巴西地鐵1A線列車輔助供電系安全性分析

裴 劍 段洪亮 王鐵民

（1.申通北車（上海）軌道交通車輛維修有限公司，201106，上海；2.長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，130062，長(zhǎng)春∥第一作者，工程師）

巴西地鐵1A 線項(xiàng)目，為里約熱內(nèi)盧市2014年世界杯及2016年奧運(yùn)會(huì)使城市交通更加便捷而建設(shè)。車輛系統(tǒng)采用地鐵A 型車，供電電壓為DC750 V，最高運(yùn)行速度為80 km／h，采用4動(dòng)2拖6輛車編組。

列車輔助供電系統(tǒng)主要是為車上用電設(shè)備提供電源。其主要設(shè)備包括輔助變流器（SIV）、蓄電池、電池充電器（BCG）。列車輔助供電系統(tǒng)由AC380 V（60 Hz）供電子系統(tǒng)和DC72 V 供電子系統(tǒng)兩部分組成。交流部分由SIV 將DC750 V 轉(zhuǎn)化為AC 380 V （60 Hz），并將 AC380 V （60 Hz）供給空調(diào)、空壓機(jī)、司機(jī)室通風(fēng)等車上交流負(fù)載；直流部分由BCG 將 AC380 V （60 Hz）轉(zhuǎn)化為 DC72 V，并將DC72 V 供給照明、網(wǎng)絡(luò)、廣播、蓄電池等車上直流負(fù)載。巴西地鐵1A 線列車輔助供電系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 巴西地鐵1A 線列車輔助供電系統(tǒng)框圖

1 巴西地鐵1A線輔助供電系統(tǒng)

1.1 輔助供電系統(tǒng)部件介紹

1.1.1 輔助變流器

SIV 提供一個(gè)交流三相輸出給交流電路供電，同時(shí)輸出給BCG 供電。交流輸出由SIV 提供，每單元（3節(jié)車）有2臺(tái)SIV。如果1個(gè)單元內(nèi)部，任1臺(tái)SIV 發(fā)生故障，則此單元任何1節(jié)車廂的照明減少1／3，空調(diào)系統(tǒng)減小1／2。如果SIV 的直流輸出出現(xiàn)了故障，蓄電池就會(huì)自動(dòng)投入供電，直流電路將繼續(xù)正常工作。SIV 簡(jiǎn)易示意圖如圖2所示。

圖2 SIV 簡(jiǎn)易示意圖

正常情況下的SIV 啟動(dòng)順序?yàn)椋杭せ盍熊嚭?，DC72 V 供電給SIV 控制電路，使其CPU（中央處理器）初始化；當(dāng)司機(jī)按下輔助啟動(dòng)按鈕后，接觸器K2得電，輸入DC750 V 為電容C 充電，此過(guò)程為初始充電過(guò)程；當(dāng)電容充電電壓超過(guò)DC675 V 時(shí)，接觸器K1得電，初始充電結(jié)束；在CPU 的控制下，逆變電路輸出AC380 V。當(dāng)電容C 的端電壓小于DC420 V，或切斷DC72 V 即沒(méi)有為CPU 供電，或司機(jī)按下輔助關(guān)閉按鈕，都會(huì)讓SIV 停止工作。

出現(xiàn)過(guò)載、浪涌電壓瞬間沖擊電壓等故障狀態(tài)時(shí)，SIV 具有保護(hù)功能。如果發(fā)生一般性故障，當(dāng)電流超載、輸出電壓過(guò)高或頻率超過(guò)范圍，則SIV 將通過(guò)線路接觸器切斷DC750 V 電源；如果發(fā)生嚴(yán)重故障，如短路故障，SIV 將停止輸出AC380 V。

SIV 中半導(dǎo)體器件的冷卻采用自然風(fēng)冷。

復(fù)位裝置保證在線路接觸器跳閘后，SIV 可以重新啟動(dòng)。對(duì)其重復(fù)操作不會(huì)引起SIV 的任何損壞。

1.1.2 交流電路

交流電路輸出為三相AC380 V （60 Hz）線電壓（有效值），在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)，額定電壓和頻率誤差控制在±5%之內(nèi)。

2個(gè)SIV為3車編組單元的空調(diào)、空壓機(jī)等供電。

1個(gè)單元內(nèi)，正常工作時(shí)由1個(gè)SIV 給BCG 供電。如果此SIV 故障，BCG 將自動(dòng)轉(zhuǎn)換到本單元的另1個(gè)SIV 上。

1.1.3 直流電路

BCG 的直流輸出為DC72 V。它為直流電路提供控制電源及為電池組提供充電電源。

直流電源在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)額定電壓的誤差控制在±5%范圍內(nèi)，包括空載時(shí)。

電池隔離接觸器由電池電壓監(jiān)視裝置控制，其在電壓為DC51V 時(shí)脫落，在DC55 V 時(shí)吸合。

BCG 的輸出由列車管理系統(tǒng)（TMS）監(jiān)視。

1.1.4 電池設(shè)備

電池為應(yīng)急系統(tǒng)的設(shè)備提供備用電源，在電壓降至51 V 以前可維持45 min供電。

BCG 受裝在輸出端正極的熔斷器保護(hù)。

1.2 輔助供電系統(tǒng)的性能分析

巴西地鐵1A 線列車輔助供電系統(tǒng)SIV 的容量為150 kVA，輸出電壓為 AC380（1±5%）V，60（1±1%）Hz，三相四線制；BCG 為25 kW，輸出電壓為DC72（1±5%）V。輔助供電設(shè)施中的自診斷功能和故障保護(hù)措施可對(duì)供電線路發(fā)生的過(guò)載、短路、瞬時(shí)大電流沖擊、過(guò)壓、欠壓、接地等現(xiàn)象加以保護(hù)，為輔助供電需求提供了安全可靠的保證。

1.2.1 AC380 V 子系統(tǒng)

1）安全性：輔助供電系統(tǒng)輸出均設(shè)有獨(dú)立的有足夠分?jǐn)嗄芰Φ亩搪繁Ｗo(hù)。AC380 V 母線及每輛車配電柜空氣斷路器帶載設(shè)備由SIV 進(jìn)行保護(hù)。車輛上設(shè)有完善的分級(jí)保護(hù)設(shè)備，可避免因個(gè)別負(fù)載故障造成其他負(fù)載不能供電。

2）可靠性：①每個(gè)單元有2個(gè)SIV 設(shè)備，每個(gè)SIV 供給本單元一半的負(fù)載，因此避免了因1 臺(tái)SIV 不能工作而引起整個(gè)單元空調(diào)等設(shè)備不能使用。②增強(qiáng)了系統(tǒng)抗負(fù)載斷路的能力。當(dāng)系統(tǒng)中的某個(gè)負(fù)載點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，短路電流不足以致使整個(gè)輔助變流系統(tǒng)崩潰，從而為系統(tǒng)的分級(jí)短路保護(hù)提供了有力的保障。

1.2.2 DC72 V 子系統(tǒng)

1）安全性：輔助供電系統(tǒng)輸出均設(shè)有獨(dú)立的有足夠分?jǐn)嗄芰Φ亩搪繁Ｗo(hù)。DC72 V 母線及每輛車配電柜空氣斷路器帶載設(shè)備由蓄電池組所帶的保險(xiǎn)和充電機(jī)進(jìn)行保護(hù)。車輛上設(shè)有完善的分級(jí)保護(hù)設(shè)備，可避免因個(gè)別負(fù)載故障造成其他負(fù)載不能供電。

2）可靠性：DC72 V 直流電路中，BCG 內(nèi)部有擴(kuò)展供電電路（見(jiàn)圖3），其目的是當(dāng)1臺(tái)SIV 發(fā)生故障，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)裝換到另一臺(tái)SIV 處。

如圖3所示：當(dāng)SIV1輸入AC380 V 時(shí)，互鎖繼電器J1得電，其常開(kāi)觸點(diǎn)使得接觸器K01得電，其常閉觸點(diǎn)使得接觸器K02不得電；當(dāng)SIV1故障時(shí)，互鎖繼電器J1失電，其常開(kāi)觸點(diǎn)使得接觸器K01失電，其常閉觸點(diǎn)使得接觸器K02得電，由SIV2作為輸入端，為直流負(fù)載供電；如果SIV1重新啟動(dòng)，互鎖繼電器J1得電，使得K02失電，之后K01再次得電。完成電路轉(zhuǎn)換，保證只要有1個(gè)SIV 正常工作，則BCG正常工作，直流負(fù)載不需要減載。圖3中接觸器與互鎖繼電器的操作配合如表1所示。

圖3 BCG 內(nèi)部擴(kuò)展供電電路

表1 接觸器與互鎖繼電器操作配合

互鎖繼電器J1使得K01與K02之間存在優(yōu)先級(jí)，K01的優(yōu)先級(jí)高于K02。

2 試驗(yàn)測(cè)試

SIV 啟動(dòng)、停止測(cè)試曲線和BCG 互鎖電路測(cè)試曲線分別如圖4、圖5所示。

圖4 SIV 啟動(dòng)和停止測(cè)試曲線

根據(jù)圖4試驗(yàn)曲線并結(jié)合圖2，SIV 啟動(dòng)過(guò)程為：當(dāng)時(shí)間為0s時(shí)給SIV 輸入 DC750 V，SIV 內(nèi)部檢測(cè)到DC750 V 輸入后，斷開(kāi)接觸器K2，由接觸器K1為電容器C 快速充電，當(dāng)電容器充電達(dá)到90%后，閉合接觸器K2，斷開(kāi)接觸器K1，SIV 輸出電壓AC380（1±5%）V、60（1±1%）Hz為正常，輸出電流227 A 為正常。當(dāng)輸入電壓DC750 V 降到0V 時(shí)，SIV 同時(shí)沒(méi)有輸出電壓和輸出電流，接觸器K1與K2均閉合，SIV 停止工作。

根據(jù)圖5a）、圖5b）兩個(gè)試驗(yàn)曲線并結(jié)合圖3，當(dāng)SIV1故障，沒(méi)有輸出電壓，而SIV2正常，有輸出電壓AC380 V 時(shí)，接觸器K01 失電斷開(kāi)，接觸器K02得電閉合。當(dāng)SIV2 故障，沒(méi)有輸出電壓，而SIV1正常，有輸出電壓AC380 V 時(shí)，接觸器K02不得電斷開(kāi)，接觸器K01得電閉合。

圖5 BCG 互鎖電路測(cè)試曲線

根據(jù)圖5c）試驗(yàn)曲線，開(kāi)始時(shí)SIV1故障，沒(méi)有輸出電壓，而SIV2正常，有輸出電壓AC380 V，接觸器K01失電斷開(kāi)，接觸器K02得電閉合。而后當(dāng)SIV1恢復(fù)正常，輸出電壓AC380 V 時(shí)，接觸器K01閉合，接觸器K02斷開(kāi)，表面充電機(jī)BCG 的輸入電壓來(lái)自SIV1，證明了繼電器J1使得接觸器K01與K02之間存在優(yōu)先級(jí)，K01的優(yōu)先級(jí)高于K02，即在SIV1與SIV2均正常的情況下，SIV1的優(yōu)先級(jí)高于SIV2，BCG 的輸入電壓優(yōu)先選擇SIV1的輸出電壓。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)巴西地鐵1A 線列車輔助供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、AC380 V 子系統(tǒng)和DC72 V 子系統(tǒng)的分析和試驗(yàn)測(cè)試，證明了巴西地鐵1A 線列車的輔助供電系統(tǒng)是安全可靠的，并且可以作為一個(gè)成熟的結(jié)構(gòu)提供給其它類似項(xiàng)目作參考。

［1］劉介才.工廠供電［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1984.

［2］陳家斌.變電運(yùn)行與管理技術(shù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2007.