地铁车辆中压网络的分析与改进

夏泓轩



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地铁车辆中压网络的分析与改进

夏泓轩

总结南京地铁前期运营经验，并用于指导新线列车的各项工作，特别是运用到1号线增购列车的设计中。介绍南京地铁已运营列车的不同形式的中压网络结构，分析交叉分散式供电和扩展式供电的特点，对比广州地铁列车的集中并网供电结构，之后阐述了一些改进设计方案。

地铁车辆；中压网络；分析；改进

南京地铁目前正在运营的 1 号线、南延线、2 号线以及 10 号线列车都是依靠或基于 ALSTOM 的技术设计制造的 A 型车。虽然车体结构类似，但其电路设计还是存在着较大差异。不同线路的车辆经过多年的运营，逐渐体现出性能上的不同。分析对比和研究这些不同，对列车设计有了根本性的认识，并在此基础上尝试优化和改进。一方面为了保证老线的安全稳定运营，另一方面也为 1 号线增购车辆的中压网络设计积累了经验。

1　中压网络结构

列车中压网络结构实际上是指辅助逆变器的中压供电系统。辅助逆变器是列车中压供电系统的“电源”，围绕着辅助逆变器的数量和性能参数，设计了列车的配电形式，以保证所有中压负载在不同工况下的正常工作，辅助逆变器及其所连接到全列车的中压电缆及相关接触器就构成了地铁列车的中压网络。

南京地铁已运营车辆的中压网络形式总体来说有2 种：一种是交叉分散式供电，另一种是集中扩展式供电。不同的供电形式也决定了列车的中压线缆的布线结构。扩展式供电有 1 条贯穿全车的中压母线，但通过扩展接触器分成 2 个独立的中压网络。即列车上的 2 台辅助逆变器分别向半列车的中压负载供电，在故障状态下，通过扩展接触器的闭合，使得全列车中压负载通过1 条母线供电。交叉分散式供电则没有贯穿全车的中压母线，单节车的中压负载设备由 2 个不同的交叉网络直接进行供电。

1.1交叉分散式供电

南京地铁 1 号线列车的中压网络是交叉分散式供电的典型结构。每节车的中压负载都来自于 2 个不同的辅助逆变器和相应独立的中压母线（图 1）。全列车由 4 台辅助逆变器，经由 4 条互相独立的中压母线完成所有中压负载的电力分配。当 1 台辅助逆变器故障时，全部 6 节车，仅有 3 节车损失一半的中压负载，例如：损失一半 220 V 照明，损失一半的空调，其余设备均正常工作。

图1　南京地铁 1 号线列车中压网络交叉分散式供电

这样的中压网络结构复杂，6 节编组的车辆需要4台辅助逆变器，4 条相应的三相电缆，列车的制造成本较高。但是，由于 4 台辅助逆变器相对独立，因此，对控制系统的设计要求较低。

1.2 集中扩展式供电

南京地铁 3 号线车辆中压网络是并网供电的典型结构，有 2 条贯穿全列车的中压母线，即列车上 2 台辅助逆变器并联在中压母线上同时向全列车的中压负载供电。中压母线上设置接触器将辅助逆变器隔开。正常情况下，接触器处于闭合状态，所有辅助逆变器处于并联供电模式；在故障模式下，中压母线接触器可根据辅助逆变器的供电网络将中压母线分割成 2 个独立的供电网络。

南京地铁 2 号线列车的中压网络，实际上借鉴了集中并网供电的思想，但是在设计上却略有不同，因此，我们称之为集中扩展式供电。全列车有 1 条贯穿全车的中压母线，但通过中压接触器（MVCPK）分成 2 个独立的中压网络。即列车上的 2 台辅助逆变器分别向半列车的中压负载供电，在故障状态下，通过该接触器的闭合，使得全车中压负载通过 1 条母线供电（图 2）。

图2　南京地铁 2 号线列车中压网络集中扩展式供电

这样的中压网络结构相较 1 号线的结构简单，仅需要2 台高功率的辅助逆变器和 1 条贯通母线，节约了列车造价。而且，从布线的角度来讲，扩展供电要比交叉供电简单。交叉供电需要在整列车上布设 2 路三相四线制的列车线，共 8 根，而扩展供电只需要布设 4 根列车线，从数量上减少了一半，使得成本减少一半，线缆重量也减少了一半。

南京地铁南延线列车中压网络在其 2 号线列车的基础上又做了改进。2 台辅助逆变器通过 2 路独立的中压母线分别向全列车一半的中压负载供电，扩展供电接触器只安装在 A 车，保证在故障状态下，能向 2 台空压机供电。

广州地铁 3 号线列车对集中并网供电也有了进一步的优化，其并未采用 ALSTOM 在南京地铁列车上安装扩展供电接触器的方式，而是对辅助逆变器本身的配置做了改进，通过增加辅助逆变器的数量来提高可靠性。其辅助逆变器箱集中安装在B车上，包含了 2 台相互独立的辅助逆变器（图 3）。在正常运行状态下，2 个三相中压系统相互独立工作，1 个辅助逆变器的三相交流输出可以为 1 节 A 车和半节 B 车供电。1 个辅助逆变器故障时，将通过断开相应输出接触器的方式将故障的辅助逆变器与三相配电回路隔离。10 s 之后耦合接触器闭合，先前被隔离的三相回路将被组合到 1 个供电系统中去，由另一个工作的辅助逆变器供电，每节车关闭 1 个空调单元。

图3　广州地铁 3 号线列车中压网络集中式供电

2　中压网络的分析与改进

南京地铁 1 号线列车的交叉供电模式，由于造价高（4 台辅助逆变器），结构复杂，已经在随后的项目中逐渐淡出主流设计的行列。以列车 1 条中压母线为例，400 V 电缆截面 70 mm2，其单位长度重量为 756 kg/km，布线长度约为 180 m。那么扩展供电模式比交叉模式除了减少 2 台辅助逆变器外，还节省超过一半的线缆（三相四线制），即 544 kg 的重量，且布线工作也较为简单，成本自然随之下降。

2.1基于2号线列车扩展式供电的分析

列车造价的降低、轴重的改善是扩展式供电的优势所在，但是从控制的角度来讲，扩展式供电的设计要求比交叉式供电要高。交叉供电时，因为每节车的负载通过 2 路母线连接在不同的逆变器上，所以，当 1 个辅助逆变器故障时，不需要控制电路做任何复杂的判断和操作。而扩展式供电必须要考虑扩展供电接触器的闭合，也就是 2 号线列车的中压接触器的控制逻辑。一旦出现错误，轻则造成列车丢失中压而无法运营，重则导致中压设备的严重损毁。

以 2 号线列车 ALSTOM 的中压接触器（MVCPK）设计为例，分析辅助逆变器在遇到不同类型故障时，扩展式供电对列车运营的影响（图 4）。

图4　南京地铁 2 号线列车 MVCPK 控制逻辑

在 1 台辅助逆变器故障的情况下，列车控制系统（TCMS）会根据整车故障情况来决定中压接触器会发送给 TCMS“Inhibit Coupling（禁止闭合）的”命令，用于禁止MVCPK的闭合。故障逻辑主要包含以下内容。

（1）外部短路故障。辅助逆变器在检测到短路故障时，会启动短路故障管理，辅助逆变器会以固定的电流工作一段时间，强迫短路点上层的断路器因短路过流而跳开。如果该模式无效，短路点仍然存在，辅助逆变器才会发送禁止命令。

（2）AOIK 不一致故障。AOIK 是负责将辅助逆变器输出的三相电供给全车负载的主接触器，该接触器的状态与MVCPK的故障管理息息相关，因此，如果该接触器故障，辅助逆变器也会发送禁止命令。

这一系列逻辑保证着扩展式供电的安全性。但是，经过多年的运营经验积累，我们维修中心发现上述逻辑还存在着一定的问题。辅助系统检测中压母线主要通过电流、电压传感器来完成，除了短路故障之外，还需要分析三相电流不平衡所带来的影响。对于辅助逆变器来说，如果负载造成三相电流不平衡的情况较为严重，为了避免线缆的过度发热和设备的损坏，辅助逆变器会停止工作，直到负载从（MVCPK）的闭合与否，主要目的是为了避免故障点的扩大，从而引起更为严重的事件。TCMS首先会判定通信的正常与否，以保证辅助逆变器故障信息的准确，其次TCMS会判定中压接触器是否存在故障，如果MVCPK本身无故障，才允许继续判断下一个重要变量“NOT ACE IInhibCoupling（辅逆未检测到特殊故障）”。该变量的逻辑是由辅助逆变器本身根据检测到故障发生时的电流、电压参数所决定的。因为有部分故障会导致本单元的辅助逆变器出于保护目的而停止工作，如果盲目闭合 MVCPK 会导致故障的扩大。例如：1 路母线出现短路故障，在这种情况下闭合MVCPK会导致另 1 路的辅助逆变器也因过流而停止工作，列车会因丢失所有中压电源而无法动车。在上述情况下，为了避免 MVCPK 错误闭合导致的故障扩散，辅助逆变器母线上断开。在这种情况下，如果负载未能及时从母线上断开，原扩展式供电设计的逻辑，会导致这一故障扩散到全列车，进而造成列车失去所有的中压电源。在与 ALSTOM 的质保人员沟通后，扩展式供电的控制逻辑得到了完善，增加了对于三相电流不平衡的控制逻辑，南京地铁 2 号线列车至今运营良好。

扩展式供电虽然结构简单，但是其控制逻辑要求严格，不允许存在任何疏漏，而且对后续运营也存在着一些不确定因素。

南京地铁南延线和国产化 4 列车较 2 号线列车的供电模式做出了一定的改进，2 台辅助逆变器通过 2 路独立的中压母线分别向全列车一半的中压负载供电，扩展供电接触器只安装在 A 车上，主要保证在故障状态下，能向 2 台空压机供电。在仅有 2 台辅助逆变器的情况下，这样的供电方式既可以极大地降低负载故障的扩散风险，又不影响列车重要安全设备的工作。

2.2中压网络的改进

交叉式供电结构复杂，成本较高，而扩展式供电设计难度高，运营风险大。ALSTOM 曾经设计过 1 种环形中压网络形式以提高中压网络的可靠性。环网供电是用 1 个环形的中压母线贯穿全车并首尾相接。每个辅助逆变器向 2 节车供电，成为 1 个中压单元。所有中压单元并联在这个环形的中压母线上，2 个单元间由接触器隔离。当任意辅助逆变器故障，通过控制接触器闭合，使邻近的 1 个辅助逆变器向此中压单元供电。该设计方案相比交叉供电更有效地利用了辅助逆变器的容量，但是成本较高，对于列车控制系统设计要求也较高。

除了环网供电外，目前还有分散式并网供电（图 5），上海 1 号线增扩编项目系西门子首次使用该结构。设计通过增加辅助逆变器的数量来提高可靠性，但是由于共用中压母线带来了一系列问题（单个逆变器输出的中压波形畸变故障影响整个列车的中压质量）。因此，如果设计为每台辅助逆变器并网供电的同时，通过中压接触器与母线隔离，可以大幅度提高中压系统的可靠性。由于辅助逆变器数量不同，因此，其负载利用率也不相同。以南京 2 号线车为例，对于全车负载，考虑最恶劣的工作情况，即所有的设备（空调、压缩机、客室正常照明等）都同时正常工作。夏季情况下，中压负载容量最大，全车中压负载总容量约为 349 kVA；冬季时全车的中压负载容量为 206 kVA。所以，以夏季情况下的中压负载容量为依据进行计算，全车中压负载在空调压缩机功率最恶劣工况下总容量为 349 kVA。如果 6 节编组车分别安装 6 台辅助逆变器，每台逆变器输出容量为 90 kVA。以全车所有辅助逆变器的总容量：90×6 ＝ 540 kVA 计算。在损失 2 台辅助逆变器的情况下，仍然有 10 kVA 的裕度，且辅助逆变器 10 s 内的过载能力达到 150%，启动容量也满足空气压缩机启动电流约是额定电流 9 倍的工况。这种供电形式可以降低辅助逆变器本身故障对全列车中压网络的影响，更有效地利用辅助逆变器的容量，相较环网供电更具优势，但是由于对隔离接触器的控制同样较为严格，在不同故障情况下隔离开关的状态都不相同。辅助逆变器是并网供电，还是从母线隔离都需要通过 TCMS 严格的控制逻辑来实现。同时，为了避免母线故障，还可以设置双路中压母线，但是这对轴重和成本有较大影响。当然，通过这样的设计可以有效地降低各类故障所带来的运营风险，极大地提高列车的可靠性。

图5　分散式并网供电

3　总结

随着列车控制理论的发展，并且受到制造成本和工艺的影响，交叉分散式供电已经很少使用，扩展供电和并网供电已经越来越多的使用于新项目上。这些中压网络结构的区别将直接决定列车今后的运营使用特点。依据前期的运营经验，对比南京地铁 2 号线、南延线、3 号线以及广州地铁和上海地铁的中压网络结构的异同，并分析其他供电模式设计的特点，在完善既有中压网络结构的基础上，为南京地铁 1 号线增购列车的中压网络设计提供理论基础和成熟的实践经验，用以保证在列车控制系统国产化的条件下，增购列车运营后的可靠与稳定。

[1] GB 7928-2003 地铁车辆通用技术条件[S].

[2] 肖彦君，吴茂杉．城轨列车辅助供电系统的技术要求和电路选型[J]．现代城市轨道交通，2004（4）.

Analysis and Improvement of Medium Voltage Power Supply System of Metro Vehicles

Xia Hongxuan

The paper makes introduction different forms of the medium voltage network structure of Nanjing metro train and characteristics of dispersed and extended type power supply, also compares the centralized grid power supply structure of Guangzhou metro train, and it introduces the improved design scheme.

metro vehicle, medium voltage power supply system, analysis, improvement

U266.26

夏泓轩：南京地铁运营有限责任公司车辆维修中心，工程师，江苏南京 211000

2015-07-02责任编辑 冒一平