成都地鐵8號線輔助供電系統中壓并網供電方式的升級改造

楊 帆 李林波 歐 洲

(成都地鐵運營有限公司，610041，成都∥第一作者，工程師)

如何保障司乘人員及車輛的安全性與舒適性，是地鐵運營中必須重視的問題。輔助供電系統是列車正常運行中不可缺少的重要部分，用于給列車的通風設備、空調、照明、制動和控制單元提供電力保障，主要包括輔助供電系統和輔助用電設備。輔助用電設備包括中壓用電設備(空調、制動電阻風機、空氣壓縮機、電抗器風機)和低壓用電設備(照明、乘客信息顯示系統、控制系統及其他輔助設備)。輔助供電系統分為由輔助逆變器提供電源的中壓供電系統(AC 380 V)和由充電機提供電源的低壓供電系統(DC 110 V)[1]。其中，中壓并網供電技術由于能夠實現列車供電能力的合理分配，實現對剩余供電容量的最大化利用，保證了乘客的安全性和舒適性，使其在地鐵列車中獲得了廣泛應用。為了提高中壓并網供電技術的可靠性，各主機廠在電路中也設置有相應的接觸器進行分段控制。本文主要針對在該接觸器因故障無法斷開時發生的母線接地情況進行分析討論，提出針對性改造意見，降低上述故障發生后的一系列影響，為后續地鐵列車輔助供電系統的電路設計提供參考。

1 成都地鐵列車輔助供電系統

1.1 成都地鐵主要線路列車的輔助供電方式

地鐵列車輔助供電系統包括輔助變流器、充電機、蓄電池、高壓母線、中壓母線、低壓母線及其他必須的輔助設備(繼電器、接觸器、控器開關、控制器等)。輔助供電系統主要有擴展供電(集中供電)、交叉供電和并網供電這3種方式[2-3]。

目前，成都地鐵已投入運營及在建的各條線路列車的輔助供電方式有擴展供電和并網供電兩種方式，如表1所示。

表1 成都地鐵運行線路列車輔助供電系統

由表1可知，除了地鐵1～4號線牽引輔助系統的輔助供電方式為擴展供電外,其余各條地鐵線路均采用的是并網供電方式。由此可見，成都地鐵列車的輔助供電系統以并網供電方式為主。

1.2 兩種輔助供電方式比較

擴展供電方式的優點為使用設備數量少，缺點為在故障時的供電能力損失較多。而并網供電方式供電能力互補性強、冗余度高、供電能力損失少、系統抗負載電流沖擊能力強，但其控制較為復雜，對逆變器之間的同步控制相位、頻率和電壓波形控制要求較高。總的來說，與擴展供電相比，并網供電在列車供電故障狀態下的運行能力和負載分配是現有擴展供電所無法比擬的。近年來，各大車輛生產廠家對列車中壓交流并網供電技術開展了深入的研究和論證，并應用于地鐵列車輔助供電系統。西門子首次在上海軌道交通1號線增擴編列車中使用中壓交流并網技術，阿爾斯通在上海軌道交通2號線東延伸線中首次使用了中壓交流并聯技術，龐巴迪在上海軌道交通12號線中首次使用中壓并網供電[2]。龐巴迪公司所提供的牽引和輔助設備由于其集成度高，成都地鐵6號線、7號線、8號線及10號線一期項目工程都采用的是龐巴迪中壓并網供電系統。對于擴展供電方式而言，當地鐵列車發生故障時，其保護性邏輯為故障后啟動；而對于并網供電方式而言，其保護性邏輯有故障后啟動和故障后斷開兩種。

1.3 龐巴迪中壓交流并網供電原理

成都地鐵8號線(以下簡稱“8號線”)列車為6節編組，其中龐巴迪中壓交流并網供電系統采用中壓母線接觸器“斷/合”控制原理，中壓母線接觸器“斷/合”的指令通過TCMS(列車控制與管理系統)發出，TCMS發出中壓母線接觸器閉合指令(線號32102)后，接觸器保持繼電器得電，并完成自鎖，中壓母線接觸器得電吸合，實現全車中壓交流母線連通，開始并網供電。中壓母線接觸器“斷/合”控制電路(截圖)如圖1所示。

圖1 中壓母線接觸器“斷/合”控制電路截圖Fig.1 Screenshot of medium-voltage bus contactor ‘on/off’ control circuit

2 輔助供電系統中壓并網供電方式的升級改造

2.1 改造前的8號線并網供電方式

2.1.1 改造前的并網供電方案分析

在列車運行過程中，并網供電系統發生接地和短路故障是無可避免的。為減少該類故障對列車運行造成的影響，各大設計廠家均在交流母線中設計了母線接觸器或其他保護開關，通過控制該接觸器的斷或合，將故障影響控制在某一故障單元內，而另一單元設備則可正常運行。

8號線并網供電核心部件為中壓母線接觸器，該中壓母線接觸器的“斷/合”由TCMS進行控制。當某一個或多個ACM故障時，可以通過并網供電系統對故障車設備進行供電，以保證列車的運行狀態。但該方案斷開并網供電的方式有且僅有通過TCMS來控制該接觸器斷開，當該接觸器因故障無法斷開且發生母線接地或短路故障時，并網供電就無法自動斷開。

2.1.2 典型故障分析

針對輔助供電系統的接地故障，雖然在地鐵運營過程中發生的幾率并不算非常高，但在國內外也曾多次發生。2020年4月15日，成都地鐵1號線10162列錦江賓館站上行車輛監控顯示器上的SIV顯示為紅色。車輛監控顯示器界面顯示兩端SIV故障，代碼FAIL(重故障)，空調處于緊急通風狀態，查看通信界面無異常，車輛監控顯示器故障記錄顯示6車和1車均報OUTOC(輸出過電流)。檢查車下SIV、空壓機、380 V母線狀態，均未見異常，使用1 000 V搖表測量各線路絕緣電阻均大于500 MΩ，無接地現象。測量車上空調及照明電路，發現4車1位空調機組的2位壓縮機的380 V線路接地，登頂進一步檢查，發現壓縮機內部短路接地。

故障產生邏輯：4車1位空調機組的2位壓縮機內部短路接地，壓縮機控制接觸器觸頭過電流粘連，6車SIV檢測到380 V總線瞬時過流，引起保護。6車SIV保護后，TCMS控制列車進行擴展供電，由于接地故障依然存在，進而導致1車SIV引起保護。

該故障可能導致的后果：

1) 全列中壓供電系統均處于無電狀態，空壓機無法啟動，列車由于風壓過低，導致總風壓過低，緊急制動無法緩解。

2) 全列客室僅剩應急照明，造成乘客恐慌，導致踩踏事件發生。

3) 清客2列，救援1列，造成全線運營嚴重晚點(10 min及以上)，對乘客出行帶來極大的影響。

2.1.3 ACM故障與列車運行狀態評估

根據龐巴迪系統輔助負載計算以及實際測試，不同數量的ACM故障所造成的影響也不一樣，如表2所示。

表2 8號線ACM故障與列車運行狀態試驗結果統計

ACM針對短路也設計有內、外部短路檢測，具體邏輯如下：

1) ACM內部進行短路檢測，若內部存在短路，斷開該ACM內部接觸器。

2) 內部短路檢測完成，沒有報短路故障，ACM三相母線輸出接觸器嘗試閉合；若閉合后依然存在故障，DCU/A(輔助變壓器驅動控制單元)向TCMS發送“外部短路”信號，此時TCMS斷開中壓母線接觸器，并禁止發生外部短路的中壓母線上連接的所有ACM啟動。

針對該類故障，充分分析8號線的并網供電設計原理，當8號線發生母線接地情況時，TCMS將會發送中壓母線接觸器斷開指令，斷開一個單元的ACM，而另一單元的設備則可正常運行。但如果短路瞬間電流過大，導致該接觸器觸點燒熔而無法斷開，或因TCMS故障無法及時發送中壓母線接觸器斷開指令時，并網供電就無法中斷，此時全列ACM會因過電流而產生保護性封鎖，導致全列中壓供電系統無電。空壓機、空調、客室正常照明均無法使用，列車執行緊急通風狀態，客室僅有應急照明。由于ACM和MCM(電機變流器模塊)內部存在過溫保護邏輯，僅通過AB(輔助及蓄電池)箱、PA(牽引及輔助)箱或PH(牽引及高壓)箱內部的全列中壓供電系統所控制的外部風機進行散熱，當溫度過高時會保護性封鎖。由于全列ACM均停機，用于散熱的外部風機也無法運行，MCM牽引逆變器也無法正常工作，列車無法牽引只能等待救援。

2.2 改造后的8號線并網供電方式

2.2.1 改造后的并網供電方式分析

為避免出現中壓母線接觸器無法自動斷開的情況，通過分析與模擬，在中壓母線上設置一個中壓母線隔離單元，其中包括大容量三相空氣開關和抗電磁干擾屏蔽裝置等設備。設置該隔離單元可實現對并網供電狀態的雙重保護，確保當并網供電無法自動中斷時，可以通過中壓母線隔離單元人工中斷并網供電。改造后的8號線并網供電結構拓撲圖如圖2所示。

圖2 改造后的8號線并網供電結構拓撲圖Fig.2 Topology diagram of improved grid-connected power supply structure of Line 8

2.2.2 改造后的優勢

改造后的方案保護了整個中壓母線，當中壓母線接觸器因故障(如過流導致觸點燒熔)導致無法斷開，或TCMS故障無法發出斷開指令時，可以通過斷開空氣開關后，人工中斷并網供電。當出現短路或接地產生過電流時，也可以通過人工斷開此空氣開關，終止并網供電。因ACM過流保護為保護性封鎖，可以通過操作車輛監控顯示器對ACM進行復位，至少可以恢復一個單元的ACM，確保一個單元的列車牽引和供電正常，極大地降低了故障對列車運行的影響。

在應用過程中，三相空氣開關選型尤為重要，需要充分考慮地鐵列車在全負載工況以及初上電時的中壓母線瞬時電流，避免在正常運行情況下該空氣開關跳閘而導致列車無法正常并網供電的故障發生。

3 結語

成都地鐵8號線的中壓母線經過上述改進后，可以有效避免在輔助供電系統中存在的中壓母線接地故障，或中壓母線接觸器因故障無法斷開，而導致的全列ACM停機問題,從而提高了地鐵運行的穩定性與安全性。在極端情況下，增加此中壓母線隔離單元可以迅速將接地故障影響控制在一個單元內部，而另一個單元列車供電負載不會受到任何影響。因此，在中壓母線上增加中壓母線隔離單元對并網供電進行雙重保護是可行的，將此隔離單元設計在司機室內，可以極大程度地縮短故障時的司機應急處置時間。