趙小軍　陳建　井宇航　尚江傲

摘 要：針對受電弓供電的地鐵列車，在任何受電弓故障或意外停用的情況下，其他受電弓應(yīng)能夠給整列車供電，且不造成任何性能損失，提出幾種多受電弓供電和雙受電弓供電高壓供電電路方案，從經(jīng)濟、安全、故障率等方面開展利弊分析，選擇經(jīng)濟性好、可靠性高、安全性更優(yōu)的高壓電路方案進行工程應(yīng)用，應(yīng)用效果達到預(yù)期設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：地鐵列車;受電弓;主電路;高壓母線

地鐵車輛受電方式主要有受電弓和受流器受電兩種方式。目前國內(nèi)外受電弓供電多采用獨立供電方式，即每個車輛單元配置1臺受電弓，本單元受電弓僅給本單元列車VVVF（牽引逆變器）供電;也有個別項目采用并列式供電方式[1]，即母線貫通的方式，每個受電弓都給整列車VVVF提供供電。受電弓故障對地鐵列車的正常運營造成嚴重影響[2]。進入新時期，地鐵車輛在城市交通中所占的比重越來越大，逐漸成為城市居民出行的重要交通工具，與此同時，對地鐵運營效率和質(zhì)量也提出了更高的要求[3]。土耳其新機場線業(yè)主要求地鐵列車在任何受電弓故障或受電弓意外停用的情況下，其他受電弓應(yīng)能夠給列車供電，而不會造成車輛任何性能損失。為了滿足客戶的要求，并提高車輛運營效率和服務(wù)質(zhì)量，探討地鐵車輛基于受電弓供電的控制策略及應(yīng)用，提出經(jīng)濟、安全、可靠的地鐵車輛供電控制策略。

1 受電弓供電主電路

土耳其新機場線車輛為四編組車輛，列車編組為=A-B-B-A=，“=”表示全自動車鉤，“-”表示半永久牽引桿，其中A車為帶司機室的半動半拖車，一端轉(zhuǎn)向架為非動力轉(zhuǎn)向架，二端轉(zhuǎn)向架為動力轉(zhuǎn)向架，采用DC1500V受電弓供電。為了滿足地鐵列車在任何受電弓故障或意外停用的情況下，其他受電弓滿足整列車正常供電需求，結(jié)合國內(nèi)地鐵列車受電弓供電方案，提出多受電弓供電和雙受電弓供電主電路方案。

1.1 多受電弓供電

1.1.1 三受電弓供電

主電路供電拓撲結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，正常情況下，受電弓1和受電弓2分別對兩個單元列車VVVF供電，受電弓3為備用弓;當(dāng)某一個受電弓故障或意外停用的情況下，備用受電弓3升起，故障弓側(cè)接觸器KM閉合，另一側(cè)接觸器KM斷開，由受電弓3為故障弓側(cè)單元車VVVF供電。

1.1.2 四受電弓供電

主電路供電拓撲結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，正常情況下，受電弓1和受電弓2分別對兩個單元列車VVVF供電，受電弓3和受電弓4為備用弓;當(dāng)某一個受電弓故障或意外停用的情況下，故障弓單元備用受電弓升起，故障弓單元接觸器KM閉合，由升起的備用受電弓為故障弓側(cè)單元車VVVF供電。

1.2 雙受電弓供電

1.2.1 DC1500V母線直接貫通

主電路供電拓撲結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，DC1500V高壓母線通過跳接線纜直接貫通，受電弓1和受電弓2共同對整列車進行供電，當(dāng)一個受電弓故障時，由另一受電弓承載整列車供電。

1.2.2 DC1500V母線控制貫通

主電路供電拓撲結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。正常工況下，受電弓1和受電弓2分別給兩個單元車供電，當(dāng)某一個受電弓故障或意外停用的情況下，通過控制母線接觸器KM，實現(xiàn)DC1500V母線貫通，由單個受電弓承載整列車VVVF供電。

2 供電拓撲結(jié)構(gòu)對比分析

針對上述幾種高壓主電路供電拓撲結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、安全性、可靠性、實施難度及經(jīng)濟性等角度進行對比分析。

（1）從拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜角度分析，雙受電弓方案較簡單，高壓母線直接貫通方案結(jié)構(gòu)最簡單，三弓和四弓方案配置受電弓及母線接觸器數(shù)量較多。

（2）從安全性角度分析，DC1500V母線直接貫通存在較大安全隱患，當(dāng)某一供電分區(qū)在斷電作業(yè)時，列車進入無電區(qū)與有電區(qū)之間，因高壓母線貫通，就會將有電區(qū)的高壓電接入無電分區(qū)，將可能對無電區(qū)設(shè)備或人員造成傷害。高壓母線不貫通方案更加安全，如果設(shè)置高壓母線，則高壓母線貫通可控制比直接貫通安全。

（3）從經(jīng)濟性角度分析，受電弓及隔離裝置成本較高，雙受電弓方案較多弓方案更節(jié)約成本。

（4）從實施難度角度分析，三弓和四弓方案實施難度大，車頂設(shè)備安裝較多，并且布線比較困難。

（5）從可靠性角度分析，弓網(wǎng)電接觸受流方式已成為世界范圍內(nèi)鐵路車輛獲取動力最為可靠的方式[4]，受電弓的研究及應(yīng)用已有100多年歷史，目前國內(nèi)外均有成熟可靠的高性能受電弓，可適應(yīng)各種復(fù)雜惡劣的工作工況，并且受電弓故障率較低，因此備用弓的利用率非常小。

綜上分析，各種方案優(yōu)劣對比如下表所示：

綜上對比分析，由于地鐵列車是公共交通裝備，故安全性、可靠性必須放在第一位，綜合考慮經(jīng)濟性、實施難易程度因素，DC1500V母線控制貫通方案相對更優(yōu)。

3 主電路控制及應(yīng)用

土耳其新機場線車輛選擇使用安全性高、經(jīng)濟性較優(yōu)的DC1500V母線控制貫通主電路方案。當(dāng)?shù)罔F列車控制系統(tǒng)（TCMS）監(jiān)測到某個受電弓故障（包括意外停用）[5]時，通過司機室蜂鳴器進行聲光報警，并在司機顯示器（HMI）上提示司機某受電弓故障。當(dāng)司機控制車輛停止后，在零速條件下，司機切除故障受電弓，當(dāng)故障受電弓降落并觸發(fā)降弓指示器，非故障弓處于升起狀態(tài)，列車TCMS系統(tǒng)控制DC1500V母線接觸器閉合，實現(xiàn)高壓DC1500V供電母線貫通。

土耳其新機場線車輛已完成整車試驗驗證，主電路及受電弓控制符合預(yù)期設(shè)計要求。滿足在1個受電弓故障或意外停用情況下，另1受電弓可以為整列車提供供電，列車性能無損失。該地鐵車輛主電路實施方案已獲得用戶認可，車輛已進行批量生產(chǎn)。

4 結(jié)語

DC1500V母線控制貫通主電路方案高效解決了土耳其新機場線地鐵列車在任何受電弓故障或受電弓意外停用的情況下，其他受電弓能夠給列車供電，且不會造成車輛任何性能損失的要求，并且為國內(nèi)外地鐵車輛設(shè)計提供了一種經(jīng)濟、安全、可靠的供電及控制策略。該種主電路可在國內(nèi)外地鐵車輛、輕軌等接觸網(wǎng)供電車輛上應(yīng)用，提高受電弓故障工況下車輛的利用率，提高車輛運營效率和服務(wù)質(zhì)量。

參考文獻：

[1]張興寶.城軌車輛受電弓供電高壓母線拓撲結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計探討[J].電力機車與城軌車輛，2014，（1）：61-63.

[2]劉永發(fā).地鐵電客車受電弓常見故障原因分析及處理[J].科技風(fēng)，2017（8）：297.

[3]王亞浩.地鐵車輛受電弓故障分析與處理策略探討[J].工程設(shè)備與材料，2019，（21）：125-126.

[4]吳廣寧，周悅，雷棟，等.弓網(wǎng)電接觸研究進展[J].高電壓技術(shù)，2016，（11）：3495-3506.

[5]王顏明，陸嘉，尹鳳偉.受電弓控制電路故障判斷及應(yīng)急故障處理[J].甘肅科技，2012（10）.

作者簡介：趙小軍（1987— ），男，陜西漢中人，碩士，工程師，研究方向：軌道交通產(chǎn)品設(shè)計及技術(shù)研發(fā)。