城市轨道交通车辆牵引系统自主化改造技术方案研究

李玉山，李思睿，薛 江，王江峰，安泊晨，祖绍鹏

（1.北京纵横机电科技有限公司，北京 100094；2.天津一号线轨道交通运营有限公司，天津 300350）

1 引言

我国自20 世纪90 年代以来，为解决日益拥堵的城市交通问题，许多大中城市纷纷开始城市轨道交通建设。受国内技术水平的制约，其关键装备如信号系统、供电、车辆牵引系统等均采用进口部件，很大程度上依赖于国外技术。如北京、上海、天津、广州等国内较早开通城市轨道交通的城市，其车辆核心子系统均为进口部件，受早期技术发展水平的限制，现有车辆难以满足日益提高的运营服务需求。面对车辆还未到达设计使用寿命，其备品备件却面临停产断供等问题，如何改进车辆性能并使车辆更好的服役于全生命周期已成为运营方亟待解决的问题。目前已有大量学者开展针对车辆性能提升及进口设备改造的相关研究，文献[3-5]分别对北京地铁八通线、上海地铁1 号线、广州地铁1 号线等线路老旧车辆提出整改优化方案，旨在提升车辆性能。

天津地铁1 号线车辆采用长春轨道客车股份有限公司国产化车辆，其牵引系统采用日本三菱电机株式会社的进口产品。自2008 年开始运营至今已完成架修、大修，并将面临第二轮架修。1 号线的现状为车辆运营能耗大、控制精度差、牵引系统及配件面临停产断供等诸多问题。为此，本文结合天津地铁1 号线现有车辆特性及线路特点提出高压回路拓扑及牵引供电整改方案、网络控车整改方案、辅助供电整改方案等自主化改造方案，并在整车上进行整改实施。整改后的车辆牵引特性与原车保持一致、车辆重量减少8 250 kg，经过仿真及计算可得，整车每年可节省电能约4 897 200 kW · h。实施改造方案后，整改车辆性能提高的同时产品技术水平也得以提升，车辆更加舒适、绿色、安全、可靠。

2 车辆总体技术指标

2.1 列车编组

天津地铁1 号线列车为6 辆编组列车，动拖比为3: 3，具体编组方式为：+Tc-M+T-M+M-Tc+，其中M 车为动车，T 车为无司机室拖车，Tc 车为有司机室的拖车，“+”为半自动车钩，“-”为半永久式牵引杆，列车采用三轨受流方式，如图1 所示。

图1 列车编组

2.2 车辆尺寸及载重

原车辆为非标准B 型车，其列车总长为11 800 mm，车辆重量、尺寸、载荷要求如表1 所示，改造设计应考虑车辆减重。

表1 车辆尺寸及载重（每人重量120 kg）

2.3 车辆主要技术参数

改造设计顶层技术指标遵循1 号线车辆技术指标要求，具体指标要求如表2 所示。

表2 车辆主要技术参数

改造设计时应充分考虑车辆故障状态下的运行能力，该状态下的能力要求主要为损失自身能力时的动力性能要求及作为救援车辆的能力，其车辆性能要求如表 3 所示。

表3 故障运行能力

3 牵引系统改造技术方案

3.1 系统配置

车辆牵引系统整改指在不改变重量分布和原有基本结构的情况下进行改造和布局设计，考虑各设计约束及成本因素，保留符合要求的辅助电源开关箱（IVS）、主熔断器箱（MF）、母线隔离开关箱（BS）、主隔离开关箱（MS）、母线熔断器箱（BF）、高速断路器箱（HB）、接地开关箱（GS）、避雷器（Arr）、母线断路器箱（BHB）等设备。在此基础上对原车部分系统部件采取3 种整改措施：替换——整套替换、改造——进行部分改造使至满足整改车辆系统接口、取消——不再使用原设备。其主要系统配置及整改措施如表4 所示。

表4 系统配置及整改措施

3.2 高压拓扑及牵引供电系统方案

根据表4 的配置及整改措施，对车辆高压回路拓扑进行设计，车辆母线采用全列贯通方式，母线通过BF箱及BHB 箱进行分段过流保护，从而提升母线故障时的车辆可用性。DC750V 电经车间电源箱（SPS）、IVS箱为辅助变流器供电。SPS 箱的不同档位可实现辅助变流器由受流器供电、车间电源供电或接地3 个状态的切换，列车网络控制系统（TCMS）采集3 种状态的位置反馈信号，从而进行车辆的联锁保护。高压回路拓扑如图2 所示。

图2 列车高压回路拓扑

原牵引供电系统由MF、BS、MS、HB、电抗器箱及牵引逆变器箱组成。其中1 台牵引逆变器内含有2 台功率单元，每台功率单元为2 台电机供电。整改后整列贯通的DC750V 电经MF、BS、MS 及HB 为牵引逆变器供电，电抗器集成在牵引逆变器箱内，牵引逆变器内的1 台功率单元为4 台电机供电。

3.3 网络拓扑及紧急牵引

原车辆牵引系统相关指令传输采用硬线传输，其TCMS 系统不参与牵引系统及辅助供电系统的控制，牵引系统及制动系统间的传输采用列车硬线较多。随着轨道交通车辆技术的发展，目前主流方案为TCMS 系统作为车辆的神经中枢，负责完成与各个子系统之间的数据传输、逻辑控制、故障诊断等工作，为列车安全运行提供保障。同时随着车辆数据量的增加，以太网在提升列车维护效率、降低维护成本、列车智能化方面逐渐展现出独特优势。TCMS 系统从MVB 控车转为以太网控车成为发展趋势。

改造车辆牵引系统采用以太网控车和硬线控车相结合的控制方式。整车布局冗余以太网总线，牵引逆变器及辅助变流器控制系统具有冗余的以太网控车交互接口，通过以太网控车网络交换机（ECNN）与TCMS 系统进行数据交互，网络拓扑如图3 所示。

图3 列车牵引系统网络拓扑结构

为保证TCMS 系统故障时车辆的可用性，改造时保留部分列车硬线，以确保在TCMS 故障时依然可以通过硬线信号实现牵引功能，同时使列车进入降级的紧急牵引模式并继续运行，从而避免发生救援事故，以提高车辆的运营效率。当车辆通过紧急牵引模式开关进入紧急牵引模式时，紧急牵引指令列车线转为有效，牵引系统将不再采信网络系统的指令，而采用硬线指令进行控车。由于牵引模式为降级模式，为保证安全，向前时其限速为40 km/h，后退时为10 km/h，并由牵引系统实施相应限速保护。

3.4 辅助供电系统方案

原车辅助供电系统配置如表4 所示，整车共设3 台辅助变流器，采用扩展供电方式进行供电，T 车两侧的M 车分别配置1 台扩展供电箱，当某台辅助变流器发生故障时可通过闭合对应扩展供电接触器贯通AC380V 母线为故障车辆进行供电。相对于扩展供电，并网供电方式可通过3 台辅助变流器为整列车负载同时供电，可极大提高列车供电系统的冗余性。因此，整改时将扩展供电箱改造为并网供电箱，并通过TCMS 系统来控制并网供电箱内并网开关的分断和吸和，当出现母线短路故障时可分段供电，提高列车辅助供电系统的可用性，列车辅助供电系统拓扑结构如图4 所示。原辅助逆变器采用工频隔离，整改后的辅助逆变器采用高频隔离，其在重量及效率等方面有明显优势。

图4 辅助供电系统拓扑

4 改造方案可行性论证

为验证上述改造方案的可行性，进行减重统计及仿真计算。方案实施后首先对组装完成后的重量进行统计，统计计算表明减重效果明显，减重详细数值如表5所示。

表5 牵引系统减重统计表 kg

根据表2 载荷数据，每人重量按120 kg 计算，考虑表5 减重数据，原车及整改后的车辆各载荷下重量对比如表6 所示，考虑设备制造时的重量容差，实际车辆减重值为8 250 kg。

表6 改造前后各载荷车重对比 t

4.1 牵引性能设计

为适配原信号系统，牵引系统整改后的车辆加速度、减速度特性与原车保持一致，根据表6 载荷情况及表2 牵引性能要求对车辆牵引特性进行设计，其原车和整改车在AW3 载荷下的特性如图5 所示。

根据图5 原车电机恒功率及自然特性转折点一致，整改后为减少闸瓦磨耗带来的粉尘污染及降低能耗，设计时提高高速时电制动工况下恒转矩速度转折点，并降低停车时混合制动电空切换速度点，从而增加车辆在制动工况下的电制动占比，其数据对比如表7 所示。

图5 AW3 载荷牵引、电制特性曲线

表7 改造前后各载荷车重对比

4.2 牵引能耗仿真分析

由于整车能耗由牵引能耗、再生能量、辅助变流器能耗组成，因此车辆减重、电制动特性提升、辅助变流器效率提高必然会使整改车能耗降低。整车能耗计算公式如下：

式（1）～式（4）中，Ecar为列车总能耗；Etr为列车牵引能耗；Ebr为列车再生能量；Eau为辅助变流器能耗；i为某两站区段；m为线路总区段数量；n为牵引变流器数量；k为辅助变流器数量；Utr为牵引逆变器牵引工况下输入电压，Utr_i为第i区段牵引逆变器牵引工况下输入电压；Itr为牵引逆变器牵引工况下输入电流，Itr_i为第i区段牵引逆变器牵引工况下输入电流；Ubr为牵引逆变器制动工况下输入电压，Ubr_i为第i区段牵引逆变器制动工况下输入电压；Ibr为牵引逆变器制动工况下输入电流，Ibr_i为第i区段牵引逆变器制动工况下输入电流；Uau为辅助变流器输入电压，Uau_i为第i区段辅助变流器输入电压；Iau为辅助变流器输入电流，Iau_i为第i区段辅助变流器输入电流。

原车辅助变流器效率为90%以上，整改后车辆辅助变流器效率提升至92%，其效率提升数值仅在额定功率下才有参考意义，又由于辅助变流器容量裕度较大，车辆正常运营时辅助变流器不会工作在额定工况下，且辅助变流器工作状态较为静止，其原车和整改后车辆能耗差异仅为效率差异，故在此不再详述，在原车和整改车能耗差对比时忽略此差值，因此牵引能耗差ΔEtr、再生能量差ΔEbr、整车能耗差ΔE如式（5）～式（7）。

式（5）～式（7）中Etr_o为原车牵引能耗；Ebr_o为原车再生能量；式中Etr_n为整改车牵引能耗；Ebr_n为整改车再生能量。根据式（2）和式（3）及线路数据，在AW3 载荷下对天津地铁1 号线刘园站至双桥河站全线共31 个区段进行原车及整改车运行仿真，其牵引能耗如图6 所示，再生能量仿真如图7 所示。

图6 牵引能耗对比

图7 再生能量对比

利用式（5）～式（7），对天津地铁1 号线31 个站段原车和整改车能耗进行对比。

原车和整改车能耗值及能耗差值如表8 所示。

表8 原车和整改车能耗对比 kW · h

据统计天津地铁1 号线车辆年运营里程为100 000 km，运营线路长度40 km，在线运营列车中24 列采用日本进口牵引系统，若该24 列车辆均采用本文所述的自主化方案进行改造，则全线每年可节约能耗为4 897 200 kW · h。

4.3 故障运行能力分析

列车故障工况下，考虑启动阻力，车辆启动加速度应大于0.083 m/s2，启动单位阻力取经验值Wq=4 N/kN，启动加速度计算公式如下：

式（8）中，a表示列车加速度，m/s2；F表示列车牵引力，kN；f表示列车阻力，kN；M表示列车重量，t；m0表示列车转动惯量，t。

列车在线路上运行时，牵引工况黏着通常限值0.16～0.18，列车故障或救援等特殊工况时，黏着最大限值为0.24，黏着系数计算公式如下：

式（9）中，μ表示列车黏着系数；F表示列车牵引力，kN；M0表示列车动车的重量，t。

根据表3 及式（8）、式（9）计算可知，当列车损失1/3 牵引动力时，在AW3 载荷下，启动加速度可达0.31 m/s2，启动黏着系数0.19，列车可以在30‰的坡道上启动；在AW0 载荷下，启动加速度0.29 m/s2，启动黏着系数0.20，列车可以在35‰的坡道上启动。如仿真图8 所示，列车运行速度平衡点在60 km/h 左右，可以正常完成一次单程运行。

图8 1/3 动力损失运行能力仿真

一列6 辆编组的AW0 载荷列车救援另一列停在30‰坡道上的6 辆编组AW3 载荷故障列车，根据式（8）、式（9）计算，启动加速度0.09 m/s2，启动黏着系数0.21，满足启动需求。

一列6 辆编组的AW0 载荷列车救援停在35‰坡道上的6 辆编组AW0 载荷故障列车，根据式（8）、式（9）计算，启动加速度0.12 m/s2，启动黏着系数0.21，满足启动需求。

5 结论

本文对天津地铁1 号线车辆提出自主化改造方案，在保证原车辆主体结构及整车牵引特性不变的情况下，提高车辆性能指标，提升车辆技术水平，使车辆在剩余寿命周期内更好的服务运营。整改车辆依据GB/T 14894-2005《城市轨道交通车辆组装后的检查与试验规则》完成车辆各项试验，验证自主化改造方案切实可行，与原车对比优势明显。

我国早期发展轨道交通的城市车辆牵引系统较多采用进口系统，同样面临文中所阐述的同类问题。本项目整改后车辆更加节能、绿色、舒适、安全、可靠，可为类似自主化改造项目提供参考与借鉴。