王淼 張會(huì)青

北京地鐵14號(hào)線A型地鐵車(chē)輛電氣系統(tǒng)

王淼 張會(huì)青

介紹北京地鐵14號(hào)線車(chē)輛的技術(shù)參數(shù)及性能，闡述該車(chē)輛電氣系統(tǒng)的基本性能、組成及主要技術(shù)特點(diǎn)。

北京地鐵；14號(hào)線；地鐵車(chē)輛；電氣系統(tǒng)；并網(wǎng)供電

北京地鐵14號(hào)線于2013年開(kāi)通，線路長(zhǎng)度為47．3 km，其中地下線長(zhǎng)42．3 km，高架線長(zhǎng)4．5 km，地面及U形槽過(guò)渡段長(zhǎng)500 m。地鐵車(chē)輛為標(biāo)準(zhǔn)A型車(chē)，設(shè)計(jì)中采用A型車(chē)輛供電、牽引等措施保證車(chē)輛的可靠性及舒適性。

1 列車(chē)主要參數(shù)及性能

1.1 列車(chē)編組方式

TC車(chē)：有司機(jī)室的拖車(chē)；MP車(chē)：無(wú)司機(jī)室?guī)茈姽膭?dòng)車(chē)；M車(chē)：無(wú)司機(jī)室的動(dòng)車(chē)。列車(chē)采用4動(dòng)2拖共6輛車(chē)編組方式：+TC -MP1-M1+M2-MP2-TC+。列車(chē)編組方式見(jiàn)圖1。其中：+為半自動(dòng)鉤緩裝置，-為半永久鉤緩裝置。

1.2 供電條件

列車(chē)采用接觸網(wǎng)受電弓受電，每列車(chē)兩臺(tái)受電弓，額定供電電壓為DC 1 500 V，變化范圍為：DC 1 000～1 800 V，再生制動(dòng)時(shí)不高于DC 1 980 V。受電弓位于MP車(chē)二位端的頂端，受電弓位置見(jiàn)圖2。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

（1）最高運(yùn)行速度：80 km/h。

（2）平均技術(shù)速度：≥50 km/h（典型區(qū)間、不含站停時(shí)間）。

圖2 受電弓位置

（3）平均旅行速度：≥37 km/h。

（4）平均加速度。在額定載員、平直干燥線路、車(chē)輪半磨耗狀態(tài)工況下，額定電壓為1 500 V時(shí)，牽引指令發(fā)出后：速度從0～36 km/h時(shí)，平均加速度≥1．0 m/s2；速度從0～80 km/h時(shí)，平均加速度≥0．6 m/s2。

（5）平均制動(dòng)減速度。在額定載員、平直干燥線路、車(chē)輪半磨耗狀態(tài)工況下，列車(chē)在最高運(yùn)行速度時(shí)，從制動(dòng)指令發(fā)出到停車(chē)，平均減速度為：最大常用制動(dòng)減速度≥1．0 m/s2；緊急制動(dòng)減速度≥1．2 m/s2。

（6）列車(chē)具有在故障狀態(tài)下的運(yùn)行能力及坡道救援能力。

2 列車(chē)主要電氣系統(tǒng)

北京地鐵14號(hào)線列車(chē)電氣系統(tǒng)主要由電氣牽引和電制動(dòng)系統(tǒng)、輔助電源系統(tǒng)、列車(chē)控制及監(jiān)控系統(tǒng)、列車(chē)廣播系統(tǒng)、乘客信息顯示系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、車(chē)門(mén)系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)等組成。北京地鐵14號(hào)線電氣系統(tǒng)主要設(shè)備布置見(jiàn)表1。

2.1 牽引系統(tǒng)

2.1.1 主要特點(diǎn)

（1）牽引系統(tǒng)采用高度集成化的3種箱體結(jié)構(gòu)：AB箱（含輔助逆變器和充電機(jī)）、PA箱（含輔助逆變器和牽引逆變器）、PH箱（含牽引逆變器和高速斷路器）。箱體采用輕量化鋁結(jié)構(gòu)材料，降低了牽引系統(tǒng)的質(zhì)量和運(yùn)營(yíng)成本。

（2）每種牽引設(shè)備箱內(nèi)都安裝有火災(zāi)探測(cè)數(shù)字電纜，在火災(zāi)條件下或超過(guò)可接受的溫度等級(jí)時(shí)發(fā)生短路，從而發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)。

表1 北京地鐵14號(hào)線電氣系統(tǒng)主要設(shè)備布置

（3）控制單元采用雙路MVB接口的牽引輔助控制單元DCU2，可實(shí)現(xiàn)牽引級(jí)MVB網(wǎng)絡(luò)接口和列車(chē)控制及監(jiān)控系統(tǒng)（TCMS）車(chē)輛總線接口相對(duì)獨(dú)立。牽引級(jí)MVB網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)故障癱瘓情況下的全功能牽引。

2.1.2 牽引主電路

牽引系統(tǒng)主要功能是引入接觸網(wǎng)電能并轉(zhuǎn)換成車(chē)輛的輪周牽引力，包括：輸入電能供給牽引逆變器（MCM）；MCM將直流電壓轉(zhuǎn)化成變壓變頻的三相電壓（VVVF）供給牽引電機(jī)。牽引系統(tǒng)主電路見(jiàn)圖3。

2.1.3 電空混合制動(dòng)

電空混合制動(dòng)即電制動(dòng)與空氣制動(dòng)的配合方式，優(yōu)先使用電制動(dòng)，空氣制動(dòng)在全列車(chē)平均補(bǔ)充。電制動(dòng)會(huì)按設(shè)定減速度下降，直到規(guī)定的電制動(dòng)消失點(diǎn)，列車(chē)制動(dòng)停車(chē)。牽引控制單元DCU向空氣制動(dòng)控制單元發(fā)送電制動(dòng)力實(shí)際值和電制動(dòng)狀態(tài)信號(hào)，用于電制動(dòng)失效或電制動(dòng)力不足時(shí)，由空氣制動(dòng)替代電制動(dòng)或補(bǔ)充空氣制動(dòng)力。

電空轉(zhuǎn)換過(guò)程滿足規(guī)定的沖擊率限制，若是電制動(dòng)失效，同時(shí)給出“電制動(dòng)失效”故障指示信號(hào)。牽引系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)的電空混合轉(zhuǎn)換見(jiàn)圖4，電空混合制動(dòng)過(guò)程見(jiàn)圖5。

2.2 輔助電源及中壓交流并網(wǎng)供電技術(shù)

圖3 牽引系統(tǒng)主電路

列車(chē)蓄電池型號(hào)規(guī)格為L(zhǎng)PH180Ah，每列車(chē)分別在兩端TC車(chē)配置兩組蓄電池，每組由78節(jié)電池串聯(lián)而成。蓄電池充電機(jī)集成于AB箱內(nèi)，采用升壓斬波技術(shù)調(diào)節(jié)輸出電壓，對(duì)蓄電池進(jìn)行浮充電。每套蓄電池充電機(jī)輸出功率25 kW，整列車(chē)配置兩套，當(dāng)一套蓄電池充電機(jī)故障，啟動(dòng)另外一套滿足整車(chē)要求。

列車(chē)并網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6，該供電系統(tǒng)由TCMS控制。TCMS發(fā)送命令控制輔助控制單元（DCU/A）同步啟動(dòng)、關(guān)閉、切除。DCU/A通過(guò)數(shù)字輸入/輸出接口控制輔助負(fù)載接觸器的閉合和斷開(kāi)進(jìn)行并網(wǎng)供電。每列車(chē)采用4臺(tái)輔助逆變器（ACM）并網(wǎng)供電，該供電模式較擴(kuò)展供電和分段供電相比，其在任一故障狀態(tài)下的供電冗余能力更強(qiáng)，運(yùn)行能力和負(fù)載分配能力也是其他供電模式無(wú)法比擬的。

圖4 電制動(dòng)空氣制動(dòng)轉(zhuǎn)換

圖5 AW3工況電空混合制動(dòng)牽引數(shù)據(jù)

圖6 列車(chē)并網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)

2.3 TCMS

TCMS采用分布式控制技術(shù)，TCMS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7，分為列車(chē)級(jí)和車(chē)輛級(jí)。TCMS采用EMD電氣中距離介質(zhì)的MVB車(chē)輛總線。中繼模塊REP作為列車(chē)級(jí)和車(chē)輛級(jí)總線的網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)列車(chē)級(jí)總線到車(chē)輛級(jí)總線的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。兩端頭車(chē)REP模塊均采用冷備冗余技術(shù)，列車(chē)在網(wǎng)關(guān)癱瘓時(shí)可通過(guò)人工切換方式保證運(yùn)營(yíng)。TCMS采用通信線路雙通道冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)某一路通信線路出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)切換到另一路通信線路，列車(chē)控制系統(tǒng)主要完成的功能：（1）司機(jī)室激活控制；（2）方向控制；（3）緊急牽引控制；（4）空電聯(lián)合制動(dòng)控制；（5）保持制動(dòng)控制；（6）安全連鎖控制；（7）空調(diào)啟動(dòng)控制；（8）輔助系統(tǒng)順序啟動(dòng)控制；（9）列車(chē)速度計(jì)算；（10）車(chē)重校準(zhǔn)；（11）輪徑校準(zhǔn)；（12）模式控制；（13）監(jiān)視功能。

TCMS的診斷功能可以協(xié)助司機(jī)和檢修人員進(jìn)行工作。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，協(xié)助司機(jī)采取適當(dāng)?shù)牟僮?，并使維護(hù)人員更容易查找并解決故障。如果列車(chē)發(fā)生故障，將以純文本信息在HMI上顯示給司機(jī)。每條純文本信息都分配有故障代碼，根據(jù)不同的故障類別進(jìn)行故障評(píng)估。故障類別和純文本信息顯示在顯示器界面上。此外，司機(jī)也可以從HMI上獲得所必須實(shí)施的操作指導(dǎo)說(shuō)明。

嚴(yán)重故障（等級(jí)1）：嚴(yán)重影響列車(chē)運(yùn)行的故障，可能導(dǎo)致乘客和車(chē)輛出現(xiàn)危險(xiǎn)，司機(jī)需對(duì)故障進(jìn)行確認(rèn)和立即處理。如果故障不能及時(shí)排除，列車(chē)需要在運(yùn)行的下一站進(jìn)行清客，空車(chē)回庫(kù)以解決故障。

中等故障（等級(jí)2）：影響列車(chē)運(yùn)行的故障，司機(jī)需對(duì)故障進(jìn)行確認(rèn)和立即處理。如果故障不能及時(shí)排除，列車(chē)則需在完成本次單程運(yùn)營(yíng)后退出運(yùn)行圖，空車(chē)回庫(kù)以解決故障。

輕微故障（等級(jí)3）：不影響運(yùn)行的故障，可以在列車(chē)運(yùn)營(yíng)結(jié)束后回庫(kù)再處理。

2.4 其他電氣系統(tǒng)

地鐵列車(chē)中的乘客信息與顯示系統(tǒng)、空調(diào)控制系統(tǒng)和車(chē)門(mén)控制系統(tǒng)控制電路較為成熟，已經(jīng)有規(guī)范化的控制電路。信號(hào)系統(tǒng)與地面信號(hào)系統(tǒng)組成龐大的設(shè)備體系，不作詳細(xì)分析。

圖7 TCMS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 列車(chē)電氣系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)

（1）北京地鐵14號(hào)線采用國(guó)產(chǎn)化信號(hào)控制系統(tǒng)，具有自動(dòng)駕駛（ATO）功能。

（2）列車(chē)牽引系統(tǒng)性能優(yōu)良，使用鋁制材質(zhì)實(shí)現(xiàn)較高的功率/質(zhì)量比，從而節(jié)省能耗。牽引系統(tǒng)可承受供電電壓范圍為DC 1 000 V～DC 1 800 V。

（3）TCMS采用分布式控制技術(shù)，分為兩級(jí)：列車(chē)控制級(jí)、車(chē)輛控制級(jí)。列車(chē)總線和車(chē)輛級(jí)總線均采用通信線路雙通道冗余設(shè)計(jì)，列車(chē)網(wǎng)絡(luò)模塊也采用相應(yīng)冗余設(shè)計(jì)。

（4）整車(chē)蓄電池容量大，放電性能好。蓄電池控制電路確保正常情況下不會(huì)造成蓄電池虧電，提高了蓄電池使用壽命。列車(chē)無(wú)網(wǎng)壓時(shí)，充分保證了緊急情況下的用電需求，能供給列車(chē)內(nèi)部事故照明、外部照明、緊急通風(fēng)、幅流風(fēng)機(jī)、車(chē)載安全設(shè)備、廣播、通信系統(tǒng)等工作45 min，并保證列車(chē)開(kāi)關(guān)門(mén)一次及網(wǎng)壓恢復(fù)時(shí)能保證輔助電源啟動(dòng)。

（5）列車(chē)設(shè)有過(guò)壓吸收電阻，用于支撐從再生電制動(dòng)到全空氣制動(dòng)間的短時(shí)電阻制動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

北京地鐵14號(hào)線已完成生產(chǎn)、調(diào)試并交付用戶使用，其中大部件均已完成相應(yīng)要求的EMC、沖擊振動(dòng)及其他型式試驗(yàn)。編組后列車(chē)也通過(guò)廠內(nèi)外的各種型式試驗(yàn)，其主要技術(shù)參數(shù)優(yōu)于合同要求性能。北京地鐵14號(hào)線已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)且運(yùn)營(yíng)狀態(tài)良好。

[1] GB/T 7928—2003 地鐵車(chē)輛通用技術(shù)條件[S]．

[2] 北京地鐵14號(hào)線工程電動(dòng)客車(chē)采購(gòu)合同，2012．

王 淼：南車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限?公司技術(shù)中心，助理工程師，山?東?青島，266111

張會(huì)青：南車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限?公司技術(shù)中心，高級(jí)工程師，山?東?青島，266111

責(zé)任編輯苑曉蒙

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1672-061X（2014）04-0103-04