簡述某地鐵輔助供電系統

王光波

摘 要： 本文分析了某地鐵列車輔助供電系統電路結構。列車輔助系統的供電網絡分為：輔助逆變器（DC/AC逆變器）、蓄電池充電器、蓄電池、高壓母線、中壓母線、低壓母線、照明設備與其它必需的輔助設備（繼電器、接觸器、空氣開關、控制器等）。并基于ALSTOM的設計，對該輔助控制系統的原理及功能，主要逆變模塊絕緣柵雙極型晶體管IGBT模塊構成，進行了簡單介紹。

關鍵詞：地鐵、輔助逆變器、蓄電池、列車照明

隨著中國社會經濟的發展、城市化進程的加快，隨著城市軌道交通不斷的發展壯大，城市軌道車輛的研制與開發也逐漸各方面所關注。某地鐵列車是由南車集團南京浦鎮車輛公司與法國阿爾斯通公司合作生產的地鐵車輛，是地鐵車輛家族中載客量最大的一種。也是目前世界先進的A型（M系列）寬體列車，目前正被南京、上海、新加坡等地多家地鐵所采用。

以下就某地鐵輔助供電系統進行簡單分析介紹。

1.系統總體信息

某地鐵列車整車分為兩個車輛單元共有6輛車編組，其中每個單元由一輛帶駕駛室的拖車與兩輛動車組成。通常6節車編組排列為 A – B – C – C– B – A。某地鐵列車輔助系統的供電網絡分為：輔助逆變器（DC/AC逆變器）、蓄電池充電器、蓄電池、高壓母線、中壓母線、低壓母線、照明設備與其它必需的輔助設備（繼電器、接觸器、空氣開關、控制器等）。

2.高壓母線

2.1.高壓配電

高壓電源由架空接觸網通過受電弓向整個列車高壓設備供電。高壓電源主要用于列車的牽引動力設備與靜態逆變器。受流系統從接觸網吸收電能用于向列車供電，在列車每個單元的B車各配有一個受電弓裝置。兩個受電弓可同時向輔助系統高壓母線供電。整列車在兩個B車牽引箱中各設了一個1500VDC的車間電源插頭以代替受電弓向整列車的輔助系統供電。當任何一個車間電源接通時，均能夠向整列車輔助系統供電。車間電源供電與受電弓供電之間設有聯鎖，采用二極管與牽引高壓母線隔離。以保證在任何時候列車僅有一種方式電源供電。靜態輔助逆變器通過高壓列車線供電，將其轉換為中壓然后再轉換成低壓。

3.中壓母線

3.1.中壓配電

輔助供電系統中的中壓母線主要由列車上的輔助逆變器通過中壓母線給列車上所有的交流負載供電。其中每一臺靜態逆變器提供一個獨立的3相電網，分別供本單元的設備。在一個輔助逆變器發生故障的狀況下，可通過TCMS輸出信號控制設在C車的中壓連接接觸器（MVAPK）對整列6輛車輔助系統的負載設備提供一半負荷用電。這時正常的輔助逆變器對整列6輛車輔助系統設備供電，此時空調減載運行，每個車的空調一個保持通風，一個正常工作。

4.低壓母線

4.1.低壓配電

DC110V低壓電源主要用于車門、緊急照明、乘客緊急通風、通信、控制和數據處理，所有的負載根據需要分別由永久性低壓電路和預備低壓電路這兩條母線供電。每一個靜態逆變器箱體都有防止電流由預置低壓線向持久電壓線流動的二極管，并防止電流從蓄電池回流。預備低壓電路通過斷路器或保險絲為線路提供過電流保護。

5. 靜態輔助逆變器

5.1.輔助逆變器結構

輔助變流器的主要功能塊包括：輸入電路三相逆變器，輸出隔離變壓器，逆變器輸出交流濾波器，冷卻系統與電池充電器。輔助逆變器箱安裝于A車底架，它由防護等級為IP20（通風區域 ）和IP55（密閉區域 ）的不同隔間組成。

5.2.輔助逆變器運行原理

當DC1500V高壓通過牽引箱進線進入輔助逆變器，電子控制單元使預充電接觸器閉合。在輸入電壓達到900V后，主接觸器閉合，而預充電接觸器斷開。直流線路電壓通過輸入L-C濾波器，然后由逆變器控制器采用三相逆變器由6只靜止開關構成，它用于將DC電壓轉換成AC電壓。逆變器系統采用“PWM”（“脈沖寬度調制”）方法進行整形。采取PWM（脈沖寬度調節）策略控制逆變器，使變流器十分簡單逆變成近似正弦波的三相對稱交流電源。

AC輸出濾波器用三相輸出濾波器將PWM電壓方波平滑成正弦波，經兩組獨立的三相隔離變壓器輸出。變壓器的第一個次級繞組通往400伏/50赫茲網絡。由于在該繞組中整合了一個電感器，因此三相L-C濾波器僅由一個三相電容器構成。三相隔離變壓器線圈輸出的是三相四線制AC400V電源，容量230kVA，可滿足本單元三輛車輔助系統用電。在實際檢修作業中，逆變器將通過本單元B車牽引箱的IES來完成開箱前的保護隔離和接地放電。

5.3.輔助系統基本功能

逆變器的高壓輸入端有獨立的熔斷器。該輸入熔斷器被安裝在牽引逆變器中，用于保護逆變器前端的線路。DC/AC逆變器有一個輸入接觸器。AC/DC整流器（蓄電池充電器）的輸入由輸入電流監控保護。

逆變器有自關閉和自恢復功能。一旦輸入/輸出發生突發事件，它將啟動自關閉功能。在輸入/輸出正常后，它可以自動的進入到它的工作狀態。

輔助逆變器有重復啟動的功能。輔助逆變器的保護由控制電子系統控制。在輔助逆變器控制電路中含有各種傳感器，其傳出的反饋信號能夠使控制電子系統一開始就作用，以便從得到任何損壞信息的同時保護逆變器，盡可能的維持逆變器的輸出。這就是，遇到許多故障，逆變器能自動地重起動而不需要駕駛員干預和處理。

6.蓄電池

6.1蓄電池基本要求

列車配有2個蓄電池箱組位于A車底架下。每個子部件裝有42塊鎳鎘蓄電池，蓄電池采用容量160Ah帥得福堿性蓄電池。電壓范圍符合IEC60077，額定電壓為DC110 V，直流負載在77至137.5V可以正常工作。每組蓄電池有兩個中央加水系統，蓄電池安裝在不銹鋼下部箱體中。

二極管設置在靜止逆變器的輸出端，是為了防止125Vdc電流逆流向蓄電池。蓄電池能夠被位于底架上的低壓和中壓箱中的一個手動開關（正負端同時斷開）與低壓網絡隔離 。蓄電池組的電池都以鎳鎘技術為基礎，在兩極采用兩只200A保險絲BAMF1和BAMF2保護+和-端子防止過電流。安裝在蓄電池架的溫度傳感器向輔助逆變器提供溫度信息。

6.2.蓄電池工作運行

位于每節A車蓄電池通過蓄電池充電器充電。如果蓄電池充電器停止使用，其相應蓄電池就不充電。人工操縱的蓄電池隔離開關BIS可以使蓄電池與低壓電網隔離。如果列車被喚醒并且輔助逆變器在工作，就按照如下方式管理失去的1500V：T = T0 失去1500V =>失去400V/230V =>正常燈熄滅，應急燈繼續亮著，緊急通風啟動；T0+45m => 緊急通風切斷：A/C單元軟件；T0+50m => 列車自動被置于休眠方式：應急燈熄滅。供電50分鐘時，蓄電池的端電壓還必須大于84 V。對于該情況，如果蓄電池電壓低于84V，10分鐘的時間后列車自動休眠。如果列車部分被喚醒（只有蓄電池被喚醒，但受電弓沒有提起），10分鐘后將列車自動休眠。

7.列車照明系統

7.1.司機室照明

司機室照明與客室照明相互獨立，照明燈的設置應避免司機臺上出現陰影和產生影響司機視線的反射光。所有設備在駕駛操縱臺上提供的可讀信息（比如監視器、速度顯示器、量表等）應該能夠容易、清楚地看見。司機室由兩盞橫向布置的燈提供照明。這兩盞燈由司機臺上的一個開關控制。

7.2.客室照明

車內乘客照明位于列車頂部天花板，并混合了正常照明和應急照明的兩根縱向光帶。每節車廂內的正常照明燈都采用相同的布置。客室照明配備了230Vac熒光燈管，在230V（正常照明）電壓和110VDC（應急照明）電壓正常的情況下，車廂內的任意一點不得小于300勒克斯。

司機可通過使用NLCS（客室燈控制）開關選擇燈的模式。他可通過“手動”位置來打開或關掉客室燈。另外，他可選擇“自動”位置使客室燈根據光敏元件（位于司機室前側外部）接受到的外部光線的強度自動控制客室燈的開關。

7.3.列車頭部照明

列車頭部照明安裝A車司機室的前方，由兩個頭燈和兩個尾燈構成。每側一個頭燈配對一個尾燈。頭部照明采用DC110V＼DC24V變換器提供的DC24V電源。頭燈的設計能夠照亮前方的軌道，司機能夠以便司機對線路的了望，目測軌道有無障礙物并指示列車運行的方向。尾燈的設計能夠確保運行的列車為后繼列車發出在線上的信號，使列車在軌道上能夠被后續列車的司機看見。

總結：

某地鐵正處于列車運營的初期，列車輔助系統的運行相對比較平穩。雖然國內大多數地鐵列車的輔助系統依然采用國外先進技術，在國內進行生產組裝。但希望不久的將來，通過對輔助系統技術的吸收研究與開發，使整個系統完全實現國產化。

參考文獻：

[1]鄧嘉. 國產地鐵輔助供電系統及蓄電池的選擇[J]. 鐵道車輛，2000，S1：90-91.

[2]李鐵軍，孫博. 沈陽地鐵一號線車輛輔助供電系統概述[J]. 科技成果縱橫，2012，01：55-56.

[3]陳三猛，劉厚林. 深圳地鐵5號線車輛國產輔助供電系統的研發[J]. 電力機車與城軌車輛，2012，02：20-22.

[4]伍豐. 地鐵輔助電源控制策略研究[D].湖南科技大學，2012.