双流制140 km/h市域电动客车电气系统设计

■ 隋燕 单保强 刘明坤

1 电动客车基本特征

列车电气系统包括牵引辅助高压系统、列车监视控制系统（TCMS）、列车广播与乘客信息系统、空调控制系统、车门控制系统、火灾报警系统及照明系统等。由于是试验列车，预留了信号、无线、地面PIS等系统接口及安装空间。

140 km/h市域电动客车最高运行速度140 km/h，采用DC 1.5 kV接触网及AC 25 kV接触网供电，受电弓受流方式；车型为A型；基本特征如下。

（1）运行区间：市域城郊、中心城区、连接周边卫星城。

（2）线路条件：多样化。

（3）线路长度：近郊铁路20～40 km，远郊铁路30～80 km。

（4）站间距：近郊铁路1.5～3 km，远郊铁路3～10 km。

（5）供电制式： AC 25 kV；DC 1.5 kV。

（6）车辆编组：4编组（+MC1-TP1-TP2-MC2+）和预留扩编6编组（+MC1-TP1-M1+T1（M2）-TP2-MC2+）。

（7）客流特点：快速疏解、市域通勤、潮汐客流、高峰负荷大。

（8）运用模式：快起快停、快速乘降。

（9）车内布置：区域线功能完善，市郊线功能部分简化。

2 电气系统

2.1 牵引辅助高压系统

牵引辅助高压系统主要由主辅一体化牵引辅助变流器（含辅助滤波电抗器和充电机）、二次滤波电抗器柜、直流高压电器柜、线路滤波电抗器、牵引变压器、牵引电机、受电弓等设备组成。直流电（DC 1.5 kV）通过直流受电弓受流，在供给逆变器之前通过线路电抗器平顺波形，逆变器将直流电转为变频变压（VVVF）电源，供给牵引电机驱动电机工作；电机通过齿轮箱和联轴节将牵引力（或制动力）传递给轮对，实现列车牵引（或制动）。交流电（AC 25 kV）通过交流受电弓受流，在供给整流器之前通过变压器将电压降低；整流器将交流电转为直流电，供给与逆变器并联的中间回路；逆变器将直流电转为变频变压（VVVF）电源，供给牵引电机驱动电机工作；电机通过齿轮箱和联轴节将牵引力（或制动力）传递给轮对，实现列车牵引（或制动）。AC 25 kV和DC 1.5 kV电源共用中间直流回路DC-LINK，以实现逆变模块和牵引电机在双流制供电模式下的复用。AC 25 kV/DC 1.5 kV双流制供电地铁列车牵引系统原理见图1。

通过车载外部硬线逻辑控制电路和网络控制系统TCMS实现变流器（AC 25 kV供电）/逆变器（DC 1.5 kV供电）的电源选择和切换。切换可在不降弓状态下进行。AC 25 kV供电回路电气牵引系统采用四象限脉冲整流器+中间回路+VVVF逆变器+异步鼠笼电动机构成的交-直-交电传动系统，动车采用架控方式，轴式为BO-BO。DC 1.5 kV供电回路的电气牵引系统采用线路电抗器+中间回路+VVVF逆变器+异步鼠笼电动机构成的交-直-交电传动系统，动车采用架控方式，轴式为BO-BO。

每个动车的牵引辅助变流器柜由2个牵引整流-逆变器桥和一个辅助逆变桥构成，1个牵引整流-逆变器桥为2个牵引电机供电。牵引电机既可工作在牵引模式，也可工作在电制动模式。在电制动模式下，若为AC 25 kV交流供电，牵引电机处于发电机状态，逆变器处于反向工作模式，将列车的储能反馈到接触网上。由于交流接触网的容量巨大，电机反馈的能量可通过牵引变压器回馈到国家电网。因此，交流供电回路可不设置大容量的制动电阻，但为了保持中间电压的稳定，一般设置斩波电阻。在电制动模式下，若为DC 1.5 kV直流供电，牵引电机处于发电机状态，逆变器处于反向工作模式，将列车的储能反馈到接触网上。由于地面线路设置能量吸收装置，牵引电机反馈的能量可像交流电网一样被吸收。如果网压超过设定的电压门阈值，将开通斩波电阻回路，部分能量消耗在斩波电阻上，以维持中间电压的稳定。

再生制动提供的电制动力将在列车低速时淡出，但空电混合制动将一直持续，直到列车制停，并维持防溜与保持制动。

MP车设置受电弓，采用压缩空气控制单臂、轻型结构的气囊式受电弓升降，可进行双流制受流，在各种轨道条件下升弓时，可保证与接触网良好的接触和接触稳定性。线路上设置的点式信号设施为列车提供过分相区域信号，在列车上自动实施过分相作业。2个相分段距离为23～58 km；相分段上的中性段总长不大于190 m，其中无电区长约100 m。

2.2 TCMS

图1 双流制供电地铁列车牵引系统原理示意

列车采用的分布式电子列车控制系统是专为轨道车辆控制和通信设计的车载计算机系统，其控制并监视整个列车。分布式电子列车控制系统将列车的智能单元联结成一个网络，智能单元采用符合IEC 61375标准的多功能车辆总线连接，其最大优点是减少箱柜间的连线，方便系统功能扩展。总线扩展比较简单，只需增加一根连接到单元的电缆线，更新应用软件即可与新单元通信。

列车通信网络采用多功能车辆总线MVB连接车辆的电子部件和控制系统，数据在车辆总线上可双向传递。车辆内MVB的电气线路（一条线路=一对电线）有物理冗余，以提高可利用性。数据通过2条线路（即2对电线）传递，一条线路出现故障时，数据可通过另一条线路传递。MVB使用的电缆是2对双绞屏蔽线。为防止反射及干扰，MVB总线每端设有终端电阻（120 Ω）。

TCMS（见图2）由列车控制单元、模拟输入输出接口、数字量输入输出模块、数字量输入模块、中继模块、事件记录模块、人机接口等设备组成。设备搭建完整系统后，可实现控制、监视、诊断功能。

2.2.1 控制功能

列车监视控制系统可对司机室激活控制，当司机钥匙旋转至“激活”位后，TCMS进入“激活”状态，将“司机钥匙激活”的TC车设置为主控司机室，同时显示器主界面显示主控司机室，TCMS可对列车运行方向（向前和向后）进行控制。为保证在TCMS故障情况下，列车能够行驶到下一站，列车设置了紧急牵引按钮，可操作紧急牵引按钮进入紧急牵引模式。TCMS参与列车的空电混合制动控制，制动力的计算和分配由制动系统完成。为防止列车坡道上停车溜车，在列车停稳后需施加一个固定的常用制动力，一般为最大常用制动力的70%左右，即保持制动。为保证列车行车安全，TCMS对某些影响列车运行的条件进行监视，当这些条件不满足时，TCMS将封锁列车所有牵引指令，同时在HMI上报“牵引封锁”提示信息。为防止各节车辆空调机组的压缩机同时启动，对辅助供电系统造成交流负载严重过载，可通过TCMS对空调机组压缩机进行错时启动控制。TCMS按照一定的循环周期，分别向各节车辆的空调系统发送“空气允许启动”的时间窗口，每节车辆的空调系统只能在自己的时间窗口才能启动。在非紧急牵引情况下，网络实现对空压机的工作管理，当网络无法获取主风缸压力信号时，压力开关信号作为备份。两台空压机按单、双日分别工作，用于空车充风及维持风缸压力。

2.2.2 监视功能

图2 TCMS示意

车辆监视功能由人机界面（HMI）完成，列车配有两个HMI，分别安装在TC车的司机控制台上，为司机和检修人员提供所需信息。

（1）显示列车运行的基本数据。包括界面名称、实际速度、手柄级位、网压、网流、站名信息、时间日期。任何界面下必须显示这些信息。

（2）子系统显示相关数据。包括运行、牵引、制动、辅助供电、空调、故障、发车检查和检修子系统。

（3）显示车辆故障相关数据。包括故障确认、故障等级、故障文本、已确认故障数和总故障数目。这些信息仅在运行界面显示。

（4）不同界面辅助功能操作。包括导航键、设置键、辅助功能键和帮助键。任何界面下必须显示这些信息，不同界面显示内容可不相同。

（5）选择各分项子系统及退出当前模式。包括运行、牵引、制动、辅助供电、空调、故障、发车检查、检修和退出。任何界面下必须显示这些信息。

2.2.3 诊断功能

车载故障诊断系统是TCMS的重要组成部分，其具有车载部件故障数据采集、分析、转储和显示功能。故障信息在司机台上通过HMI显示，并且通过PTU上传到地面维修和服务系统，以便长期保存和分析。当发生故障时，TCMS的诊断功能可帮助司机采取适当操作，帮助维护人员查找和解决故障；如果列车发生故障，将以纯文本信息在HMI上显示给司机，每条纯文本信息分配有故障代码，可根据故障类别进行故障评估。故障类别和纯文本信息在显示器界面上显示。此外，司机可从HMI上获得操作指导说明。TCMS将故障划分为3个等级。1级为严重故障：严重影响列车运行，可能导致乘客和车辆出现危险，司机需对故障进行确认和立即处理；如果故障不能及时排除，列车需在运行的下一站清客，空车回库解决故障。2级为中等故障：影响列车运行，司机需对故障进行确认和立即处理；如果故障不能及时排除，列车需在完成本次单程运营后退出运行图，空车回库解决故障。3级轻微故障：不影响运行，可在列车运营结束后回库处理。

2.3 列车广播及乘客信息系统

列车广播及乘客信息系统配置了广播系统控制器、终点站LED显示器、司机对讲装置（带话筒）、广播监听扬声器、扬声器、紧急报警器、LED电子动态地图、车体外侧LED显示器、17英寸LCD显示器等设备。列车2端司机可通过广播系统控制器上的话筒实现对讲，可用麦克风对车厢广播/通话；当车厢出现紧急情况或突发事件时，乘客可按使用说明按下车厢内的紧急按钮，通过按钮旁的内藏对讲装置实现与司机对话。列车广播及乘客信息系统具有数字化自动报站功能。

2.4 车门及空调系统控制

司机操作开门或关门按钮即可实现列车开门、关门控制，操作简单，设计直观，同时也考虑了开门的误操作，将开门按钮设置为双按钮，按钮同时按下车门才可打开。当预留信号系统与车门控制器安装ATO信号系统后，车门控制器接收ATO信号系统发出的信号，实现车门自动开关和自动开与人工关。

空调控制系统为司机室与车厢提供冷风和新鲜空气，提高司机和乘客乘坐的舒适性。空调采用顶置安装方式，空调控制装置与列车监视控制系统通信接口采用MVB，司机通过TCMS的HMI控制车厢和司机室的空调，设定空调温度。列车监视控制系统负责控制空调分时顺序启动。

2.5 照明及其他

车厢照明为贯通式灯带，在其门区设置事故应急照明灯，以保证列车出现紧急情况时的车厢照明。每节车辆两侧墙的外部设置关门到位显示灯和制动缓解显示灯，司机室前端安装前照灯及防护灯。

3 结束语

双流制140 km/h市域电动客车电气系统设计满足快速轨道交通线路载客运输要求；采用双流制设计，满足轨道交通线路不同供电电网的需求；设计考虑到乘客的舒适性、司机的易操作和误操作等，为市域轨道交通系统的建设规划与需求提供了借鉴。