北京地鐵4號線車輛電氣系統(tǒng)的冗余設計

尤維秀 劉玉文

（1.南車四方車輛公司，266111，青島；2.南車青島四方機車車輛股份有限公司，266111，青島∥第一作者，工程師）

對于地鐵列車，可靠性和可用性是兩個非常重要的指標。為了滿足車輛的這些指標要求，在提高列車各系統(tǒng)絕對可靠性的基礎上，系統(tǒng)或結(jié)構上采取一些冗余設計也是提高車輛整體可靠性和可用性的重要措施。在北京地鐵4號線地鐵車輛電氣系統(tǒng)的設計中，就充分體現(xiàn)了這個理念。

1 列車的編組形式

北京地鐵4號線每列車由6節(jié)車編組而成：＋Tc1－M1－M3－T3－M2－Tc2＋（＋表示半自動車鉤，－表示半永久棒式車鉤，M1、M2、M3為無司機室的動車，T3為無司機室的拖車；Tc1、Tc2為帶司機室的拖車）。

從列車編組可以看出，列車由3個基本相同的小單元組成：（Tc1－M1），（M3－T3），（M2－Tc2）。這3個小單元分別為一動一拖配置。

2 冗余設計

列車電氣系統(tǒng)主要由牽引系統(tǒng)、控制部分和輔助供電系統(tǒng)等幾大系統(tǒng)構成。這些系統(tǒng)的設計中，均采取了不同方式的冗余設計。

2.1 牽引力的冗余

牽引力的冗余設計是北京地鐵4號線車輛的最大特色。

2.1.1 正常的牽引力冗余

全列車共有3個動車，其動力冗余較大（見圖1列車牽引力曲線）。該列車的牽引力除讓列車具備基本牽引性能外，還具有以下冗余能力：

圖1 列車牽引力曲線

（1）6輛編組列車在超員狀態(tài)下，當損失1／3動力時，列車仍然可以在30‰的坡道上起動，并能以正常運行方式完成一次單程運行；

（2）6輛編組列車在空車狀態(tài)下，當損失1／3動力時，列車仍然可以在34.37‰的坡道上起動，并返回車輛基地；

（3）一列6輛編組的空車能將另一列停在30‰坡道上的6輛編組超員故障列車移至最近的車站（上坡）；

（4）一列6輛編組的空車能將另一列停在34.37‰坡道上的6輛編組故障空車救援到車輛基地（上坡）。

這樣的動力冗余性能，大大提高了列車的可用性和可靠性指標，即：一個動車故障的情況下，不影響列車的運營。

2.1.2 蓄電池牽引能力

蓄電池牽引運行模式是北京地鐵4號線列車的另一個顯著特點。列車正常運行時，是由第三軌外部電源供電牽引運行的。當外部電源由于某種原因不能供電時，其他線路的列車就需要救援，但4號線地鐵車輛可轉(zhuǎn)換到蓄電池供電牽引模式，實現(xiàn)短時牽引。所以北京地鐵4號線列車可以減少車輛被救援的概率，提高了車輛的可用性。另外，在車輛段沒有三軌電源供電的情況下，列車可通過采用蓄電池牽引模式，實現(xiàn)段內(nèi)列車的移動，從而減少了車輛段調(diào)車用機車的數(shù)量。存車庫內(nèi)可以不設三軌，進一步保證了維護人員和司乘人員的安全。

通過試驗驗證，蓄電池牽引工況下，列車可運行2km以上。蓄電池牽引試驗分空載（AW0）和超載（AW3）兩種工況進行：

（1）空載試驗（AW0）在南車四方試驗線進行，列車靜止工況下，將列車牽引模式轉(zhuǎn)換為蓄電池牽引模式后，啟動列車前進，列車以蓄電池牽引模式運行2km。

（2）超載（AW3）工況在業(yè)主線路正線進行，列車裝載AW3負載，靜止工況時將牽引模式轉(zhuǎn)換為蓄電池牽引模式后，啟動列車前進，列車以蓄電池牽引模式運行一個區(qū)間（大于2km）。

列車蓄電池牽引模式實現(xiàn)原理如下：動車的牽引逆變器由兩路供電：列車正常供電由受流器從線路上的三軌獲得后經(jīng)高速斷路器后送到牽引逆變器，另一路供電來自列車的蓄電池組。兩路供電由列車網(wǎng)絡控制實現(xiàn)互鎖，每種牽引工況下只允許有一路電送到牽引逆變器。司機操縱臺上設有一個列車牽引模式選擇開關，在列車靜止工況下，司機可以通過這個牽引模式選擇開關選擇采用正常牽引模式還是蓄電池牽引模式。

蓄電池牽引模式實現(xiàn)的關鍵有兩個：一是牽引逆變器具有低壓逆變牽引控制能力；二是蓄電池具有足夠的供電容量。

2.2 控制系統(tǒng)的冗余設計

控制系統(tǒng)的冗余設計包括網(wǎng)絡系統(tǒng)本身的冗余和硬線控制的冗余兩個方面的內(nèi)容。

2.2.1 網(wǎng)絡系統(tǒng)的冗余設計

北京地鐵4號線地鐵車輛列車采用的Mitrac?TCMS（列車控制和管理系統(tǒng)）優(yōu)于一般列車采用的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。Mitrac?TCMS系統(tǒng)及其部件無論是硬件本身還是軟件功能都具有高的可靠性和耐用性。在此基礎上，列車設計增加了冗余考慮。見圖2網(wǎng)絡冗余拓撲圖。

參見本文“列車編組形式”一節(jié)中的相關描述，4號線地鐵列車由3個小單元構成，列車級的MVB（多功能車輛總線）網(wǎng)絡中，每個小單元設有網(wǎng)絡主控制單元（VCU）。VCU按備份設置，即網(wǎng)絡的每個主節(jié)點上，均布置有兩個VCU控制器。正常情況時，其中一個VCU擔任主機功能，另一個處于熱備狀態(tài)（僅接受數(shù)據(jù)不參與控制）；當擔任主機功能的VCU控制器發(fā)生故障時，另一個處于熱備狀態(tài)的VCU接受到主機故障信息后立即接管主機功能，實現(xiàn)網(wǎng)絡的不間斷控制。網(wǎng)絡主控制器熱備的冗余設計，大大提高了網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的可用性和可靠性指標。

列車信息存儲的冗余。TCMS系統(tǒng)中集成了列車診斷系統(tǒng)。每單元的網(wǎng)絡主控制單元VCU檢測、存儲車輛狀態(tài)信息和車輛的故障、事件等信息，故障信息可即時顯示在司機臺的顯示器上，并可指導司機采取適當?shù)拇胧Ａ熊囋贛3車上增設了2個數(shù)據(jù)記錄器，同步記錄列車行車信息。冗余的信息存儲設計進一步保證了行車數(shù)據(jù)的安全。行車數(shù)據(jù)可以被下載下來即時分析或長期存儲在服務系統(tǒng)中供研究之用。

2.2.2 硬線控制的冗余

列車的牽引及制動指令，是列車控制系統(tǒng)中最重要的數(shù)據(jù)之一。為確保列車的可用性，這兩個數(shù)據(jù)除通過MVB網(wǎng)絡傳輸之外，在列車控制電路中，還設計了牽引和制動指令的硬線傳輸模式。即通過電流環(huán)傳輸模式進行數(shù)據(jù)傳輸，作為備份傳輸通路。當激活端司機室（司機發(fā)出指令的司機室）中的兩個VCU均發(fā)生故障的情況下，司機通過轉(zhuǎn)換開關轉(zhuǎn)換到備用工作模式（硬線控制模式），通過電流環(huán)可以把牽引、制動指令傳遞給列車其他兩個單元的牽引逆變器，使這些車的牽引單元繼續(xù)完成牽引功能，確保列車發(fā)揮三分之二的牽引能力，從而使列車得以正常的運營速度完成運送乘客的任務。空調(diào)的控制數(shù)據(jù)除通過網(wǎng)絡傳輸外，也具備通過硬線控制模式傳輸?shù)哪芰Α?/p>

2.3 輔助供電系統(tǒng)的冗余設計

4號線車輛輔助供電系統(tǒng)的冗余，包括容量上冗余和外部供電方面的冗余兩個方面的內(nèi)容。

2.3.1 容量冗余及擴展供電

4號線地鐵列車設有2個輔助電源，分別設置在M1和M2車上，每個輔助電源的容量為160kVA。參見圖3擴展供電電路，每個輔助電源為三輛車的輔助系統(tǒng)供電：M1車上的輔助電源對Tc1、M1和M3這3個車上的負載供電，M2車上的輔助電源對T3、M2和Tc2這3個車上的負載供電。每個輔助電源的正常最大負載為150kVA，每個輔助電源160kVA的容量即為滿足冗余設計而準備。

圖3為擴展供電電路，在M3車高壓箱中設有擴展供電裝置。在列車兩個輔助電源均工作正常的情況下，擴展供電接觸器處于斷開狀態(tài)，兩個輔助電源分別對各自的負載供電。為了保證列車的正常可靠運行，列車上所有關系到行車安全的重要設備均設有故障供電措施，即冗余供電設計。例如，假定輔助電源1發(fā)生故障時，TCMS根據(jù)其發(fā)出的故障信號，將通過MVB網(wǎng)絡通知列車上的所有空調(diào)暫停運行后，再通過網(wǎng)絡控制設在M3車高壓箱中的擴展供電接觸器閉合，輔助電源2開始對列車上所有空調(diào)進行供電，這時，TCMS將通過網(wǎng)絡通知列車上的所有空調(diào)按擴展供電模式（減載運行模式）再次啟動運行，這樣，輔助電源2實現(xiàn)為減載后的整列車的重要負載供電，以確保列車的正常運行。

圖3 擴展供電電路

2.3.2不間斷供電技術 輔助電源外部供電的冗余

北京地鐵4號線列車采用先進的不間斷供電技術。地鐵列車的正常供電來自地面線路，即在地面軌道旁鋪設一條稱為第三軌的供電軌道來為列車供電，但由于施工條件限制，在道岔等處，不能鋪設這樣的供電軌，即線路上會有部分供電間斷的區(qū)域，若列車上沒有采取適當?shù)牟婚g斷供電措施，列車經(jīng)過這些區(qū)域時，會出現(xiàn)燈光熄滅、空調(diào)停止工作的情形。為保證列車通過斷電區(qū)時車輛的正常供電，傳統(tǒng)的做法是在列車上布置一條貫通全列車的母線，這樣當列車通過斷電區(qū)時，處于斷電區(qū)的車輛可以通過母線接受其它不在斷電區(qū)車輛的供電，從而保證全列車供電系統(tǒng)的正常供電。北京地鐵4號線車輛電氣系統(tǒng)采用先進的技術，當通過斷電區(qū)時，若檢測到無外部電源供電，列車智能管理系統(tǒng)會通知車輛牽引系統(tǒng)進入輕微制動模式，通過制動將列車的部分動能轉(zhuǎn)化為電能，這些電能為列車供電系統(tǒng)提供電力供應。此方案摒棄了傳統(tǒng)的母線重聯(lián)供電模式，在減少了母線配線和控制設備的同時，增加了列車可以承受的斷電區(qū)長度。

2.4 直流供電的冗余

4號線車輛低壓直流電源系統(tǒng)的冗余，包括直流供電裝置本身容量上冗余和蓄電池容量的冗余兩個方面的內(nèi)容。

2.4.1 直流供電裝置本身容量上冗余

4號線列車上設有2個直流供電裝置，每個直流供電裝置的容量為22kW；2個直流供電裝置的輸出端帶有輸出接觸器和二極管，通過二極管后接到同一條直流母線上（見圖4）。

圖4 蓄電池輸出電路

整列車的直流負載為為20kW左右，而列車上兩個直流供電裝置每個的容量即為22kW，這樣的容量配置，可保證當一個直流供電裝置故障的情況下，可以通過輸出接觸器切除故障的直流供電裝置，而保證整列車的直流負載供電不受任何影響。

2.4.2 蓄電池容量的冗余

北京地鐵4號線列車還設置蓄電池組作為直流供電系統(tǒng)的備用電源，在直流供電裝置正常運行時，蓄電池處于浮充電狀態(tài)，而在直流供電裝置未啟動或故障時則擔負直流電源系統(tǒng)的供電責任。北京地鐵4號線列車蓄電池容量為180Ah，確保列車所有負載在只有蓄電池供電的情況下，列車可以在正線上正常運營一個往返。緊急情況下（外部無高壓電源時），可以保證列車緊急和重要負載連續(xù)供電45 min，45min后，若列車外部電源供電恢復，蓄電池組尚具備正常啟動列車的能力。

3 結(jié)語

北京地鐵4號線車輛在電氣系統(tǒng)冗余設計方面的理念，是一種健康而實用的設計理念，是提高地鐵車輛可靠性和可用性的基本措施。冗余設計的結(jié)果不單單是可靠性和可用性兩個指標數(shù)值的提高，還使列車在冗余工況下完成輸送乘客的任務，具有良好的社會效益。

［1］ 張振淼.城市軌道交通車輛［M］.北京：中國鐵道出版社，2003.

［2］ 葉芹祿.城市軌道交通車輛電機牽引力計算方法研究［J］.城市軌道交通研究，2010（10）：71.