巴西地铁1A线列车辅助供电系安全性分析

裴 剑 段洪亮 王铁民

（1.申通北车（上海）轨道交通车辆维修有限公司，201106，上海；2.长春轨道客车股份有限公司，130062，长春∥第一作者，工程师）

巴西地铁1A 线项目，为里约热内卢市2014年世界杯及2016年奥运会使城市交通更加便捷而建设。车辆系统采用地铁A 型车，供电电压为DC750 V，最高运行速度为80 km／h，采用4动2拖6辆车编组。

列车辅助供电系统主要是为车上用电设备提供电源。其主要设备包括辅助变流器（SIV）、蓄电池、电池充电器（BCG）。列车辅助供电系统由AC380 V（60 Hz）供电子系统和DC72 V 供电子系统两部分组成。交流部分由SIV 将DC750 V 转化为AC 380 V （60 Hz），并将 AC380 V （60 Hz）供给空调、空压机、司机室通风等车上交流负载；直流部分由BCG 将 AC380 V （60 Hz）转化为 DC72 V，并将DC72 V 供给照明、网络、广播、蓄电池等车上直流负载。巴西地铁1A 线列车辅助供电系统框图如图1所示。

图1 巴西地铁1A 线列车辅助供电系统框图

1 巴西地铁1A线辅助供电系统

1.1 辅助供电系统部件介绍

1.1.1 辅助变流器

SIV 提供一个交流三相输出给交流电路供电，同时输出给BCG 供电。交流输出由SIV 提供，每单元（3节车）有2台SIV。如果1个单元内部，任1台SIV 发生故障，则此单元任何1节车厢的照明减少1／3，空调系统减小1／2。如果SIV 的直流输出出现了故障，蓄电池就会自动投入供电，直流电路将继续正常工作。SIV 简易示意图如图2所示。

图2 SIV 简易示意图

正常情况下的SIV 启动顺序为：激活列车后，DC72 V 供电给SIV 控制电路，使其CPU（中央处理器）初始化；当司机按下辅助启动按钮后，接触器K2得电，输入DC750 V 为电容C 充电，此过程为初始充电过程；当电容充电电压超过DC675 V 时，接触器K1得电，初始充电结束；在CPU 的控制下，逆变电路输出AC380 V。当电容C 的端电压小于DC420 V，或切断DC72 V 即没有为CPU 供电，或司机按下辅助关闭按钮，都会让SIV 停止工作。

出现过载、浪涌电压瞬间冲击电压等故障状态时，SIV 具有保护功能。如果发生一般性故障，当电流超载、输出电压过高或频率超过范围，则SIV 将通过线路接触器切断DC750 V 电源；如果发生严重故障，如短路故障，SIV 将停止输出AC380 V。

SIV 中半导体器件的冷却采用自然风冷。

复位装置保证在线路接触器跳闸后，SIV 可以重新启动。对其重复操作不会引起SIV 的任何损坏。

1.1.2 交流电路

交流电路输出为三相AC380 V （60 Hz）线电压（有效值），在整个负载范围内，额定电压和频率误差控制在±5%之内。

2个SIV为3车编组单元的空调、空压机等供电。

1个单元内，正常工作时由1个SIV 给BCG 供电。如果此SIV 故障，BCG 将自动转换到本单元的另1个SIV 上。

1.1.3 直流电路

BCG 的直流输出为DC72 V。它为直流电路提供控制电源及为电池组提供充电电源。

直流电源在整个负载范围内额定电压的误差控制在±5%范围内，包括空载时。

电池隔离接触器由电池电压监视装置控制，其在电压为DC51V 时脱落，在DC55 V 时吸合。

BCG 的输出由列车管理系统（TMS）监视。

1.1.4 电池设备

电池为应急系统的设备提供备用电源，在电压降至51 V 以前可维持45 min供电。

BCG 受装在输出端正极的熔断器保护。

1.2 辅助供电系统的性能分析

巴西地铁1A 线列车辅助供电系统SIV 的容量为150 kVA，输出电压为 AC380（1±5%）V，60（1±1%）Hz，三相四线制；BCG 为25 kW，输出电压为DC72（1±5%）V。辅助供电设施中的自诊断功能和故障保护措施可对供电线路发生的过载、短路、瞬时大电流冲击、过压、欠压、接地等现象加以保护，为辅助供电需求提供了安全可靠的保证。

1.2.1 AC380 V 子系统

1）安全性：辅助供电系统输出均设有独立的有足够分断能力的短路保护。AC380 V 母线及每辆车配电柜空气断路器带载设备由SIV 进行保护。车辆上设有完善的分级保护设备，可避免因个别负载故障造成其他负载不能供电。

2）可靠性：①每个单元有2个SIV 设备，每个SIV 供给本单元一半的负载，因此避免了因1 台SIV 不能工作而引起整个单元空调等设备不能使用。②增强了系统抗负载断路的能力。当系统中的某个负载点发生短路时，短路电流不足以致使整个辅助变流系统崩溃，从而为系统的分级短路保护提供了有力的保障。

1.2.2 DC72 V 子系统

1）安全性：辅助供电系统输出均设有独立的有足够分断能力的短路保护。DC72 V 母线及每辆车配电柜空气断路器带载设备由蓄电池组所带的保险和充电机进行保护。车辆上设有完善的分级保护设备，可避免因个别负载故障造成其他负载不能供电。

2）可靠性：DC72 V 直流电路中，BCG 内部有扩展供电电路（见图3），其目的是当1台SIV 发生故障，系统会自动装换到另一台SIV 处。

如图3所示：当SIV1输入AC380 V 时，互锁继电器J1得电，其常开触点使得接触器K01得电，其常闭触点使得接触器K02不得电；当SIV1故障时，互锁继电器J1失电，其常开触点使得接触器K01失电，其常闭触点使得接触器K02得电，由SIV2作为输入端，为直流负载供电；如果SIV1重新启动，互锁继电器J1得电，使得K02失电，之后K01再次得电。完成电路转换，保证只要有1个SIV 正常工作，则BCG正常工作，直流负载不需要减载。图3中接触器与互锁继电器的操作配合如表1所示。

图3 BCG 内部扩展供电电路

表1 接触器与互锁继电器操作配合

互锁继电器J1使得K01与K02之间存在优先级，K01的优先级高于K02。

2 试验测试

SIV 启动、停止测试曲线和BCG 互锁电路测试曲线分别如图4、图5所示。

图4 SIV 启动和停止测试曲线

根据图4试验曲线并结合图2，SIV 启动过程为：当时间为0s时给SIV 输入 DC750 V，SIV 内部检测到DC750 V 输入后，断开接触器K2，由接触器K1为电容器C 快速充电，当电容器充电达到90%后，闭合接触器K2，断开接触器K1，SIV 输出电压AC380（1±5%）V、60（1±1%）Hz为正常，输出电流227 A 为正常。当输入电压DC750 V 降到0V 时，SIV 同时没有输出电压和输出电流，接触器K1与K2均闭合，SIV 停止工作。

根据图5a）、图5b）两个试验曲线并结合图3，当SIV1故障，没有输出电压，而SIV2正常，有输出电压AC380 V 时，接触器K01 失电断开，接触器K02得电闭合。当SIV2 故障，没有输出电压，而SIV1正常，有输出电压AC380 V 时，接触器K02不得电断开，接触器K01得电闭合。

图5 BCG 互锁电路测试曲线

根据图5c）试验曲线，开始时SIV1故障，没有输出电压，而SIV2正常，有输出电压AC380 V，接触器K01失电断开，接触器K02得电闭合。而后当SIV1恢复正常，输出电压AC380 V 时，接触器K01闭合，接触器K02断开，表面充电机BCG 的输入电压来自SIV1，证明了继电器J1使得接触器K01与K02之间存在优先级，K01的优先级高于K02，即在SIV1与SIV2均正常的情况下，SIV1的优先级高于SIV2，BCG 的输入电压优先选择SIV1的输出电压。

3 结论

通过对巴西地铁1A 线列车辅助供电系统的结构组成、AC380 V 子系统和DC72 V 子系统的分析和试验测试，证明了巴西地铁1A 线列车的辅助供电系统是安全可靠的，并且可以作为一个成熟的结构提供给其它类似项目作参考。

［1］刘介才.工厂供电［M］.北京：机械工业出版社，1984.

［2］陈家斌.变电运行与管理技术［M］.北京：中国电力出版社，2007.