动车组辅助供电系统的冗余设计

■ 王利 聂颖 孙宁

1 系统构成

辅助供电系统为列车各辅助风机、空调、电伴热、旅客娱乐信息系统、列控设备、控制电路等提供电源。辅助供电系统包括变压器3次绕组、辅助电源装置（APU）、辅助整流器和蓄电池。动车组辅助供电系统（简称系统）包括交流电源系统与直流电源系统。交流电源系统由牵引变压器辅助绕组、辅助电源装置、辅助风机、单相变压器等设备组成；直流电源系统由辅助整流装置、蓄电池（BAT）组成。辅助整流装置与单相变压器集成在辅助整流器（ARF）箱中。整车牵引变压器、牵引变压器辅助绕组分别为2个辅助单元提供电源。动车组设置相应数量的蓄电池并联为车辆直流设备供电。

2 系统功能设计

系统主要功能是为列车正常运行所需的辅助负载和控制电路提供电源。直流电源系统还应向应急系统供电。

蓄电池容量应能确保在任何条件下都能够升起受电弓。蓄电池控制电路中设置了欠压检测继电器，当蓄电池输出电压低于门槛值时，欠压检测继电器动作使蓄电池放电回路断路器自动断开，切断蓄电池放电电路。直接由蓄电池供电的负载功率很小，重新接入蓄电池回路时，不会造成电池输出的振荡。

辅助供电系统为列车客室插座供电，使乘客可以使用AC 220 V电源。动车组客室内设置可供乘客使用的电源插座，插座由DC 110 V经过安装在每节车的逆变电源逆变出的AC 220 V供电，这样过分相时客室插座不断电。为了保障乘客安全用电，在插座前端设置带漏电保护的断路器，漏电监测电流值为30 mA。

2.1 实现过程

牵引变压器辅助绕组为整个辅助供电系统提供输入电量。牵引系统是由变压器的牵引绕组提供电能，变压器的牵引绕组和辅助绕组是独立的，牵引设备的故障不会影响到辅助系统的可用性。设置接触器将2个单元的变压器辅助绕组的输出分断为两部分，避免了不同单相AC 400 V交流电源的平行输出；设置扩展供电用接触器（BKK）将APU1和APU2的输出分断为两部分，避免了不同三相AC 380 V交流电源的平行输出。

牵引变压器辅助绕组输出的单相AC 400 V电压通过辅助电源装置变换成3相AC 380 V电源，给各辅助风机、辅助整流装置供电；空调和换气装置直接由牵引变压器辅助绕组输出的单相AC 400 V供电。直流电源系统通过辅助整流装置将3相AC 380 V整流成DC 110 V电源，给蓄电池、车厢照明、广播影视系统及控制系统等供电，DC 110 V经单相逆变电源转换成AC 220 V向客室插座供电。集成在辅助整流器箱中的单相变压器将3相AC 380 V变压成AC 220 V/50 Hz，向电加热类负载供电。动车组设置了相应数量的蓄电池并联为车辆直流设备供电，蓄电池在列车启动时为辅助空压机供电，并在应急情况下为车辆应急设备供电。在列车运行过程中，有车辆电路为蓄电池进行浮充电。

2.2 扩展供电

辅助供电系统由2个互相独立的变压器辅助绕组供电，任意一个辅助绕组的单个损坏不会造成所有车厢无辅助电源，而且可在辅助单元之间进行扩展供电。

辅助供电系统扩展供电时，单元1与单元2之间能互相扩展，当单元1的牵引变压器故障时，可以通过切除故障单元后投入接触器的方式，由单元2的牵引变压器3次绕组进行扩展供电，扩展后空调功率减半使用。

当APU1或APU2发生故障时，牵引变压器油泵、牵引变压器风机、牵引变流器风机、牵引电机风机外的辅助负载通过投入辅助电源装置BKK的方式，由APU2或APU1提供电源； APU扩展供电时，不需要减载。

2.3 蓄电池应急供电

动车组设置了相应数量的蓄电池并联为车辆直流设备供电。当外部供电终止时，蓄电池可以维持应急通风设备工作30 min以上，并能够向车厢内照明、广播装置、前后车外标识灯等应急设备提供2 h以上的供电。

2.4 外接电源

动车组设置3相AC 380 V库用电源插座，连接到APU的输出母线上，可以给各车风机供电，并通过辅助整流装置给蓄电池供电。

外接电源与车辆电源之间是互锁的。车辆设置了带专用锁闭装置的外接电源连接器箱，只有在列车高压接地开关接地并且受电弓气路被切断的情况下，才能打开外接电源连接器箱，确保列车无法从接触网受电时才可使用外接电源，避免了不同电源的混接。

3 与其他系统/子系统的接口

3.1 与车辆信息控制装置接口

在列车信息控制系统和辅助电源装置之间设置通信接口，通过网络传输、硬连线将辅助电源装置的相关信息传送到车辆信息控制装置，并在车辆信息显示器上显示。

（1）网络传输。辅助电源装置通过网络传输线与车辆信息控制装置相连，将APU的输入电压、输出电压等信息显示在车辆信息显示器上，监测电压变化。

（2）模拟量信息。通过硬连线将单相变压器的输出电压（AC 220 V）模拟量信息传输给车辆信息控制装置，同时在车辆信息显示器上显示电压值，监测电压变化。通过硬连线将蓄电池电压（DC 110 V）模拟量信息传输给车辆信息控制装置，同时在车辆信息显示器上显示电压值，监测电压变化。

（3）开关量信息。通过硬连线将APU故障、APU风扇故障、APU三次侧切除（只显示不报警）、APU故障报警切除、APU输入侧过电压等信息显示在车辆信息显示器上并报警；通过硬连线将BKK扩展状态反馈给车辆信息控制装置，并显示在车辆信息显示器上，监测APU的扩展供电状态，然后根据监测到的信息在车辆信息显示器上手动闭合/断开BKK；通过硬连线将蓄电池的电压显示在车辆信息显示器上，监测蓄电池电压的变化。

3.2 与地面电源接口

在无架空接触线电源的情况下，可以由地面提供3相AC 380 V、50 Hz电源为列车部分设备供电。为此动车组设置了3相AC 380 V外接电源连接器插座，使外部电源可以连接到列车3相AC 380 V母线上。

4 系统供电容量计算

为验证辅助供电系统容量设计的合理性，需要进行相关的供电容量计算、蓄电池应急容量计算。

4.1 供电容量计算

辅助供电系统各电源制式负载容量的举例数据见表1。

假设各供电设备额定容量为：每个辅助绕组（单相AC 400 V）容量500 kV·A；整车辅助系统额定总容量1 000 kV·A；APU1/2容量为180 kV·A。

表1 负载容量kV·A（kW）

交流系统容量计算如下：

（1）正常工况时，APU1、APU2的负载容量均为93 kV·A，均小于相应的正常供电容量180 kV·A。

（2）当APU1或APU2故障时，APU2或APU1将扩展供电，扩展后APU1/2的最大容量为126 kV·A，小于APU1/2的供电容量，即一个APU可以满足扩展供电时所有负载的供电需求。

根据以上计算结果，APU1/2在正常工况下和扩展时所需输出容量均小于额定容量。1单元ARF内置的CVT给1单元伴热和加热设备供电，负载为15 kV·A；2单元ARF内置的CVT给2单元伴热和加热设备供电，负载15 kV·A，均小于CVT的容量20 kV·A。因此CVT供电能够满足AC 220 V负载的需求。辅助供电系统所需总容量为566 kV·A，远小于整车辅助系统额定总容量。

4.2 蓄电池应急容量计算

在应急工况下（接触网无电，或APU1、APU2同时发生故障时），假设蓄电池能够提供应急通风工作30 min、其他应急设备工作120 min的容量。

在接触网无电，直接使用蓄电池为车辆应急负载供电的过程中，如果蓄电池放电前30 min内负载为15 kW，后90 min负载为10 kW，根据蓄电池容量计算一般公式：

式中：C为25 ℃定额放电率换算容量；L为保守率；K为容量换算时间；I为放电电流。

根据以上计算结果，选取系统最大的蓄电池所需容量450 Ah，列车可以设置相应容量的蓄电池，以满足应急工况的用电需求。

5 结束语

从系统角度考虑，动车组辅助供电系统设计方案实现了扩展供电、应急供电等冗余设计，并根据详细的辅助容量、应急容量计算验证，证明了该系统匹配的合理性。