城軌車輛輔助供電系統電路結構研究

魏偉龍

一、輔助供電系統組成及常規電路結構

城軌車輛輔助供電系統是為車輛中低壓負載設備供電的系統，其穩定性直接影響列車牽引、制動及空調等關鍵系統的正常工作，可能造成列車晚點、乘客投訴等影響。輔助供電系統主要包括高壓母線（DC1500V）、輔助逆變器、中壓母線（AC380V）、充電機、低壓母線（DC110V）、蓄電池及其他開關設備等，并通過網絡系統來實現輔助供電系統在正常工況、應急處置等情況下的資源配置。

早期城軌車輛主要采用擴展供電（天津1號線）和交叉供電（深圳2號線）電路結構，基于行業技術水平的日益成熟，近年陸續出現并網供電（廈門1號線）等新電路結構形式，其可靠性較前者有較大提升。

二、常規輔助系統電路結構

1.交叉供電

列車一般設有2個輔助逆變器（以下簡稱“輔逆”），分別在列車2個單元的某節車輛上，分別向2路貫穿全車的中壓母線供電。同時，每節車上的中壓負載分成2路，分別從2路中壓母線取電。結構示意如圖1所示。

2.擴展供電

列車輔逆數量及位置設置同交叉供電，但列車僅設1條貫穿全車的中壓母線，單元間通過擴展接觸器將母線分隔。正常情況下，2個輔逆分別向本單元輔助負載供電，中間擴展接觸器斷開；當某1個輔逆故障時，故障輔逆將被隔離，中間擴展接觸器閉合，由正常工作的輔逆為全列車輔助負載供電，部分設備減載運行。結構示意如圖1所示。

圖1 常規輔助系統電路結構

3.并網供電

列車一般設置4個及以上的輔逆，均勻分布在列車2個單元的車輛上，共同向1路貫穿列車的中壓母線供電。當某個輔逆故障時，故障輔逆將被隔離，列車中壓負載供電受影響，中壓負載受影響程度隨故障輔逆數的增多而加大。結構示意如圖1所示。

4.對比分析

表1 常見輔助系統電路結構對比分析

從上表可得，傳統的交叉供電和擴展供電輔逆設置較為集中，輔逆故障時影響范圍較大，而并網供電輔逆分散布置，故在多個輔逆故障情況下仍可維持列車運行，冗余度較高；但并網供電在中壓母線發生短路故障情況下的可靠性較另外2類結構低，例如：廈門地鐵1號線列車輔助電路結構為并網供電，曾發生過某列車2、3車廂380V母線跨接線纜插頭接觸不良，造成母線電壓三相不平衡，引起輔助系統不平衡保護、4個輔逆停機的故障；為提升并網供電列車在該類故障情況下的冗余能力，地鐵使用單位可斷開列車兩單元間的母線連接線，并修改相應控制邏輯，降低該類故障下的影響范圍。從廈門地鐵1號線2017年運營至今車輛故障統計情況來看，母線接地故障遠低于輔逆故障發生概率，所以綜合來看，并網供電可靠性總體高于前兩者。維護成本方面，“擴展供電”增加了擴展接觸器，成本會相對較高；因輔逆為集成結構，其數量增加對維護成本的增加有限。

三、常見輔助系統電路結構改進方案

為進一步提升列車輔助供電系統的可靠性，可在上述常見電路結構基礎上進行優化，通過組合的形式形成新的電路結構，比如：“并網+交叉”、“并網+擴展”、“并網+交叉+擴展”及“并網+交叉+局部擴展”等組合方式。下面列舉其中3個優化方案，并對其可靠性及維護成本進行對比分析。

1.并網+擴展供電

并網+擴展供電結構可理解為將傳統集中擴展供電電路結構輔逆拆分成多個，提升系統在輔逆故障情況下的冗余能力，若加大拆分后的輔逆容量，可進一步提升輔逆故障情況下的冗余能力，但成本和設計難度也會隨之加大，這需要運營單位結合自身實際綜合考慮；該結構也可理解為將并網供電結構母線按列車單元進行分割，提升并網供電結構在母線接地故障情況下的列車可靠度。結構示意如圖2所示。

2.交叉+并網+擴展供電

并網+交叉+擴展供電結構可理解為將并網+擴展供電“分解”成兩路，每路母線均為并網+擴展供電電路結構，進一步提升了輔逆故障及母線短路給列車帶來的影響。結構示意如圖2所示。

圖2 改進后的各類電路結構示意圖

3.交叉+并網+局部擴展供電

如圖2所示，以并網+交叉電路結構為基礎，將每單元“重要負載”同時接入兩路母線，并用接觸器控制負載投切，即僅對“重要負載”進行擴展。其中，“重要負載”指對車輛運行有影響的中壓負載，包括制動電阻風機、牽引逆變器風機和空氣壓縮機等。如此，可以在交叉+并網+擴展供電基礎上進一步降低輔逆故障及母線短路給列車運行帶來的影響。

正常工況下，KM1常閉、KM2常開，重要負載1由下側母線供電，當下側母線短路或2個輔逆局故障情況下斷開KM1，閉合KM2，將重要負載投切至上側母線，保證重要負載的正常工作，確保列車運行能力。

表2 幾種改進電路結構對比分析

四、結語

綜合來看，更高的冗余度一定程度上依賴于更為復雜的電路結構，而復雜電路結構意味著更多的成本投入。比如增加母線鋪設、增加線路接觸器、控制電路等設備，而其可靠性的保障則基于新增設備及控制邏輯本身可靠性的提升，這需要相應行業通過一定的發展來積累，否則反而會降低列車的可靠度。

經過長期的技術積累，我國城市軌道交通已逐步打破既有常見輔助系統電路結構，選取相對復雜、有利于提升列車可靠度的輔助系統電路結構，特別是北京、上海、廣州及深圳等客運量大、行車間隔短的城市，采用可靠性更高的電路結構對提升列車可用性有積極意義。