城轨车辆辅助供电系统电路结构研究

城轨车辆辅助供电系统电路结构研究

李彤

中车唐山机车车辆有限公司 河北省唐山市 064000

摘要：城市轨道车辆辅助供电系统是车辆低压负荷设备的供电系统，其稳定性直接影响列车牵引、制动、空调等关键系统的正常运行，可能会产生列车延误、乘客投诉等效果。辅助电源系统主要包括高压棒(DC1500V)、辅助变换器、中压棒(AC380V)、充电器、低压棒(DC110V)、蓄电池等开关设备。并在正常情况下对辅助供电系统资源进行配置，紧急消除等。

关键词：城轨车辆；辅助供电系统；电路结构；

引言

目前国内多条地铁线路一般采用“整流机组+逆变回馈装置”供电方案，该方案将大部分再生制动能量返回中压环网，使其得以有效利用。但由于整流机组的自然下垂特性，牵引变电所在整流时的直流输出电压随负荷波动较大，从而增大跨区间传输的电流，导致钢轨电位过高。双向变流装置（bidirectional converter device，BCD）具备四象限工作能力，从原理上能替代能量单向传递的二极管整流机组，提升正向牵引供电能力。

一、常规辅助系统电路结构

传统的交叉供电和扩展供电辅助反向调度更加集中，在辅助反向故障发生时影响更大，辅助反向分布式并网布置还能在多种辅助故障下保持列车运行，冗余度更大。但是，在中压母线短路的情况下，电网功率低于其它两种结构。例如，地铁1号线列车辅助电路结构为网络提供电力，某列车380V公交跨接电缆插头接触不良2次和3次，导致公交电压三相不平衡，导致辅助系统保护不平衡，4次辅助回站故障。在这种故障的情况下，为了提高并网供电列车的冗余度，地铁使用单元可以将两个列车单元之间的总线连接线分开，改变相应的控制逻辑，以减少相应故障时的影响。地铁一号线从2017年至今运行，根据车辆故障统计，客车接地故障远低于二次站故障发生的概率，因此从上述情况可以看出，电网连接电源可靠性总体上高于前2。在维护成本方面，“扩展电源”增加了成本相对，成本会相对较高；因辅逆为集成结构，其数量增加对维护成本的增加有限。

二、城轨供电及回流系统

传统的城轨牵引供电系统，由变电所内２４脉波整流、车载制动电阻构成，变电所内２４脉波整流为车辆牵引提供能量，在车辆制动时，由车载制动电阻将制动能量消耗掉。随着国家节能减排政策的深入，传统的城轨牵引供电系统架构在不断地改进，中压能馈装置的应用，取代了车载制动电阻，一方面减轻了车辆重量，另一方面可以将车辆制动时产生的制动能量返送至电网供其他负荷利用。２０２０年３月，中国城市轨道交通协会正式发布《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》，提出了智慧城轨建设的指导思想，阐述了智慧城轨的标志和内涵，描述了智慧城轨建设的蓝图。纲要指出“推广直流牵引网的双向变流技术，可再生能源系统技术”，双向变流技术的应用再次将城轨供电系统的变革推上了历史新高度。城轨牵引供电回流系统，为列车牵引电流返回变电所整流器负极提供的通道，主要有钢轨、均流电缆及防护装置组成，传统的地铁线路由走行轨作为回流轨，近年来为了更好地抑制杂散电流，部分线路设立了专用回流轨。回流系统接地方式是根据线路运行工况进行改变的，当线路正常运行时，系统是悬浮的，钢轨与大地是不连接的；当检测到线路上钢轨电位异常偏高时，系统通过钢轨电位限制装置直接接地，此时存在钢轨与大地直接连接，电流直接注入大地，增加了杂散电流；当杂散电流监控系统监测到极化电位超标，控制排流柜导通，形成经二极管接地系统。配有专用回流轨的线路上，在大地与回流轨之间设置由单向导通装置，当大地与负极之间电压差高于二极管正向导通电压时，回流系统采用经二极管系统方式。

三、供电方式

(1)直流。供电设备、牵引网和接触网通常使用直流1500V电源。在这种情况下，将为网格提供双面电源。如果出现任何问题，它将转换为可跨区域使用的大型双面电源。同时，通常会建立差动保护机制，其主要目的是确保电源均匀分布，并在远距离供电。但是，由于电源更换模式对功耗的影响，可能会增加成本，因为某些设备的构造和配置可能会有所改进。此外，在这种情况下，能源传输速率很低，效益很难看出。(2)通信系统。系统以这种方式使用25kV交流电源。在这种情况下，机柜配置为带有两个变压器的单相变压器和带有两个风力发电机组，因此这些设备被集成到带有一个单侧角点的三角测量中。由于电压降依赖于变压器，除了末端压力外，每个开关区域还设置了压力系统，主要提供照明设备。但是，在运行过程中，发现系统磨损较高，主要是因为系统动态运行时间较长，接触压力较大，设备磨损率较高。

四、并网+扩展供电

并网+扩展供电结构可理解为将传统集中扩展供电电路结构辅逆拆分成多个，提升系统在辅逆故障情况下的冗余能力，若加大拆分后的辅逆容量，可进一步提升辅逆故障情况下的冗余能力，但成本和设计难度也会随之加大，这需要运营单位结合自身实际综合考虑；该结构也可理解为将并网供电结构母线按列车单元进行分割，提升并网供电结构在母线接地故障情况下的列车可靠度。

五、安全性设计

调整表数据文件发布部署过程的安全性设计。将调整表采用数据文件的方式进行传递部署时，数据文件和车站的匹配对应关系需要进行安全防护，将全路站场ID按统一规则进行编号，调整表存储转发板在接收到新的数据文件时，首先要校验自身ID与数据文件中目的ID的一致性，只有通过校验的数据文件才会被存储。存储转发板按固定周期转发被存储的数据信息，并校验发送器、接收器实际使用的数据信息的版本和转发版本的一致性，在现场维护人员更换调制表时，需要关注更换后的版本一致性校验结果。调整表数据文件版本管理的安全防护设计。轨道电路厂家负责提供现场每个区段的基础版调整表，每个基础版都是根据现场提供的区段信息生成的，其安全性和可用性都是有保障的。现场维护人员基于基础版调整表，可以根据开通调试、应急调整等特殊场景需求对基础版调整表进行修改形成工程版，并由现场维护人员进行版本管理。工程版调制表所有修改点均被编辑工具软件记录存储，并在轨道电路维护机中可以查看当前每个区段在用的调整表信息。调整表数据信息在各设备间传递、使用时的安全性设计。调整表数据信息仅在存储转发板具备掉电保存设计，通信接口板、发送器、接收器中的调整表数据信息均是掉电即失的设计。

六、牵引网分段供电与保护

城轨交通中的电缆牵引网较多，例如，可支持长距离传输、可输送电能大等，应用十分广泛。但是如果选择上下行并行线路的设计方式，会增加系统的架设成本，而且系统结构比较复杂，一旦其中一环出现故障，很容易引起其他环节也出现故障。基于此，选择分段供电模式，划分区段进行供电。设计时，也可以根据要求一起或分段设计。因此，一般情况下，为方便进行施工，是在变压器处进行统一分段，然后在其他区间线路中进行分开分段。通过这种方式和设计，可以避免某段出现问题后影响到其他段，分段实施保护，从而提升系统运行的可靠性，减少出现故障的风险。

结束语

伴随着长期的技术积累，我国城市轨道交通逐步突破了现有传统辅助系统的线路结构，选择了较为复杂的二级系统线路结构，有助于提高列车的可靠性，特别是在交通流量较高的城市，如北京、上海、广东和深圳，可靠的线路结构对提高列车的可用性具有积极意义。

参考文献

[1]诸斐琴,杨中平,林飞,等.城轨交通牵引供电系统参数与储能系统容量配置综合优化[J].电工技术学报,2019,34(3):579-588.

[2]廖黎明.城市轨道交通交流牵引供电系统及其关键技术［J］.中国高新区，2018（6）：140.

[3]付生奎，吴过，宋超.城市轨道交通交流牵引供电系统及其关键技术［J］.科学与财富，2019（36）：237.