夏泓軒

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技術(shù)裝備

地鐵車輛中壓網(wǎng)絡(luò)的分析與改進(jìn)

夏泓軒

總結(jié)南京地鐵前期運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，并用于指導(dǎo)新線列車的各項(xiàng)工作，特別是運(yùn)用到1號線增購列車的設(shè)計(jì)中。介紹南京地鐵已運(yùn)營列車的不同形式的中壓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分析交叉分散式供電和擴(kuò)展式供電的特點(diǎn)，對比廣州地鐵列車的集中并網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)，之后闡述了一些改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。

地鐵車輛；中壓網(wǎng)絡(luò)；分析；改進(jìn)

南京地鐵目前正在運(yùn)營的 1 號線、南延線、2 號線以及 10 號線列車都是依靠或基于 ALSTOM 的技術(shù)設(shè)計(jì)制造的 A 型車。雖然車體結(jié)構(gòu)類似，但其電路設(shè)計(jì)還是存在著較大差異。不同線路的車輛經(jīng)過多年的運(yùn)營，逐漸體現(xiàn)出性能上的不同。分析對比和研究這些不同，對列車設(shè)計(jì)有了根本性的認(rèn)識，并在此基礎(chǔ)上嘗試優(yōu)化和改進(jìn)。一方面為了保證老線的安全穩(wěn)定運(yùn)營，另一方面也為 1 號線增購車輛的中壓網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。

1　中壓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

列車中壓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)際上是指輔助逆變器的中壓供電系統(tǒng)。輔助逆變器是列車中壓供電系統(tǒng)的“電源”，圍繞著輔助逆變器的數(shù)量和性能參數(shù)，設(shè)計(jì)了列車的配電形式，以保證所有中壓負(fù)載在不同工況下的正常工作，輔助逆變器及其所連接到全列車的中壓電纜及相關(guān)接觸器就構(gòu)成了地鐵列車的中壓網(wǎng)絡(luò)。

南京地鐵已運(yùn)營車輛的中壓網(wǎng)絡(luò)形式總體來說有2 種：一種是交叉分散式供電，另一種是集中擴(kuò)展式供電。不同的供電形式也決定了列車的中壓線纜的布線結(jié)構(gòu)。擴(kuò)展式供電有 1 條貫穿全車的中壓母線，但通過擴(kuò)展接觸器分成 2 個獨(dú)立的中壓網(wǎng)絡(luò)。即列車上的 2 臺輔助逆變器分別向半列車的中壓負(fù)載供電，在故障狀態(tài)下，通過擴(kuò)展接觸器的閉合，使得全列車中壓負(fù)載通過1 條母線供電。交叉分散式供電則沒有貫穿全車的中壓母線，單節(jié)車的中壓負(fù)載設(shè)備由 2 個不同的交叉網(wǎng)絡(luò)直接進(jìn)行供電。

1.1交叉分散式供電

南京地鐵 1 號線列車的中壓網(wǎng)絡(luò)是交叉分散式供電的典型結(jié)構(gòu)。每節(jié)車的中壓負(fù)載都來自于 2 個不同的輔助逆變器和相應(yīng)獨(dú)立的中壓母線（圖 1）。全列車由 4 臺輔助逆變器，經(jīng)由 4 條互相獨(dú)立的中壓母線完成所有中壓負(fù)載的電力分配。當(dāng) 1 臺輔助逆變器故障時，全部 6 節(jié)車，僅有 3 節(jié)車損失一半的中壓負(fù)載，例如：損失一半 220 V 照明，損失一半的空調(diào)，其余設(shè)備均正常工作。

圖1　南京地鐵 1 號線列車中壓網(wǎng)絡(luò)交叉分散式供電

這樣的中壓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，6 節(jié)編組的車輛需要4臺輔助逆變器，4 條相應(yīng)的三相電纜，列車的制造成本較高。但是，由于 4 臺輔助逆變器相對獨(dú)立，因此，對控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求較低。

1.2 集中擴(kuò)展式供電

南京地鐵 3 號線車輛中壓網(wǎng)絡(luò)是并網(wǎng)供電的典型結(jié)構(gòu)，有 2 條貫穿全列車的中壓母線，即列車上 2 臺輔助逆變器并聯(lián)在中壓母線上同時向全列車的中壓負(fù)載供電。中壓母線上設(shè)置接觸器將輔助逆變器隔開。正常情況下，接觸器處于閉合狀態(tài)，所有輔助逆變器處于并聯(lián)供電模式；在故障模式下，中壓母線接觸器可根據(jù)輔助逆變器的供電網(wǎng)絡(luò)將中壓母線分割成 2 個獨(dú)立的供電網(wǎng)絡(luò)。

南京地鐵 2 號線列車的中壓網(wǎng)絡(luò)，實(shí)際上借鑒了集中并網(wǎng)供電的思想，但是在設(shè)計(jì)上卻略有不同，因此，我們稱之為集中擴(kuò)展式供電。全列車有 1 條貫穿全車的中壓母線，但通過中壓接觸器（MVCPK）分成 2 個獨(dú)立的中壓網(wǎng)絡(luò)。即列車上的 2 臺輔助逆變器分別向半列車的中壓負(fù)載供電，在故障狀態(tài)下，通過該接觸器的閉合，使得全車中壓負(fù)載通過 1 條母線供電（圖 2）。

圖2　南京地鐵 2 號線列車中壓網(wǎng)絡(luò)集中擴(kuò)展式供電

這樣的中壓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相較 1 號線的結(jié)構(gòu)簡單，僅需要2 臺高功率的輔助逆變器和 1 條貫通母線，節(jié)約了列車造價。而且，從布線的角度來講，擴(kuò)展供電要比交叉供電簡單。交叉供電需要在整列車上布設(shè) 2 路三相四線制的列車線，共 8 根，而擴(kuò)展供電只需要布設(shè) 4 根列車線，從數(shù)量上減少了一半，使得成本減少一半，線纜重量也減少了一半。

南京地鐵南延線列車中壓網(wǎng)絡(luò)在其 2 號線列車的基礎(chǔ)上又做了改進(jìn)。2 臺輔助逆變器通過 2 路獨(dú)立的中壓母線分別向全列車一半的中壓負(fù)載供電，擴(kuò)展供電接觸器只安裝在 A 車，保證在故障狀態(tài)下，能向 2 臺空壓機(jī)供電。

廣州地鐵 3 號線列車對集中并網(wǎng)供電也有了進(jìn)一步的優(yōu)化，其并未采用 ALSTOM 在南京地鐵列車上安裝擴(kuò)展供電接觸器的方式，而是對輔助逆變器本身的配置做了改進(jìn)，通過增加輔助逆變器的數(shù)量來提高可靠性。其輔助逆變器箱集中安裝在B車上，包含了 2 臺相互獨(dú)立的輔助逆變器（圖 3）。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，2 個三相中壓系統(tǒng)相互獨(dú)立工作，1 個輔助逆變器的三相交流輸出可以為 1 節(jié) A 車和半節(jié) B 車供電。1 個輔助逆變器故障時，將通過斷開相應(yīng)輸出接觸器的方式將故障的輔助逆變器與三相配電回路隔離。10 s 之后耦合接觸器閉合，先前被隔離的三相回路將被組合到 1 個供電系統(tǒng)中去，由另一個工作的輔助逆變器供電，每節(jié)車關(guān)閉 1 個空調(diào)單元。

圖3　廣州地鐵 3 號線列車中壓網(wǎng)絡(luò)集中式供電

2　中壓網(wǎng)絡(luò)的分析與改進(jìn)

南京地鐵 1 號線列車的交叉供電模式，由于造價高（4 臺輔助逆變器），結(jié)構(gòu)復(fù)雜，已經(jīng)在隨后的項(xiàng)目中逐漸淡出主流設(shè)計(jì)的行列。以列車 1 條中壓母線為例，400 V 電纜截面 70 mm2，其單位長度重量為 756 kg/km，布線長度約為 180 m。那么擴(kuò)展供電模式比交叉模式除了減少 2 臺輔助逆變器外，還節(jié)省超過一半的線纜（三相四線制），即 544 kg 的重量，且布線工作也較為簡單，成本自然隨之下降。

2.1基于2號線列車擴(kuò)展式供電的分析

列車造價的降低、軸重的改善是擴(kuò)展式供電的優(yōu)勢所在，但是從控制的角度來講，擴(kuò)展式供電的設(shè)計(jì)要求比交叉式供電要高。交叉供電時，因?yàn)槊抗?jié)車的負(fù)載通過 2 路母線連接在不同的逆變器上，所以，當(dāng) 1 個輔助逆變器故障時，不需要控制電路做任何復(fù)雜的判斷和操作。而擴(kuò)展式供電必須要考慮擴(kuò)展供電接觸器的閉合，也就是 2 號線列車的中壓接觸器的控制邏輯。一旦出現(xiàn)錯誤，輕則造成列車丟失中壓而無法運(yùn)營，重則導(dǎo)致中壓設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p毀。

以 2 號線列車 ALSTOM 的中壓接觸器（MVCPK）設(shè)計(jì)為例，分析輔助逆變器在遇到不同類型故障時，擴(kuò)展式供電對列車運(yùn)營的影響（圖 4）。

圖4　南京地鐵 2 號線列車 MVCPK 控制邏輯

在 1 臺輔助逆變器故障的情況下，列車控制系統(tǒng)（TCMS）會根據(jù)整車故障情況來決定中壓接觸器會發(fā)送給 TCMS“Inhibit Coupling（禁止閉合）的”命令，用于禁止MVCPK的閉合。故障邏輯主要包含以下內(nèi)容。

（1）外部短路故障。輔助逆變器在檢測到短路故障時，會啟動短路故障管理，輔助逆變器會以固定的電流工作一段時間，強(qiáng)迫短路點(diǎn)上層的斷路器因短路過流而跳開。如果該模式無效，短路點(diǎn)仍然存在，輔助逆變器才會發(fā)送禁止命令。

（2）AOIK 不一致故障。AOIK 是負(fù)責(zé)將輔助逆變器輸出的三相電供給全車負(fù)載的主接觸器，該接觸器的狀態(tài)與MVCPK的故障管理息息相關(guān)，因此，如果該接觸器故障，輔助逆變器也會發(fā)送禁止命令。

這一系列邏輯保證著擴(kuò)展式供電的安全性。但是，經(jīng)過多年的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)積累，我們維修中心發(fā)現(xiàn)上述邏輯還存在著一定的問題。輔助系統(tǒng)檢測中壓母線主要通過電流、電壓傳感器來完成，除了短路故障之外，還需要分析三相電流不平衡所帶來的影響。對于輔助逆變器來說，如果負(fù)載造成三相電流不平衡的情況較為嚴(yán)重，為了避免線纜的過度發(fā)熱和設(shè)備的損壞，輔助逆變器會停止工作，直到負(fù)載從（MVCPK）的閉合與否，主要目的是為了避免故障點(diǎn)的擴(kuò)大，從而引起更為嚴(yán)重的事件。TCMS首先會判定通信的正常與否，以保證輔助逆變器故障信息的準(zhǔn)確，其次TCMS會判定中壓接觸器是否存在故障，如果MVCPK本身無故障，才允許繼續(xù)判斷下一個重要變量“NOT ACE IInhibCoupling（輔逆未檢測到特殊故障）”。該變量的邏輯是由輔助逆變器本身根據(jù)檢測到故障發(fā)生時的電流、電壓參數(shù)所決定的。因?yàn)橛胁糠止收蠒?dǎo)致本單元的輔助逆變器出于保護(hù)目的而停止工作，如果盲目閉合 MVCPK 會導(dǎo)致故障的擴(kuò)大。例如：1 路母線出現(xiàn)短路故障，在這種情況下閉合MVCPK會導(dǎo)致另 1 路的輔助逆變器也因過流而停止工作，列車會因丟失所有中壓電源而無法動車。在上述情況下，為了避免 MVCPK 錯誤閉合導(dǎo)致的故障擴(kuò)散，輔助逆變器母線上斷開。在這種情況下，如果負(fù)載未能及時從母線上斷開，原擴(kuò)展式供電設(shè)計(jì)的邏輯，會導(dǎo)致這一故障擴(kuò)散到全列車，進(jìn)而造成列車失去所有的中壓電源。在與 ALSTOM 的質(zhì)保人員溝通后，擴(kuò)展式供電的控制邏輯得到了完善，增加了對于三相電流不平衡的控制邏輯，南京地鐵 2 號線列車至今運(yùn)營良好。

擴(kuò)展式供電雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是其控制邏輯要求嚴(yán)格，不允許存在任何疏漏，而且對后續(xù)運(yùn)營也存在著一些不確定因素。

南京地鐵南延線和國產(chǎn)化 4 列車較 2 號線列車的供電模式做出了一定的改進(jìn)，2 臺輔助逆變器通過 2 路獨(dú)立的中壓母線分別向全列車一半的中壓負(fù)載供電，擴(kuò)展供電接觸器只安裝在 A 車上，主要保證在故障狀態(tài)下，能向 2 臺空壓機(jī)供電。在僅有 2 臺輔助逆變器的情況下，這樣的供電方式既可以極大地降低負(fù)載故障的擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)，又不影響列車重要安全設(shè)備的工作。

2.2中壓網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)

交叉式供電結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，而擴(kuò)展式供電設(shè)計(jì)難度高，運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)大。ALSTOM 曾經(jīng)設(shè)計(jì)過 1 種環(huán)形中壓網(wǎng)絡(luò)形式以提高中壓網(wǎng)絡(luò)的可靠性。環(huán)網(wǎng)供電是用 1 個環(huán)形的中壓母線貫穿全車并首尾相接。每個輔助逆變器向 2 節(jié)車供電，成為 1 個中壓單元。所有中壓單元并聯(lián)在這個環(huán)形的中壓母線上，2 個單元間由接觸器隔離。當(dāng)任意輔助逆變器故障，通過控制接觸器閉合，使鄰近的 1 個輔助逆變器向此中壓單元供電。該設(shè)計(jì)方案相比交叉供電更有效地利用了輔助逆變器的容量，但是成本較高，對于列車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求也較高。

除了環(huán)網(wǎng)供電外，目前還有分散式并網(wǎng)供電（圖 5），上海 1 號線增擴(kuò)編項(xiàng)目系西門子首次使用該結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)通過增加輔助逆變器的數(shù)量來提高可靠性，但是由于共用中壓母線帶來了一系列問題（單個逆變器輸出的中壓波形畸變故障影響整個列車的中壓質(zhì)量）。因此，如果設(shè)計(jì)為每臺輔助逆變器并網(wǎng)供電的同時，通過中壓接觸器與母線隔離，可以大幅度提高中壓系統(tǒng)的可靠性。由于輔助逆變器數(shù)量不同，因此，其負(fù)載利用率也不相同。以南京 2 號線車為例，對于全車負(fù)載，考慮最惡劣的工作情況，即所有的設(shè)備（空調(diào)、壓縮機(jī)、客室正常照明等）都同時正常工作。夏季情況下，中壓負(fù)載容量最大，全車中壓負(fù)載總?cè)萘考s為 349 kVA；冬季時全車的中壓負(fù)載容量為 206 kVA。所以，以夏季情況下的中壓負(fù)載容量為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算，全車中壓負(fù)載在空調(diào)壓縮機(jī)功率最惡劣工況下總?cè)萘繛?349 kVA。如果 6 節(jié)編組車分別安裝 6 臺輔助逆變器，每臺逆變器輸出容量為 90 kVA。以全車所有輔助逆變器的總?cè)萘浚?0×6 ＝ 540 kVA 計(jì)算。在損失 2 臺輔助逆變器的情況下，仍然有 10 kVA 的裕度，且輔助逆變器 10 s 內(nèi)的過載能力達(dá)到 150%，啟動容量也滿足空氣壓縮機(jī)啟動電流約是額定電流 9 倍的工況。這種供電形式可以降低輔助逆變器本身故障對全列車中壓網(wǎng)絡(luò)的影響，更有效地利用輔助逆變器的容量，相較環(huán)網(wǎng)供電更具優(yōu)勢，但是由于對隔離接觸器的控制同樣較為嚴(yán)格，在不同故障情況下隔離開關(guān)的狀態(tài)都不相同。輔助逆變器是并網(wǎng)供電，還是從母線隔離都需要通過 TCMS 嚴(yán)格的控制邏輯來實(shí)現(xiàn)。同時，為了避免母線故障，還可以設(shè)置雙路中壓母線，但是這對軸重和成本有較大影響。當(dāng)然，通過這樣的設(shè)計(jì)可以有效地降低各類故障所帶來的運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)，極大地提高列車的可靠性。

圖5　分散式并網(wǎng)供電

3　總結(jié)

隨著列車控制理論的發(fā)展，并且受到制造成本和工藝的影響，交叉分散式供電已經(jīng)很少使用，擴(kuò)展供電和并網(wǎng)供電已經(jīng)越來越多的使用于新項(xiàng)目上。這些中壓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的區(qū)別將直接決定列車今后的運(yùn)營使用特點(diǎn)。依據(jù)前期的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，對比南京地鐵 2 號線、南延線、3 號線以及廣州地鐵和上海地鐵的中壓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的異同，并分析其他供電模式設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在完善既有中壓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，為南京地鐵 1 號線增購列車的中壓網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和成熟的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，用以保證在列車控制系統(tǒng)國產(chǎn)化的條件下，增購列車運(yùn)營后的可靠與穩(wěn)定。

[1] GB 7928-2003 地鐵車輛通用技術(shù)條件[S].

[2] 肖彥君，吳茂杉．城軌列車輔助供電系統(tǒng)的技術(shù)要求和電路選型[J]．現(xiàn)代城市軌道交通，2004（4）.

Analysis and Improvement of Medium Voltage Power Supply System of Metro Vehicles

Xia Hongxuan

The paper makes introduction different forms of the medium voltage network structure of Nanjing metro train and characteristics of dispersed and extended type power supply, also compares the centralized grid power supply structure of Guangzhou metro train, and it introduces the improved design scheme.

metro vehicle, medium voltage power supply system, analysis, improvement

U266.26

夏泓軒：南京地鐵運(yùn)營有限責(zé)任公司車輛維修中心，工程師，江蘇南京 211000

2015-07-02責(zé)任編輯 冒一平