城轨车辆辅助供电系统电路结构研究
发布时间：2021-12-06
一、辅助供电系统组成及常规电路结构
城轨车辆辅助供电系统是为车辆中低压负载设备供电的系统，其稳定性直接影响列车牵引、制动及空调等关键系统的正常工作，可能造成列车晚点、乘客投诉等影响。辅助供电系统主要包括高压母线(DC1500V)、辅助逆变器、中压母线(AC380V)、充电机、低压母线(DC110V)、蓄电池及其他开关设备等，并通过网络系统来实现辅助供电系统在正常工况、应急处置等情况下的资源配置。
早期城轨车辆主要采用扩展供电(天津1号线)和交叉供电(深圳2号线)电路结构，基于行业技术水平的日益成熟，近年陆续出现并网供电(厦门1号线)等新电路结构形式，其可靠性较前者有较大提升。
二、常规辅助系统电路结构
1.交叉供电
列车一般设有2个辅助逆变器(以下简称“辅逆”)，分别在列车2个单元的某节车辆上，分别向2路贯穿全车的中压母线供电。同时，每节车上的中压负载分成2路，分别从2路中压母线取电。结构示意如图1所示。
2.扩展供电
列车辅逆数量及位置设置同交叉供电，但列车仅设1条贯穿全车的中压母线，单元间通过扩展接触器将母线分隔。正常情况下，2个辅逆分别向本单元辅助负载供电，中间扩展接触器断开;当某1个辅逆故障时，故障辅逆将被隔离，中间扩展接触器闭合，由正常工作的辅逆为全列车辅助负载供电，部分设备减载运行。结构示意如图1所示。
3.并网供电
列车一般设置4个及以上的辅逆，均匀分布在列车2个单元的车辆上，共同向1路贯穿列车的中压母线供电。当某个辅逆故障时，故障辅逆将被隔离，列车中压负载供电受影响，中压负载受影响程度随故障辅逆数的增多而加大。结构示意如图1所示。4.对比分析
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从上表可得，传统的交叉供电和扩展供电辅逆设置较为集中，辅逆故障时影响范围较大，而并网供电辅逆分散布置，故在多个辅逆故障情况下仍可维持列车运行，冗余度较高;但并网供电在中压母线发生短路故障情况下的可靠性较另外2类结构低，例如：厦门地铁1号线列车辅助电路结构为并网供电，曾发生过某列车2、3车厢380V母线跨接线缆插头接触不良，造成母线电压三相不平衡，引起辅助系统不平衡保护、4个辅逆停机的故障;为提升并网供电列车在该类故障情况下的冗余能力，地铁使用单位可断开列车两单元间的母线连接线，并修改相应控制逻辑，降低该类故障下的影响范围。从厦门地铁1号线2017年运营至今车辆故障统计情况来看，母线接地故障远低于辅逆故障发生概率，所以综合来看，并网供电可靠性总体高于前两者。维护成本方面，“扩展供电”增加了扩展接触器，成本会相对较高;因辅逆为集成结构，其数量增加对维护成本的增加有限。
三、常见辅助系统电路结构改进方案
为进一步提升列车辅助供电系统的可靠性，可在上述常见电路结构基础上进行优化，通过组合的形式形成新的电路结构，比如：“并网+交叉”、“并网+扩展”、“并网+交叉+扩展”及“并网+交叉+局部扩展”等组合方式。下面列举其中3个优化方案，并对其可靠性及维护成本进行对比分析。
1.并网+扩展供电
并网+扩展供电结构可理解为将传统集中扩展供电电路结构辅逆拆分成多个，提升系统在辅逆故障情况下的冗余能力，若加大拆分后的辅逆容量，可进一步提升辅逆故障情况下的冗余能力，但成本和设计难度也会随之加大，这需要运营单位结合自身实际综合考虑;该结构也可理解为将并网供电结构母线按列车单元进行分割，提升并网供电结构在母线接地故障情况下的列车可靠度。结构示意如图2所示。
2.交叉+并网+扩展供电
并网+交叉+扩展供电结构可理解为将并网+扩展供电“分解”成两路，每路母线均为并网+扩展供电电路结构，进一步提升了辅逆故障及母线短路给列车带来的影响。结构示意如图2所示。
3.交叉+并网+局部扩展供电
如图2所示，以并网+交叉电路结构为基础，将每单元“重要负载”同时接入两路母线，并用接触器控制负载投切，即仅对“重要负载”进行扩展。其中，“重要负载”指对车辆运行有影响的中压负载，包括制动电阻风机、牵引逆变器风机和空气压缩机等。如此，可以在交叉+并网+扩展供电基础上进一步降低辅逆故障及母线短路给列车运行带来的影响。
正常工况下，KM1常闭、KM2常开，重要负载1由下侧母线供电，当下侧母线短路或2个辅逆局故障情况下断开KM1，闭合KM2，将重要负载投切至上侧母线，保证重要负载的正常工作，确保列车运行能力。
四、结语
综合来看，更高的冗余度一定程度上依赖于更为复杂的电路结构，而复杂电路结构意味着更多的成本投入。比如增加母线铺设、增加线路接触器、控制电路等设备，而其可靠性的保障则基于新增设备及控制逻辑本身可靠性的提升，这需要相应行业通过一定的发展来积累，否则反而会降低列车的可靠度。
经过长期的技术积累，我国城市轨道交通已逐步打破既有常见辅助系统电路结构，选取相对复杂、有利于提升列车可靠度的辅助系统电路结构，特别是北京、上海、广州及深圳等客运量大、行车间隔短的城市，采用可靠性更高的电路结构对提升列车可用性有积极意义。——论文作者：魏伟龙
