巴西地鐵1A線列車輔助供電系安全性分析

裴 劍 段洪亮 王鐵民

（1.申通北車（上海）軌道交通車輛維修有限公司，201106，上海；2.長春軌道客車股份有限公司，130062，長春∥第一作者，工程師）

巴西地鐵1A 線項目，為里約熱內盧市2014年世界杯及2016年奧運會使城市交通更加便捷而建設。車輛系統采用地鐵A 型車，供電電壓為DC750 V，最高運行速度為80 km／h，采用4動2拖6輛車編組。

列車輔助供電系統主要是為車上用電設備提供電源。其主要設備包括輔助變流器（SIV）、蓄電池、電池充電器（BCG）。列車輔助供電系統由AC380 V（60 Hz）供電子系統和DC72 V 供電子系統兩部分組成。交流部分由SIV 將DC750 V 轉化為AC 380 V （60 Hz），并將 AC380 V （60 Hz）供給空調、空壓機、司機室通風等車上交流負載；直流部分由BCG 將 AC380 V （60 Hz）轉化為 DC72 V，并將DC72 V 供給照明、網絡、廣播、蓄電池等車上直流負載。巴西地鐵1A 線列車輔助供電系統框圖如圖1所示。

圖1 巴西地鐵1A 線列車輔助供電系統框圖

1 巴西地鐵1A線輔助供電系統

1.1 輔助供電系統部件介紹

1.1.1 輔助變流器

SIV 提供一個交流三相輸出給交流電路供電，同時輸出給BCG 供電。交流輸出由SIV 提供，每單元（3節車）有2臺SIV。如果1個單元內部，任1臺SIV 發生故障，則此單元任何1節車廂的照明減少1／3，空調系統減小1／2。如果SIV 的直流輸出出現了故障，蓄電池就會自動投入供電，直流電路將繼續正常工作。SIV 簡易示意圖如圖2所示。

圖2 SIV 簡易示意圖

正常情況下的SIV 啟動順序為：激活列車后，DC72 V 供電給SIV 控制電路，使其CPU（中央處理器）初始化；當司機按下輔助啟動按鈕后，接觸器K2得電，輸入DC750 V 為電容C 充電，此過程為初始充電過程；當電容充電電壓超過DC675 V 時，接觸器K1得電，初始充電結束；在CPU 的控制下，逆變電路輸出AC380 V。當電容C 的端電壓小于DC420 V，或切斷DC72 V 即沒有為CPU 供電，或司機按下輔助關閉按鈕，都會讓SIV 停止工作。

出現過載、浪涌電壓瞬間沖擊電壓等故障狀態時，SIV 具有保護功能。如果發生一般性故障，當電流超載、輸出電壓過高或頻率超過范圍，則SIV 將通過線路接觸器切斷DC750 V 電源；如果發生嚴重故障，如短路故障，SIV 將停止輸出AC380 V。

SIV 中半導體器件的冷卻采用自然風冷。

復位裝置保證在線路接觸器跳閘后，SIV 可以重新啟動。對其重復操作不會引起SIV 的任何損壞。

1.1.2 交流電路

交流電路輸出為三相AC380 V （60 Hz）線電壓（有效值），在整個負載范圍內，額定電壓和頻率誤差控制在±5%之內。

2個SIV為3車編組單元的空調、空壓機等供電。

1個單元內，正常工作時由1個SIV 給BCG 供電。如果此SIV 故障，BCG 將自動轉換到本單元的另1個SIV 上。

1.1.3 直流電路

BCG 的直流輸出為DC72 V。它為直流電路提供控制電源及為電池組提供充電電源。

直流電源在整個負載范圍內額定電壓的誤差控制在±5%范圍內，包括空載時。

電池隔離接觸器由電池電壓監視裝置控制，其在電壓為DC51V 時脫落，在DC55 V 時吸合。

BCG 的輸出由列車管理系統（TMS）監視。

1.1.4 電池設備

電池為應急系統的設備提供備用電源，在電壓降至51 V 以前可維持45 min供電。

BCG 受裝在輸出端正極的熔斷器保護。

1.2 輔助供電系統的性能分析

巴西地鐵1A 線列車輔助供電系統SIV 的容量為150 kVA，輸出電壓為 AC380（1±5%）V，60（1±1%）Hz，三相四線制；BCG 為25 kW，輸出電壓為DC72（1±5%）V。輔助供電設施中的自診斷功能和故障保護措施可對供電線路發生的過載、短路、瞬時大電流沖擊、過壓、欠壓、接地等現象加以保護，為輔助供電需求提供了安全可靠的保證。

1.2.1 AC380 V 子系統

1）安全性：輔助供電系統輸出均設有獨立的有足夠分斷能力的短路保護。AC380 V 母線及每輛車配電柜空氣斷路器帶載設備由SIV 進行保護。車輛上設有完善的分級保護設備，可避免因個別負載故障造成其他負載不能供電。

2）可靠性：①每個單元有2個SIV 設備，每個SIV 供給本單元一半的負載，因此避免了因1 臺SIV 不能工作而引起整個單元空調等設備不能使用。②增強了系統抗負載斷路的能力。當系統中的某個負載點發生短路時，短路電流不足以致使整個輔助變流系統崩潰，從而為系統的分級短路保護提供了有力的保障。

1.2.2 DC72 V 子系統

1）安全性：輔助供電系統輸出均設有獨立的有足夠分斷能力的短路保護。DC72 V 母線及每輛車配電柜空氣斷路器帶載設備由蓄電池組所帶的保險和充電機進行保護。車輛上設有完善的分級保護設備，可避免因個別負載故障造成其他負載不能供電。

2）可靠性：DC72 V 直流電路中，BCG 內部有擴展供電電路（見圖3），其目的是當1臺SIV 發生故障，系統會自動裝換到另一臺SIV 處。

如圖3所示：當SIV1輸入AC380 V 時，互鎖繼電器J1得電，其常開觸點使得接觸器K01得電，其常閉觸點使得接觸器K02不得電；當SIV1故障時，互鎖繼電器J1失電，其常開觸點使得接觸器K01失電，其常閉觸點使得接觸器K02得電，由SIV2作為輸入端，為直流負載供電；如果SIV1重新啟動，互鎖繼電器J1得電，使得K02失電，之后K01再次得電。完成電路轉換，保證只要有1個SIV 正常工作，則BCG正常工作，直流負載不需要減載。圖3中接觸器與互鎖繼電器的操作配合如表1所示。

圖3 BCG 內部擴展供電電路

表1 接觸器與互鎖繼電器操作配合

互鎖繼電器J1使得K01與K02之間存在優先級，K01的優先級高于K02。

2 試驗測試

SIV 啟動、停止測試曲線和BCG 互鎖電路測試曲線分別如圖4、圖5所示。

圖4 SIV 啟動和停止測試曲線

根據圖4試驗曲線并結合圖2，SIV 啟動過程為：當時間為0s時給SIV 輸入 DC750 V，SIV 內部檢測到DC750 V 輸入后，斷開接觸器K2，由接觸器K1為電容器C 快速充電，當電容器充電達到90%后，閉合接觸器K2，斷開接觸器K1，SIV 輸出電壓AC380（1±5%）V、60（1±1%）Hz為正常，輸出電流227 A 為正常。當輸入電壓DC750 V 降到0V 時，SIV 同時沒有輸出電壓和輸出電流，接觸器K1與K2均閉合，SIV 停止工作。

根據圖5a）、圖5b）兩個試驗曲線并結合圖3，當SIV1故障，沒有輸出電壓，而SIV2正常，有輸出電壓AC380 V 時，接觸器K01 失電斷開，接觸器K02得電閉合。當SIV2 故障，沒有輸出電壓，而SIV1正常，有輸出電壓AC380 V 時，接觸器K02不得電斷開，接觸器K01得電閉合。

圖5 BCG 互鎖電路測試曲線

根據圖5c）試驗曲線，開始時SIV1故障，沒有輸出電壓，而SIV2正常，有輸出電壓AC380 V，接觸器K01失電斷開，接觸器K02得電閉合。而后當SIV1恢復正常，輸出電壓AC380 V 時，接觸器K01閉合，接觸器K02斷開，表面充電機BCG 的輸入電壓來自SIV1，證明了繼電器J1使得接觸器K01與K02之間存在優先級，K01的優先級高于K02，即在SIV1與SIV2均正常的情況下，SIV1的優先級高于SIV2，BCG 的輸入電壓優先選擇SIV1的輸出電壓。

3 結論

通過對巴西地鐵1A 線列車輔助供電系統的結構組成、AC380 V 子系統和DC72 V 子系統的分析和試驗測試，證明了巴西地鐵1A 線列車的輔助供電系統是安全可靠的，并且可以作為一個成熟的結構提供給其它類似項目作參考。

［1］劉介才.工廠供電［M］.北京：機械工業出版社，1984.

［2］陳家斌.變電運行與管理技術［M］.北京：中國電力出版社，2007.