对城轨列车辅助供电系统的探讨

张闻天

南京地铁运营责任有限公司 江苏南京 210000

摘要：本文通过对集中和分散供电系统的对比分析，能够看出采用并网供电技术的集中供电系统会更有优势，所以，在城轨列车辅助供电系统的设计与应用中，如果对列车的安全、稳定运行要求更高一些，则采用冗余度更高的分散供电系统；如果对列车的检修维护和节能降耗要求高一些，那么则采用集中供电且冗余度较高的并网供电系统。

关键词：城轨列车；辅助供电；集中供电；分散供电

供电系统的列车辅助供电系统主要包括交流和直流电源。交流供电系统主要由辅助变流器、辅助设备电机、电热器等交流负载设备组成，由辅助变流器供电；直流供电系统主要由充电机、蓄电池、直流用电设备组成，由充电机和蓄电池供电。

1 城轨列车辅助供电系统概述

城轨列车为辅助供电负载。辅助供电负载主要由交流负载和直流负载组成。

1.1 交流负载

1.1.1城轨列车的HVAC系统：城轨列车的每节车厢设置二个空调单元，其交流能耗设备主要是：（1）空调压缩机；（2）冷凝风机；（3）通风机；（4）司机室通风机。假如在寒冷地区，还要增加加热器。由于空调单元的加热与制冷不会同时工作，并且设备在制冷时的功率往往是大于设备加热时的功率，所以，我们在负载计算时一般只需考虑设备在制冷时的功率就行。正常情况下，所有的辅助逆变器都呈正常工作状态时，列车的HVAC系统也就会正常工作；假如辅助逆变器出现故障，那么则根据故障程度，采取对相应空调压缩机或者是空调机组进行切除的方法。

1.1.2HVAC系统空气压缩机：城轨列车的每列车，都安装两个空气压缩机，负责整列车厢的空气供风制动系统。当风压低于规定设定值时，两台压缩机自动启动；当风压高于规定设定值时，则只启动一个就可以；当车厢的主风缸压力已经高于规定的最高设定值时，则必须关闭两台空气压缩机。

1.1.3HVAC系统牵引通风机：牵引通风机主要负责给HVAC系统牵引逆变器进行强迫风冷，而对于非强迫风冷的牵引箱，则不存在牵引通风机。

1.1.4HVAC系统制动电阻风机：HVAC系统在电阻制动时会消耗大量的能量，导致HVAC系统的制动电阻温度会呈急剧升高状态，那么就需要通过系统的制动电阻风机来进行强迫通风，以达到散热降温的目的，从而保护系统制动电阻。不过对于自然冷却的动电阻，则不需要启动制动电阻风机。

1.1.5HVAC系统交流220V负载：负载包括：方便插座、客室普通照明（AC220和DC110V供电制式都有）、显示屏（AC220和DC110V供电制式都有）等。

1.2 直流负载

直流DC110V和DC24V负载：主要包括控制电路、应急照明、旅客信息系统等。

2 辅助供电系统供电方式

根据不同种类的城轨列车辅助供电系统，负载的数量与功率也不同。以下是对某B型六节编组的地铁列车的辅助供电系统的分析负载参数。

2.1 辅助电源交流负载负荷统计表

因为辅助电源系统（交流电源）的最大负载工况是在夏季，故只对夏季负载进行计算和分析。

冬季负载，夏季中不适用。

交流（AC380V/AC220V）负载容量：从辅助电源负荷统计表中看到，正常工作状态下，辅助供电系统最大交流負载为夏季负载304.8kVA。

2.2 列车集中供电方式

在每列列车的集中供电系统中，设置两台辅助逆变器，辅助逆变器的运行是通过系统的三相输出接触器分别向3节车厢供电。供电电路可以是并联供电、扩展供电。如果是集中供电的扩展供电方式，在正常工作状态下，M车上的三相母线接触器处于断开状态，两个单元各自独立工作；如果是集中供电的并联供电方式，列车的交流供电母线是贯通的，两个辅变单元共同向列车负载供电。

每台辅助逆变器的容量通常设计为220kVA左右，如果采用的是集中供电的扩展供电方式，当某个辅助逆变器出现故障时，首先断开输出接触器，将其与供电母线隔离，同时，通过系统的闭合扩展供电接触器，及时将非故障电流引入发生故障单元，以保障故障单元的正常工作。由于集中供电系统采用的是并联供电方式，这使得单个辅助逆变器无法满足整列车正常运转的负载要求，因此，需要及时切除相应的负载功能。负载重新分配时将保留Mc车和M车的牵引风机和制动电阻风机。以保证有一台空气压缩机的正常工作。系统功率减少一半后，需要切除系统内功率消耗大的空调设备。此时整列车的负载功率为228kVA，一台辅助逆变器的容量可以满足要求。

2.3 分散供电

列车的分散供电系统在每节车箱上都安装有一台辅助逆变器，通过系统的三相输出接触器，向380V交流的列车母线供电。一般辅助逆变器的设计为73kVA，这使得整列列车的交流供电系统的总装机容量就达到438kVA，保证了整列列车的负载。这样，即使有一、两台辅助逆变器出现故障。容量为365kVA和292kVA的辅助逆变器仍然能够满足列车的正常运行。当出现三台辅助逆变器发生故障时，则只需切除一半的空调压缩机就能保证列车所有通风机组的正常工作，列车仍然能保证安全、无限速的运行。假如出现四台或者是五台辅助逆变器发生故障，则必须切除所有空调设备，以保证列车正常运行到最近站点，组织旅客换乘其他列车。

2.4 两种供电方式的分析比较

目前，列车的集中供电系统运用比分散并网系统在辅助逆变器设备的数量上要少，其检修以及维护的成本要低；不过分散供电系统的故障冗余能力比较强，但列车布线更复杂、检修维护成本要更高。现在，集中供电系统多数采用扩展供电方式，每个单元的运作是独立的，即使出现负载波动，也只影响本单元，而分散供电多数采用的是并网供电形式，其抗负载冲击能力比集中供电系统更强。集中供电系统所装备的辅助逆变器箱每个约1400kg，这样整列车重量就仅为2800kg。但是分散并网供电系统的辅助逆变器箱不带充电机时约875kg，带充电机时约为965kg，整列车重量是5430kg。使用集中供电系统比分散供电系统整列车要轻2630kg，地铁列车运行单位对整列车的单位能耗非常的在意，列车减重也是所有车辆制造厂努力的方向，采用集中供电系统的列车要比采用分散供电系统的列车更节能，因此新生产的城轨车辆比较倾向于采用集中并网供电系统。

参考文献：

[1]彭驹，莫坚.深圳地铁1号线续建工程车辆辅助系统设计[J].电力机车与城轨车辆，2009，（4）.

[2]熊成林，冯晓云.不同结构的列车辅助供电系统分析与比较[J].机车电传动，2008，（2）.