楊 帆 李林波 歐 洲

(成都地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，610041，成都∥第一作者，工程師)

如何保障司乘人員及車輛的安全性與舒適性，是地鐵運(yùn)營(yíng)中必須重視的問題。輔助供電系統(tǒng)是列車正常運(yùn)行中不可缺少的重要部分，用于給列車的通風(fēng)設(shè)備、空調(diào)、照明、制動(dòng)和控制單元提供電力保障，主要包括輔助供電系統(tǒng)和輔助用電設(shè)備。輔助用電設(shè)備包括中壓用電設(shè)備(空調(diào)、制動(dòng)電阻風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)、電抗器風(fēng)機(jī))和低壓用電設(shè)備(照明、乘客信息顯示系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及其他輔助設(shè)備)。輔助供電系統(tǒng)分為由輔助逆變器提供電源的中壓供電系統(tǒng)(AC 380 V)和由充電機(jī)提供電源的低壓供電系統(tǒng)(DC 110 V)[1]。其中，中壓并網(wǎng)供電技術(shù)由于能夠?qū)崿F(xiàn)列車供電能力的合理分配，實(shí)現(xiàn)對(duì)剩余供電容量的最大化利用，保證了乘客的安全性和舒適性，使其在地鐵列車中獲得了廣泛應(yīng)用。為了提高中壓并網(wǎng)供電技術(shù)的可靠性，各主機(jī)廠在電路中也設(shè)置有相應(yīng)的接觸器進(jìn)行分段控制。本文主要針對(duì)在該接觸器因故障無法斷開時(shí)發(fā)生的母線接地情況進(jìn)行分析討論，提出針對(duì)性改造意見，降低上述故障發(fā)生后的一系列影響，為后續(xù)地鐵列車輔助供電系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)提供參考。

1 成都地鐵列車輔助供電系統(tǒng)

1.1 成都地鐵主要線路列車的輔助供電方式

地鐵列車輔助供電系統(tǒng)包括輔助變流器、充電機(jī)、蓄電池、高壓母線、中壓母線、低壓母線及其他必須的輔助設(shè)備(繼電器、接觸器、控器開關(guān)、控制器等)。輔助供電系統(tǒng)主要有擴(kuò)展供電(集中供電)、交叉供電和并網(wǎng)供電這3種方式[2-3]。

目前，成都地鐵已投入運(yùn)營(yíng)及在建的各條線路列車的輔助供電方式有擴(kuò)展供電和并網(wǎng)供電兩種方式，如表1所示。

表1 成都地鐵運(yùn)行線路列車輔助供電系統(tǒng)

由表1可知，除了地鐵1～4號(hào)線牽引輔助系統(tǒng)的輔助供電方式為擴(kuò)展供電外,其余各條地鐵線路均采用的是并網(wǎng)供電方式。由此可見，成都地鐵列車的輔助供電系統(tǒng)以并網(wǎng)供電方式為主。

1.2 兩種輔助供電方式比較

擴(kuò)展供電方式的優(yōu)點(diǎn)為使用設(shè)備數(shù)量少，缺點(diǎn)為在故障時(shí)的供電能力損失較多。而并網(wǎng)供電方式供電能力互補(bǔ)性強(qiáng)、冗余度高、供電能力損失少、系統(tǒng)抗負(fù)載電流沖擊能力強(qiáng)，但其控制較為復(fù)雜，對(duì)逆變器之間的同步控制相位、頻率和電壓波形控制要求較高?？偟膩碚f，與擴(kuò)展供電相比，并網(wǎng)供電在列車供電故障狀態(tài)下的運(yùn)行能力和負(fù)載分配是現(xiàn)有擴(kuò)展供電所無法比擬的。近年來，各大車輛生產(chǎn)廠家對(duì)列車中壓交流并網(wǎng)供電技術(shù)開展了深入的研究和論證，并應(yīng)用于地鐵列車輔助供電系統(tǒng)。西門子首次在上海軌道交通1號(hào)線增擴(kuò)編列車中使用中壓交流并網(wǎng)技術(shù)，阿爾斯通在上海軌道交通2號(hào)線東延伸線中首次使用了中壓交流并聯(lián)技術(shù)，龐巴迪在上海軌道交通12號(hào)線中首次使用中壓并網(wǎng)供電[2]。龐巴迪公司所提供的牽引和輔助設(shè)備由于其集成度高，成都地鐵6號(hào)線、7號(hào)線、8號(hào)線及10號(hào)線一期項(xiàng)目工程都采用的是龐巴迪中壓并網(wǎng)供電系統(tǒng)。對(duì)于擴(kuò)展供電方式而言，當(dāng)?shù)罔F列車發(fā)生故障時(shí)，其保護(hù)性邏輯為故障后啟動(dòng)；而對(duì)于并網(wǎng)供電方式而言，其保護(hù)性邏輯有故障后啟動(dòng)和故障后斷開兩種。

1.3 龐巴迪中壓交流并網(wǎng)供電原理

成都地鐵8號(hào)線(以下簡(jiǎn)稱“8號(hào)線”)列車為6節(jié)編組，其中龐巴迪中壓交流并網(wǎng)供電系統(tǒng)采用中壓母線接觸器“斷/合”控制原理，中壓母線接觸器“斷/合”的指令通過TCMS(列車控制與管理系統(tǒng))發(fā)出，TCMS發(fā)出中壓母線接觸器閉合指令(線號(hào)32102)后，接觸器保持繼電器得電，并完成自鎖，中壓母線接觸器得電吸合，實(shí)現(xiàn)全車中壓交流母線連通，開始并網(wǎng)供電。中壓母線接觸器“斷/合”控制電路(截圖)如圖1所示。

圖1 中壓母線接觸器“斷/合”控制電路截圖Fig.1 Screenshot of medium-voltage bus contactor ‘on/off’ control circuit

2 輔助供電系統(tǒng)中壓并網(wǎng)供電方式的升級(jí)改造

2.1 改造前的8號(hào)線并網(wǎng)供電方式

2.1.1 改造前的并網(wǎng)供電方案分析

在列車運(yùn)行過程中，并網(wǎng)供電系統(tǒng)發(fā)生接地和短路故障是無可避免的。為減少該類故障對(duì)列車運(yùn)行造成的影響，各大設(shè)計(jì)廠家均在交流母線中設(shè)計(jì)了母線接觸器或其他保護(hù)開關(guān)，通過控制該接觸器的斷或合，將故障影響控制在某一故障單元內(nèi)，而另一單元設(shè)備則可正常運(yùn)行。

8號(hào)線并網(wǎng)供電核心部件為中壓母線接觸器，該中壓母線接觸器的“斷/合”由TCMS進(jìn)行控制。當(dāng)某一個(gè)或多個(gè)ACM故障時(shí)，可以通過并網(wǎng)供電系統(tǒng)對(duì)故障車設(shè)備進(jìn)行供電，以保證列車的運(yùn)行狀態(tài)。但該方案斷開并網(wǎng)供電的方式有且僅有通過TCMS來控制該接觸器斷開，當(dāng)該接觸器因故障無法斷開且發(fā)生母線接地或短路故障時(shí)，并網(wǎng)供電就無法自動(dòng)斷開。

2.1.2 典型故障分析

針對(duì)輔助供電系統(tǒng)的接地故障，雖然在地鐵運(yùn)營(yíng)過程中發(fā)生的幾率并不算非常高，但在國(guó)內(nèi)外也曾多次發(fā)生。2020年4月15日，成都地鐵1號(hào)線10162列錦江賓館站上行車輛監(jiān)控顯示器上的SIV顯示為紅色。車輛監(jiān)控顯示器界面顯示兩端SIV故障，代碼FAIL(重故障)，空調(diào)處于緊急通風(fēng)狀態(tài)，查看通信界面無異常，車輛監(jiān)控顯示器故障記錄顯示6車和1車均報(bào)OUTOC(輸出過電流)。檢查車下SIV、空壓機(jī)、380 V母線狀態(tài)，均未見異常，使用1 000 V搖表測(cè)量各線路絕緣電阻均大于500 MΩ，無接地現(xiàn)象。測(cè)量車上空調(diào)及照明電路，發(fā)現(xiàn)4車1位空調(diào)機(jī)組的2位壓縮機(jī)的380 V線路接地，登頂進(jìn)一步檢查，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)內(nèi)部短路接地。

故障產(chǎn)生邏輯：4車1位空調(diào)機(jī)組的2位壓縮機(jī)內(nèi)部短路接地，壓縮機(jī)控制接觸器觸頭過電流粘連，6車SIV檢測(cè)到380 V總線瞬時(shí)過流，引起保護(hù)。6車SIV保護(hù)后，TCMS控制列車進(jìn)行擴(kuò)展供電，由于接地故障依然存在，進(jìn)而導(dǎo)致1車SIV引起保護(hù)。

該故障可能導(dǎo)致的后果：

1) 全列中壓供電系統(tǒng)均處于無電狀態(tài)，空壓機(jī)無法啟動(dòng)，列車由于風(fēng)壓過低，導(dǎo)致總風(fēng)壓過低，緊急制動(dòng)無法緩解。

2) 全列客室僅剩應(yīng)急照明，造成乘客恐慌，導(dǎo)致踩踏事件發(fā)生。

3) 清客2列，救援1列，造成全線運(yùn)營(yíng)嚴(yán)重晚點(diǎn)(10 min及以上)，對(duì)乘客出行帶來極大的影響。

2.1.3 ACM故障與列車運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估

根據(jù)龐巴迪系統(tǒng)輔助負(fù)載計(jì)算以及實(shí)際測(cè)試，不同數(shù)量的ACM故障所造成的影響也不一樣，如表2所示。

表2 8號(hào)線ACM故障與列車運(yùn)行狀態(tài)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

ACM針對(duì)短路也設(shè)計(jì)有內(nèi)、外部短路檢測(cè)，具體邏輯如下：

1) ACM內(nèi)部進(jìn)行短路檢測(cè)，若內(nèi)部存在短路，斷開該ACM內(nèi)部接觸器。

2) 內(nèi)部短路檢測(cè)完成，沒有報(bào)短路故障，ACM三相母線輸出接觸器嘗試閉合；若閉合后依然存在故障，DCU/A(輔助變壓器驅(qū)動(dòng)控制單元)向TCMS發(fā)送“外部短路”信號(hào)，此時(shí)TCMS斷開中壓母線接觸器，并禁止發(fā)生外部短路的中壓母線上連接的所有ACM啟動(dòng)。

針對(duì)該類故障，充分分析8號(hào)線的并網(wǎng)供電設(shè)計(jì)原理，當(dāng)8號(hào)線發(fā)生母線接地情況時(shí)，TCMS將會(huì)發(fā)送中壓母線接觸器斷開指令，斷開一個(gè)單元的ACM，而另一單元的設(shè)備則可正常運(yùn)行。但如果短路瞬間電流過大，導(dǎo)致該接觸器觸點(diǎn)燒熔而無法斷開，或因TCMS故障無法及時(shí)發(fā)送中壓母線接觸器斷開指令時(shí)，并網(wǎng)供電就無法中斷，此時(shí)全列ACM會(huì)因過電流而產(chǎn)生保護(hù)性封鎖，導(dǎo)致全列中壓供電系統(tǒng)無電?？諌簷C(jī)、空調(diào)、客室正常照明均無法使用，列車執(zhí)行緊急通風(fēng)狀態(tài)，客室僅有應(yīng)急照明。由于ACM和MCM(電機(jī)變流器模塊)內(nèi)部存在過溫保護(hù)邏輯，僅通過AB(輔助及蓄電池)箱、PA(牽引及輔助)箱或PH(牽引及高壓)箱內(nèi)部的全列中壓供電系統(tǒng)所控制的外部風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱，當(dāng)溫度過高時(shí)會(huì)保護(hù)性封鎖。由于全列ACM均停機(jī)，用于散熱的外部風(fēng)機(jī)也無法運(yùn)行，MCM牽引逆變器也無法正常工作，列車無法牽引只能等待救援。

2.2 改造后的8號(hào)線并網(wǎng)供電方式

2.2.1 改造后的并網(wǎng)供電方式分析

為避免出現(xiàn)中壓母線接觸器無法自動(dòng)斷開的情況，通過分析與模擬，在中壓母線上設(shè)置一個(gè)中壓母線隔離單元，其中包括大容量三相空氣開關(guān)和抗電磁干擾屏蔽裝置等設(shè)備。設(shè)置該隔離單元可實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)供電狀態(tài)的雙重保護(hù)，確保當(dāng)并網(wǎng)供電無法自動(dòng)中斷時(shí)，可以通過中壓母線隔離單元人工中斷并網(wǎng)供電。改造后的8號(hào)線并網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 改造后的8號(hào)線并網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱DFig.2 Topology diagram of improved grid-connected power supply structure of Line 8

2.2.2 改造后的優(yōu)勢(shì)

改造后的方案保護(hù)了整個(gè)中壓母線，當(dāng)中壓母線接觸器因故障(如過流導(dǎo)致觸點(diǎn)燒熔)導(dǎo)致無法斷開，或TCMS故障無法發(fā)出斷開指令時(shí)，可以通過斷開空氣開關(guān)后，人工中斷并網(wǎng)供電。當(dāng)出現(xiàn)短路或接地產(chǎn)生過電流時(shí)，也可以通過人工斷開此空氣開關(guān)，終止并網(wǎng)供電。因ACM過流保護(hù)為保護(hù)性封鎖，可以通過操作車輛監(jiān)控顯示器對(duì)ACM進(jìn)行復(fù)位，至少可以恢復(fù)一個(gè)單元的ACM，確保一個(gè)單元的列車牽引和供電正常，極大地降低了故障對(duì)列車運(yùn)行的影響。

在應(yīng)用過程中，三相空氣開關(guān)選型尤為重要，需要充分考慮地鐵列車在全負(fù)載工況以及初上電時(shí)的中壓母線瞬時(shí)電流，避免在正常運(yùn)行情況下該空氣開關(guān)跳閘而導(dǎo)致列車無法正常并網(wǎng)供電的故障發(fā)生。

3 結(jié)語

成都地鐵8號(hào)線的中壓母線經(jīng)過上述改進(jìn)后，可以有效避免在輔助供電系統(tǒng)中存在的中壓母線接地故障，或中壓母線接觸器因故障無法斷開，而導(dǎo)致的全列ACM停機(jī)問題,從而提高了地鐵運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。在極端情況下，增加此中壓母線隔離單元可以迅速將接地故障影響控制在一個(gè)單元內(nèi)部，而另一個(gè)單元列車供電負(fù)載不會(huì)受到任何影響。因此，在中壓母線上增加中壓母線隔離單元對(duì)并網(wǎng)供電進(jìn)行雙重保護(hù)是可行的，將此隔離單元設(shè)計(jì)在司機(jī)室內(nèi)，可以極大程度地縮短故障時(shí)的司機(jī)應(yīng)急處置時(shí)間。