地鐵車輛基于受電弓供電的控制策略研究及應(yīng)用

趙小軍　陳建　井宇航　尚江傲

摘 要：針對(duì)受電弓供電的地鐵列車，在任何受電弓故障或意外停用的情況下，其他受電弓應(yīng)能夠給整列車供電，且不造成任何性能損失，提出幾種多受電弓供電和雙受電弓供電高壓供電電路方案，從經(jīng)濟(jì)、安全、故障率等方面開展利弊分析，選擇經(jīng)濟(jì)性好、可靠性高、安全性更優(yōu)的高壓電路方案進(jìn)行工程應(yīng)用，應(yīng)用效果達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：地鐵列車;受電弓;主電路;高壓母線

地鐵車輛受電方式主要有受電弓和受流器受電兩種方式。目前國內(nèi)外受電弓供電多采用獨(dú)立供電方式，即每個(gè)車輛單元配置1臺(tái)受電弓，本單元受電弓僅給本單元列車VVVF（牽引逆變器）供電;也有個(gè)別項(xiàng)目采用并列式供電方式[1]，即母線貫通的方式，每個(gè)受電弓都給整列車VVVF提供供電。受電弓故障對(duì)地鐵列車的正常運(yùn)營造成嚴(yán)重影響[2]。進(jìn)入新時(shí)期，地鐵車輛在城市交通中所占的比重越來越大，逐漸成為城市居民出行的重要交通工具，與此同時(shí)，對(duì)地鐵運(yùn)營效率和質(zhì)量也提出了更高的要求[3]。土耳其新機(jī)場(chǎng)線業(yè)主要求地鐵列車在任何受電弓故障或受電弓意外停用的情況下，其他受電弓應(yīng)能夠給列車供電，而不會(huì)造成車輛任何性能損失。為了滿足客戶的要求，并提高車輛運(yùn)營效率和服務(wù)質(zhì)量，探討地鐵車輛基于受電弓供電的控制策略及應(yīng)用，提出經(jīng)濟(jì)、安全、可靠的地鐵車輛供電控制策略。

1 受電弓供電主電路

土耳其新機(jī)場(chǎng)線車輛為四編組車輛，列車編組為=A-B-B-A=，“=”表示全自動(dòng)車鉤，“-”表示半永久牽引桿，其中A車為帶司機(jī)室的半動(dòng)半拖車，一端轉(zhuǎn)向架為非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，二端轉(zhuǎn)向架為動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，采用DC1500V受電弓供電。為了滿足地鐵列車在任何受電弓故障或意外停用的情況下，其他受電弓滿足整列車正常供電需求，結(jié)合國內(nèi)地鐵列車受電弓供電方案，提出多受電弓供電和雙受電弓供電主電路方案。

1.1 多受電弓供電

1.1.1 三受電弓供電

主電路供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，正常情況下，受電弓1和受電弓2分別對(duì)兩個(gè)單元列車VVVF供電，受電弓3為備用弓;當(dāng)某一個(gè)受電弓故障或意外停用的情況下，備用受電弓3升起，故障弓側(cè)接觸器KM閉合，另一側(cè)接觸器KM斷開，由受電弓3為故障弓側(cè)單元車VVVF供電。

1.1.2 四受電弓供電

主電路供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，正常情況下，受電弓1和受電弓2分別對(duì)兩個(gè)單元列車VVVF供電，受電弓3和受電弓4為備用弓;當(dāng)某一個(gè)受電弓故障或意外停用的情況下，故障弓單元備用受電弓升起，故障弓單元接觸器KM閉合，由升起的備用受電弓為故障弓側(cè)單元車VVVF供電。

1.2 雙受電弓供電

1.2.1 DC1500V母線直接貫通

主電路供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，DC1500V高壓母線通過跳接線纜直接貫通，受電弓1和受電弓2共同對(duì)整列車進(jìn)行供電，當(dāng)一個(gè)受電弓故障時(shí)，由另一受電弓承載整列車供電。

1.2.2 DC1500V母線控制貫通

主電路供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。正常工況下，受電弓1和受電弓2分別給兩個(gè)單元車供電，當(dāng)某一個(gè)受電弓故障或意外停用的情況下，通過控制母線接觸器KM，實(shí)現(xiàn)DC1500V母線貫通，由單個(gè)受電弓承載整列車VVVF供電。

2 供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)比分析

針對(duì)上述幾種高壓主電路供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、安全性、可靠性、實(shí)施難度及經(jīng)濟(jì)性等角度進(jìn)行對(duì)比分析。

（1）從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜角度分析，雙受電弓方案較簡單，高壓母線直接貫通方案結(jié)構(gòu)最簡單，三弓和四弓方案配置受電弓及母線接觸器數(shù)量較多。

（2）從安全性角度分析，DC1500V母線直接貫通存在較大安全隱患，當(dāng)某一供電分區(qū)在斷電作業(yè)時(shí)，列車進(jìn)入無電區(qū)與有電區(qū)之間，因高壓母線貫通，就會(huì)將有電區(qū)的高壓電接入無電分區(qū)，將可能對(duì)無電區(qū)設(shè)備或人員造成傷害。高壓母線不貫通方案更加安全，如果設(shè)置高壓母線，則高壓母線貫通可控制比直接貫通安全。

（3）從經(jīng)濟(jì)性角度分析，受電弓及隔離裝置成本較高，雙受電弓方案較多弓方案更節(jié)約成本。

（4）從實(shí)施難度角度分析，三弓和四弓方案實(shí)施難度大，車頂設(shè)備安裝較多，并且布線比較困難。

（5）從可靠性角度分析，弓網(wǎng)電接觸受流方式已成為世界范圍內(nèi)鐵路車輛獲取動(dòng)力最為可靠的方式[4]，受電弓的研究及應(yīng)用已有100多年歷史，目前國內(nèi)外均有成熟可靠的高性能受電弓，可適應(yīng)各種復(fù)雜惡劣的工作工況，并且受電弓故障率較低，因此備用弓的利用率非常小。

綜上分析，各種方案優(yōu)劣對(duì)比如下表所示：

綜上對(duì)比分析，由于地鐵列車是公共交通裝備，故安全性、可靠性必須放在第一位，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、實(shí)施難易程度因素，DC1500V母線控制貫通方案相對(duì)更優(yōu)。

3 主電路控制及應(yīng)用

土耳其新機(jī)場(chǎng)線車輛選擇使用安全性高、經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)的DC1500V母線控制貫通主電路方案。當(dāng)?shù)罔F列車控制系統(tǒng)（TCMS）監(jiān)測(cè)到某個(gè)受電弓故障（包括意外停用）[5]時(shí)，通過司機(jī)室蜂鳴器進(jìn)行聲光報(bào)警，并在司機(jī)顯示器（HMI）上提示司機(jī)某受電弓故障。當(dāng)司機(jī)控制車輛停止后，在零速條件下，司機(jī)切除故障受電弓，當(dāng)故障受電弓降落并觸發(fā)降弓指示器，非故障弓處于升起狀態(tài)，列車TCMS系統(tǒng)控制DC1500V母線接觸器閉合，實(shí)現(xiàn)高壓DC1500V供電母線貫通。

土耳其新機(jī)場(chǎng)線車輛已完成整車試驗(yàn)驗(yàn)證，主電路及受電弓控制符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求。滿足在1個(gè)受電弓故障或意外停用情況下，另1受電弓可以為整列車提供供電，列車性能無損失。該地鐵車輛主電路實(shí)施方案已獲得用戶認(rèn)可，車輛已進(jìn)行批量生產(chǎn)。

4 結(jié)語

DC1500V母線控制貫通主電路方案高效解決了土耳其新機(jī)場(chǎng)線地鐵列車在任何受電弓故障或受電弓意外停用的情況下，其他受電弓能夠給列車供電，且不會(huì)造成車輛任何性能損失的要求，并且為國內(nèi)外地鐵車輛設(shè)計(jì)提供了一種經(jīng)濟(jì)、安全、可靠的供電及控制策略。該種主電路可在國內(nèi)外地鐵車輛、輕軌等接觸網(wǎng)供電車輛上應(yīng)用，提高受電弓故障工況下車輛的利用率，提高車輛運(yùn)營效率和服務(wù)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]張興寶.城軌車輛受電弓供電高壓母線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)探討[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2014，（1）：61-63.

[2]劉永發(fā).地鐵電客車受電弓常見故障原因分析及處理[J].科技風(fēng)，2017（8）：297.

[3]王亞浩.地鐵車輛受電弓故障分析與處理策略探討[J].工程設(shè)備與材料，2019，（21）：125-126.

[4]吳廣寧，周悅，雷棟，等.弓網(wǎng)電接觸研究進(jìn)展[J].高電壓技術(shù)，2016，（11）：3495-3506.

[5]王顏明，陸嘉，尹鳳偉.受電弓控制電路故障判斷及應(yīng)急故障處理[J].甘肅科技，2012（10）.

作者簡介：趙小軍（1987— ），男，陜西漢中人，碩士，工程師，研究方向：軌道交通產(chǎn)品設(shè)計(jì)及技術(shù)研發(fā)。