雙流制140 km/h市域電動客車電氣系統設計

■ 隋燕 單保強 劉明坤

1 電動客車基本特征

列車電氣系統包括牽引輔助高壓系統、列車監視控制系統（TCMS）、列車廣播與乘客信息系統、空調控制系統、車門控制系統、火災報警系統及照明系統等。由于是試驗列車，預留了信號、無線、地面PIS等系統接口及安裝空間。

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

（1）運行區間：市域城郊、中心城區、連接周邊衛星城。

（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）車內布置：區域線功能完善，市郊線功能部分簡化。

2 電氣系統

2.1 牽引輔助高壓系統

牽引輔助高壓系統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，逆變器將直流電轉為變頻變壓（VVVF）電源，供給牽引電機驅動電機工作；電機通過齒輪箱和聯軸節將牽引力（或制動力）傳遞給輪對，實現列車牽引（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；整流器將交流電轉為直流電，供給與逆變器并聯的中間回路；逆變器將直流電轉為變頻變壓（VVVF）電源，供給牽引電機驅動電機工作；電機通過齒輪箱和聯軸節將牽引力（或制動力）傳遞給輪對，實現列車牽引（或制動）。AC 25 kV和DC 1.5 kV電源共用中間直流回路DC-LINK，以實現逆變模塊和牽引電機在雙流制供電模式下的復用。AC 25 kV/DC 1.5 kV雙流制供電地鐵列車牽引系統原理見圖1。

通過車載外部硬線邏輯控制電路和網絡控制系統TCMS實現變流器（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下進行。AC 25 kV供電回路電氣牽引系統采用四象限脈沖整流器+中間回路+VVVF逆變器+異步鼠籠電動機構成的交-直-交電傳動系統，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采用線路電抗器+中間回路+VVVF逆變器+異步鼠籠電動機構成的交-直-交電傳動系統，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，牽引電機處于發電機狀態，逆變器處于反向工作模式，將列車的儲能反饋到接觸網上。由于交流接觸網的容量巨大，電機反饋的能量可通過牽引變壓器回饋到國家電網。因此，交流供電回路可不設置大容量的制動電阻，但為了保持中間電壓的穩定，一般設置斬波電阻。在電制動模式下，若為DC 1.5 kV直流供電，牽引電機處于發電機狀態，逆變器處于反向工作模式，將列車的儲能反饋到接觸網上。由于地面線路設置能量吸收裝置，牽引電機反饋的能量可像交流電網一樣被吸收。如果網壓超過設定的電壓門閾值，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，直到列車制停，并維持防溜與保持制動。

MP車設置受電弓，采用壓縮空氣控制單臂、輕型結構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，可保證與接觸網良好的接觸和接觸穩定性。線路上設置的點式信號設施為列車提供過分相區域信號，在列車上自動實施過分相作業。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，其中無電區長約100 m。

2.2 TCMS

圖1 雙流制供電地鐵列車牽引系統原理示意

列車采用的分布式電子列車控制系統是專為軌道車輛控制和通信設計的車載計算機系統，其控制并監視整個列車。分布式電子列車控制系統將列車的智能單元聯結成一個網絡，智能單元采用符合IEC 61375標準的多功能車輛總線連接，其最大優點是減少箱柜間的連線，方便系統功能擴展。總線擴展比較簡單，只需增加一根連接到單元的電纜線，更新應用軟件即可與新單元通信。

列車通信網絡采用多功能車輛總線MVB連接車輛的電子部件和控制系統，數據在車輛總線上可雙向傳遞。車輛內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。數據通過2條線路（即2對電線）傳遞，一條線路出現故障時，數據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、數字量輸入輸出模塊、數字量輸入模塊、中繼模塊、事件記錄模塊、人機接口等設備組成。設備搭建完整系統后，可實現控制、監視、診斷功能。

2.2.1 控制功能

列車監視控制系統可對司機室激活控制，當司機鑰匙旋轉至“激活”位后，TCMS進入“激活”狀態，將“司機鑰匙激活”的TC車設置為主控司機室，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完成。為防止列車坡道上停車溜車，在列車停穩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視，當這些條件不滿足時，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。為防止各節車輛空調機組的壓縮機同時啟動，對輔助供電系統造成交流負載嚴重過載，可通過TCMS對空調機組壓縮機進行錯時啟動控制。TCMS按照一定的循環周期，分別向各節車輛的空調系統發送“空氣允許啟動”的時間窗口，每節車輛的空調系統只能在自己的時間窗口才能啟動。在非緊急牽引情況下，網絡實現對空壓機的工作管理，當網絡無法獲取主風缸壓力信號時，壓力開關信號作為備份。兩臺空壓機按單、雙日分別工作，用于空車充風及維持風缸壓力。

2.2.2 監視功能

圖2 TCMS示意

車輛監視功能由人機界面（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據。包括界面名稱、實際速度、手柄級位、網壓、網流、站名信息、時間日期。任何界面下必須顯示這些信息。

（2）子系統顯示相關數據。包括運行、牽引、制動、輔助供電、空調、故障、發車檢查和檢修子系統。

（3）顯示車輛故障相關數據。包括故障確認、故障等級、故障文本、已確認故障數和總故障數目。這些信息僅在運行界面顯示。

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

（5）選擇各分項子系統及退出當前模式。包括運行、牽引、制動、輔助供電、空調、故障、發車檢查、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

車載故障診斷系統是TCMS的重要組成部分，其具有車載部件故障數據采集、分析、轉儲和顯示功能。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系統，以便長期保存和分析。當發生故障時，TCMS的診斷功能可幫助司機采取適當操作，幫助維護人員查找和解決故障；如果列車發生故障，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，可能導致乘客和車輛出現危險，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，可在列車運營結束后回庫處理。

2.3 列車廣播及乘客信息系統

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

2.4 車門及空調系統控制

司機操作開門或關門按鈕即可實現列車開門、關門控制，操作簡單，設計直觀，同時也考慮了開門的誤操作，將開門按鈕設置為雙按鈕，按鈕同時按下車門才可打開。當預留信號系統與車門控制器安裝ATO信號系統后，車門控制器接收ATO信號系統發出的信號，實現車門自動開關和自動開與人工關。

空調控制系統為司機室與車廂提供冷風和新鮮空氣，提高司機和乘客乘坐的舒適性。空調采用頂置安裝方式，空調控制裝置與列車監視控制系統通信接口采用MVB，司機通過TCMS的HMI控制車廂和司機室的空調，設定空調溫度。列車監視控制系統負責控制空調分時順序啟動。

2.5 照明及其他

車廂照明為貫通式燈帶，在其門區設置事故應急照明燈，以保證列車出現緊急情況時的車廂照明。每節車輛兩側墻的外部設置關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 結束語

雙流制140 km/h市域電動客車電氣系統設計滿足快速軌道交通線路載客運輸要求；采用雙流制設計，滿足軌道交通線路不同供電電網的需求；設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的建設規劃與需求提供了借鑒。