高，還使列車在冗余工況下完成輸送乘客的任務(wù)，具有良好的社會(huì)效益。

［1］ 張振淼.城市軌道交通車輛［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2003.

［2］ 葉芹祿.城市軌道交通車輛電機(jī)牽引力計(jì)算方法研究［J］.城市軌道交通研究，2010（10）：71.