蓄電池牽引功能在成都地鐵既有電客車上的應用研究

鄧小東， 陶 波， 楊 帆

(成都地鐵運營有限公司， 成都 610000)

2009年9月開通的北京地鐵4號線電客車是國內首列具備蓄電池牽引的車輛，采用的龐巴迪牽引系統，主要功能是在庫內移車，可在平直軌道以不高于5 km/h的速度運行1 000 m。

2016年底投入運行的北京地鐵16號線是國內首條具備正線蓄電池牽引功能的地鐵線路，正線發生高壓主電路牽引故障時，電客車可利用蓄電池緊急牽引運行至最近的車站。

國內目前具備蓄電池牽引技術的地鐵電客車項目部分統計如表1所示。

1 成都地鐵電客車的現狀

目前成都地鐵電客車在檢修過程中經常需要轉換不同的檢修股道。被檢修的電客車往往不能升弓采用自身的動力系統動車，因此除可采用調車用工程車牽引外還可采用其他地鐵列車牽引移車。但在人員(工程車司機或電客車司機)和設備繁忙或缺少時會造成不便于移車操作的問題。電客車的輔助電氣系統都自帶有蓄電池，其主要作用為照明、通風、安全設備、通訊系統的后備供電。因此可以研究以蓄電池的能量用于電客車的牽引，實現電客車的短距離庫內移動，便于在庫內的不同檢修股道之間的轉換。

成都地鐵已開通1、2、3、4、7、10號線，而這些線的電客車均沒有蓄電池牽引功能。下面以成都地鐵1號線電客車為例進行研究。

成都地鐵1號線電客車為采用兩個動力單元(Tc×Mp×M)組成的6編組列車(Tc1×Mp×M1× Tc2×Mp2×M2)，其中拖車自重約32 t，Mp動車自重約36 t，M車動車自重約35 t，對動車采用車控的方式，每個單元的輔助電氣系統采用76節160 Ah的堿性蓄電池，蓄電池單節標稱電壓1.2 V。

2 電氣原理的改造

2.1 電氣原理圖

使用Mp車的牽引電機作為牽引的動力源，將蓄電池應急牽引轉換開關轉換至牽引位后，啟用蓄電池牽引功能，電路與高壓斷開，并將蓄電池接入Mp車變流器中的輸入直流回路。通過TIMS控制蓄電池牽引接觸器閉合，同時TIMS發出蓄電池牽引工況指令給牽引變流器，牽引變流器得到蓄電池的電源后，將蓄電池的直流電轉換成交流電，驅動4臺交流牽引電動機，完成牽引動作。蓄電池牽引原理見圖1。當列車處于蓄電池牽引狀態時，TIMS系統對蓄電池電壓、蓄電池放電電流、蓄電池溫度進行檢測。為了保證列車蓄電池牽引后能夠升弓、合主斷，當蓄電池端電壓下降至80 V時，系統進行報警，并斷開蓄電池牽引接觸器。蓄電池應急牽引時，因與高壓斷開，輔助逆變器停止工作。

圖1 蓄電池牽引電氣原理圖

2.2 新增部件

斷路器QF100:防止牽引時電流過大而損壞蓄電池；

庫內牽引轉換開關MSX：是將蓄電池和變流器連到一起的控制轉換指令設備；該開關打到"1"位后，各系統以此判斷進入蓄電池牽引工況。

蓄電池牽引接觸器KMP：將蓄電池的電能輸送到牽引變流器中的連接主線上的接觸器；

輔材：導線、接線端子等若干；

蓄電池牽引控制軟件：列車將新增一套蓄電池牽引控制軟件，以此來實現牽引控制與保護。

為實現蓄電池牽引功能，可在現有電路不變的情況下，按圖1新增電氣線路。為便于改造，采用模塊化的方式，把新增部件單獨集成在一個箱體內，在地面完成蓄電池牽引電氣箱的制造，現場改造只需完成對箱體的安裝接線，單獨新增一套控制算法以及軟件，并可單獨對該工況進行調試。可見，新增部件不多且改造不會對原來的電氣線路以及控制產生不利影響。

3 分析計算

以1個動力單元來分析蓄電池牽引時的牽引特性。

由列車牽引計算可知，在空車的情況下，列車起動阻力不到7 kN，結合牽引電機的特性，列車在蓄電池牽引工況可按以下曲線(圖2)來控制列車的牽引性能。

蓄電池庫內移車時，電客車一般為空車，因此車上的照明、通風等用電設備均可以不開啟。由圖2可知，蓄電池牽引時列車所需軸功率為16.67 kW(牽引力20 kN，速度3 km/h)，考慮蓄電池容量的不確定性，同時蓄電池要留有足夠容量用于升弓，列車如使用現有的160 Ah蓄電池組，蓄電池在充滿狀態下，按1小時容量120 Ah，平均放電電壓約為85 V，1 h放電電能120 Ah×85 V=10.2 kWh(視為蓄電池的放電能力)，在考慮牽引變流器的效率(0.95)和牽引電機的效率(0.92)情況下，理論上可以估算出列車在平直道上(AW0載荷)可以移動距離大約為10.2 kWh×0.95×0.92/16.67 kW×3 km/h=1.6 km。能達到在平直道上蓄電池牽引1 000 m 的要求。為了實現更遠的牽引距離，可以考慮加大蓄電池容量的方案。

目前成都地鐵1號線檢修基地由紅花堰車輛段和紅星路停車場兩部分組成，每個場段內的股道分為A區域和B區域，各區域各檢修股道長約為120米。兩區域之間的間距約為5 m。由于紅星路停車場比紅花堰車輛段面積范圍要大，因此我們以紅星路停車場來看，紅星路停車場31條檢修股道分布在250 m的范圍以內，各道岔離檢修區域均在50 m范圍以內。檢修區域示意圖見圖3。可見，使用蓄電池牽引不但可以完成從A區域到B區域的調車作業，在不同股道之間，還可以完成從最遠股道到最近股道之間(無論A區域或B區域)轉換的調車作業。

圖2 牽引特性曲線

圖3 檢修區域示意圖

4 結 論

國內多型機車、電客車均設有蓄電池庫內牽引的功能，因此該項技術已屬于成熟技術，風險性較小。若成都地鐵電客車加裝蓄電池牽引功能，利用原動車上的牽引變流器進行變流轉換，新增電器部件不多，調整好相關的軟件后，不需要出動工程車就能滿足檢修庫內電客車不頻繁調車的需要，可以適當減少場段調車機車的配置數量，大大節約設備成本和人力成本，具有較大的實用意義。建議在電客車上推廣蓄電池牽引功能。