■ 王利 聶穎 孫寧

1 系統(tǒng)構(gòu)成

輔助供電系統(tǒng)為列車(chē)各輔助風(fēng)機(jī)、空調(diào)、電伴熱、旅客娛樂(lè)信息系統(tǒng)、列控設(shè)備、控制電路等提供電源。輔助供電系統(tǒng)包括變壓器3次繞組、輔助電源裝置（APU）、輔助整流器和蓄電池。動(dòng)車(chē)組輔助供電系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng)）包括交流電源系統(tǒng)與直流電源系統(tǒng)。交流電源系統(tǒng)由牽引變壓器輔助繞組、輔助電源裝置、輔助風(fēng)機(jī)、單相變壓器等設(shè)備組成；直流電源系統(tǒng)由輔助整流裝置、蓄電池（BAT）組成。輔助整流裝置與單相變壓器集成在輔助整流器（ARF）箱中。整車(chē)牽引變壓器、牽引變壓器輔助繞組分別為2個(gè)輔助單元提供電源。動(dòng)車(chē)組設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的蓄電池并聯(lián)為車(chē)輛直流設(shè)備供電。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要功能是為列車(chē)正常運(yùn)行所需的輔助負(fù)載和控制電路提供電源。直流電源系統(tǒng)還應(yīng)向應(yīng)急系統(tǒng)供電。

蓄電池容量應(yīng)能確保在任何條件下都能夠升起受電弓。蓄電池控制電路中設(shè)置了欠壓檢測(cè)繼電器，當(dāng)蓄電池輸出電壓低于門(mén)檻值時(shí)，欠壓檢測(cè)繼電器動(dòng)作使蓄電池放電回路斷路器自動(dòng)斷開(kāi)，切斷蓄電池放電電路。直接由蓄電池供電的負(fù)載功率很小，重新接入蓄電池回路時(shí)，不會(huì)造成電池輸出的振蕩。

輔助供電系統(tǒng)為列車(chē)客室插座供電，使乘客可以使用AC 220 V電源。動(dòng)車(chē)組客室內(nèi)設(shè)置可供乘客使用的電源插座，插座由DC 110 V經(jīng)過(guò)安裝在每節(jié)車(chē)的逆變電源逆變出的AC 220 V供電，這樣過(guò)分相時(shí)客室插座不斷電。為了保障乘客安全用電，在插座前端設(shè)置帶漏電保護(hù)的斷路器，漏電監(jiān)測(cè)電流值為30 mA。

2.1 實(shí)現(xiàn)過(guò)程

牽引變壓器輔助繞組為整個(gè)輔助供電系統(tǒng)提供輸入電量。牽引系統(tǒng)是由變壓器的牽引繞組提供電能，變壓器的牽引繞組和輔助繞組是獨(dú)立的，牽引設(shè)備的故障不會(huì)影響到輔助系統(tǒng)的可用性。設(shè)置接觸器將2個(gè)單元的變壓器輔助繞組的輸出分?jǐn)酁閮刹糠?，避免了不同單相AC 400 V交流電源的平行輸出；設(shè)置擴(kuò)展供電用接觸器（BKK）將APU1和APU2的輸出分?jǐn)酁閮刹糠?，避免了不同三相AC 380 V交流電源的平行輸出。

牽引變壓器輔助繞組輸出的單相AC 400 V電壓通過(guò)輔助電源裝置變換成3相AC 380 V電源，給各輔助風(fēng)機(jī)、輔助整流裝置供電；空調(diào)和換氣裝置直接由牽引變壓器輔助繞組輸出的單相AC 400 V供電。直流電源系統(tǒng)通過(guò)輔助整流裝置將3相AC 380 V整流成DC 110 V電源，給蓄電池、車(chē)廂照明、廣播影視系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等供電，DC 110 V經(jīng)單相逆變電源轉(zhuǎn)換成AC 220 V向客室插座供電。集成在輔助整流器箱中的單相變壓器將3相AC 380 V變壓成AC 220 V/50 Hz，向電加熱類(lèi)負(fù)載供電。動(dòng)車(chē)組設(shè)置了相應(yīng)數(shù)量的蓄電池并聯(lián)為車(chē)輛直流設(shè)備供電，蓄電池在列車(chē)啟動(dòng)時(shí)為輔助空壓機(jī)供電，并在應(yīng)急情況下為車(chē)輛應(yīng)急設(shè)備供電。在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，有車(chē)輛電路為蓄電池進(jìn)行浮充電。

2.2 擴(kuò)展供電

輔助供電系統(tǒng)由2個(gè)互相獨(dú)立的變壓器輔助繞組供電，任意一個(gè)輔助繞組的單個(gè)損壞不會(huì)造成所有車(chē)廂無(wú)輔助電源，而且可在輔助單元之間進(jìn)行擴(kuò)展供電。

輔助供電系統(tǒng)擴(kuò)展供電時(shí)，單元1與單元2之間能互相擴(kuò)展，當(dāng)單元1的牽引變壓器故障時(shí)，可以通過(guò)切除故障單元后投入接觸器的方式，由單元2的牽引變壓器3次繞組進(jìn)行擴(kuò)展供電，擴(kuò)展后空調(diào)功率減半使用。

當(dāng)APU1或APU2發(fā)生故障時(shí)，牽引變壓器油泵、牽引變壓器風(fēng)機(jī)、牽引變流器風(fēng)機(jī)、牽引電機(jī)風(fēng)機(jī)外的輔助負(fù)載通過(guò)投入輔助電源裝置BKK的方式，由APU2或APU1提供電源； APU擴(kuò)展供電時(shí)，不需要減載。

2.3 蓄電池應(yīng)急供電

動(dòng)車(chē)組設(shè)置了相應(yīng)數(shù)量的蓄電池并聯(lián)為車(chē)輛直流設(shè)備供電。當(dāng)外部供電終止時(shí)，蓄電池可以維持應(yīng)急通風(fēng)設(shè)備工作30 min以上，并能夠向車(chē)廂內(nèi)照明、廣播裝置、前后車(chē)外標(biāo)識(shí)燈等應(yīng)急設(shè)備提供2 h以上的供電。

2.4 外接電源

動(dòng)車(chē)組設(shè)置3相AC 380 V庫(kù)用電源插座，連接到APU的輸出母線上，可以給各車(chē)風(fēng)機(jī)供電，并通過(guò)輔助整流裝置給蓄電池供電。

外接電源與車(chē)輛電源之間是互鎖的。車(chē)輛設(shè)置了帶專(zhuān)用鎖閉裝置的外接電源連接器箱，只有在列車(chē)高壓接地開(kāi)關(guān)接地并且受電弓氣路被切斷的情況下，才能打開(kāi)外接電源連接器箱，確保列車(chē)無(wú)法從接觸網(wǎng)受電時(shí)才可使用外接電源，避免了不同電源的混接。

3 與其他系統(tǒng)/子系統(tǒng)的接口

3.1 與車(chē)輛信息控制裝置接口

在列車(chē)信息控制系統(tǒng)和輔助電源裝置之間設(shè)置通信接口，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸、硬連線將輔助電源裝置的相關(guān)信息傳送到車(chē)輛信息控制裝置，并在車(chē)輛信息顯示器上顯示。

（1）網(wǎng)絡(luò)傳輸。輔助電源裝置通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸線與車(chē)輛信息控制裝置相連，將APU的輸入電壓、輸出電壓等信息顯示在車(chē)輛信息顯示器上，監(jiān)測(cè)電壓變化。

（2）模擬量信息。通過(guò)硬連線將單相變壓器的輸出電壓（AC 220 V）模擬量信息傳輸給車(chē)輛信息控制裝置，同時(shí)在車(chē)輛信息顯示器上顯示電壓值，監(jiān)測(cè)電壓變化。通過(guò)硬連線將蓄電池電壓（DC 110 V）模擬量信息傳輸給車(chē)輛信息控制裝置，同時(shí)在車(chē)輛信息顯示器上顯示電壓值，監(jiān)測(cè)電壓變化。

（3）開(kāi)關(guān)量信息。通過(guò)硬連線將APU故障、APU風(fēng)扇故障、APU三次側(cè)切除（只顯示不報(bào)警）、APU故障報(bào)警切除、APU輸入側(cè)過(guò)電壓等信息顯示在車(chē)輛信息顯示器上并報(bào)警；通過(guò)硬連線將BKK擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)反饋給車(chē)輛信息控制裝置，并顯示在車(chē)輛信息顯示器上，監(jiān)測(cè)APU的擴(kuò)展供電狀態(tài)，然后根據(jù)監(jiān)測(cè)到的信息在車(chē)輛信息顯示器上手動(dòng)閉合/斷開(kāi)BKK；通過(guò)硬連線將蓄電池的電壓顯示在車(chē)輛信息顯示器上，監(jiān)測(cè)蓄電池電壓的變化。

3.2 與地面電源接口

在無(wú)架空接觸線電源的情況下，可以由地面提供3相AC 380 V、50 Hz電源為列車(chē)部分設(shè)備供電。為此動(dòng)車(chē)組設(shè)置了3相AC 380 V外接電源連接器插座，使外部電源可以連接到列車(chē)3相AC 380 V母線上。

4 系統(tǒng)供電容量計(jì)算

為驗(yàn)證輔助供電系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)的合理性，需要進(jìn)行相關(guān)的供電容量計(jì)算、蓄電池應(yīng)急容量計(jì)算。

4.1 供電容量計(jì)算

輔助供電系統(tǒng)各電源制式負(fù)載容量的舉例數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

假設(shè)各供電設(shè)備額定容量為：每個(gè)輔助繞組（單相AC 400 V）容量500 kV·A；整車(chē)輔助系統(tǒng)額定總?cè)萘? 000 kV·A；APU1/2容量為180 kV·A。

表1 負(fù)載容量kV·A（kW）

交流系統(tǒng)容量計(jì)算如下：

（1）正常工況時(shí)，APU1、APU2的負(fù)載容量均為93 kV·A，均小于相應(yīng)的正常供電容量180 kV·A。

（2）當(dāng)APU1或APU2故障時(shí)，APU2或APU1將擴(kuò)展供電，擴(kuò)展后APU1/2的最大容量為126 kV·A，小于APU1/2的供電容量，即一個(gè)APU可以滿(mǎn)足擴(kuò)展供電時(shí)所有負(fù)載的供電需求。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，APU1/2在正常工況下和擴(kuò)展時(shí)所需輸出容量均小于額定容量。1單元ARF內(nèi)置的CVT給1單元伴熱和加熱設(shè)備供電，負(fù)載為15 kV·A；2單元ARF內(nèi)置的CVT給2單元伴熱和加熱設(shè)備供電，負(fù)載15 kV·A，均小于CVT的容量20 kV·A。因此CVT供電能夠滿(mǎn)足AC 220 V負(fù)載的需求。輔助供電系統(tǒng)所需總?cè)萘繛?66 kV·A，遠(yuǎn)小于整車(chē)輔助系統(tǒng)額定總?cè)萘俊?/p>

4.2 蓄電池應(yīng)急容量計(jì)算

在應(yīng)急工況下（接觸網(wǎng)無(wú)電，或APU1、APU2同時(shí)發(fā)生故障時(shí)），假設(shè)蓄電池能夠提供應(yīng)急通風(fēng)工作30 min、其他應(yīng)急設(shè)備工作120 min的容量。

在接觸網(wǎng)無(wú)電，直接使用蓄電池為車(chē)輛應(yīng)急負(fù)載供電的過(guò)程中，如果蓄電池放電前30 min內(nèi)負(fù)載為15 kW，后90 min負(fù)載為10 kW，根據(jù)蓄電池容量計(jì)算一般公式：

式中：C為25 ℃定額放電率換算容量；L為保守率；K為容量換算時(shí)間；I為放電電流。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，選取系統(tǒng)最大的蓄電池所需容量450 Ah，列車(chē)可以設(shè)置相應(yīng)容量的蓄電池，以滿(mǎn)足應(yīng)急工況的用電需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

從系統(tǒng)角度考慮，動(dòng)車(chē)組輔助供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)展供電、應(yīng)急供電等冗余設(shè)計(jì)，并根據(jù)詳細(xì)的輔助容量、應(yīng)急容量計(jì)算驗(yàn)證，證明了該系統(tǒng)匹配的合理性。