浅谈北京地铁14号线辅助供电系统

刘恩朋

（南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266000）

0　引言

辅助供电系统是列车上至关重要的功能系统。它用作车辆空调、电热采暖、照明、空气压缩机、各系统控制电路及列车监视系统、车载信号和通信设备等的电源，是列车系统不可缺少的一部分，下面介绍一下北京打铁14号线辅助供电系统。

辅助供电系统组成：

北京地铁14号线辅助供电系统包括：隔离开关和熔断器（位于PH箱高压部分）、 不采用高速断路器（使用ACM熔断器和线路接触器实现保护）、 LC输入滤波器、辅助逆变器模块（ACM）、控制单元 DCU/A、三相交流滤波器 、输出变压器 、DC110V整流装置（位于辅助充电机AB箱内）、DC110V/DC24V电源变换器、蓄电池组、紧急通风用逆变器。

辅助逆变器的功率元件采用大功率电力电子器件IGBT，其控制采用微机控制并有自诊断功能。辅助逆变器工作电压：额定电压：DC1500V ，电压波动范围：DC1000V～DC1800V，当列车处于再生制动时其输入电压可达DC1980V。6辆编组列车的静止逆变器总容量为4*117kVA=468kVA。

1　容量及输出能力

为保证辅助电源系统最大可用性，每列车安装4组独立的辅助电源装置即静止逆变器(SIV)和2组蓄电池组，这保证即使一台辅助逆变器故障列车也无任何降级，辅助电源装置采用分散布置,其输出能力将满足6辆编组列车各种负载工况的用电要求。

交流输出：三相AC380V，50Hz，三相四线制（含单相220V）

容量：每台117kVA；四台逆变器总容量 4×117kVA=468kVA

负载：空调或电热采暖装置、幅流风机、空气压缩机组、客室及司机室照明、DC110V整流装置和DC110V/DC24V电源变换器等。

负载功率因数：＞0.85 (感性负载)

电压精度：380V±5％

频率精度：50Hz±1Hz

波形畸变因数：＜5％（适用于无源负载和转动负载，不适用于逆变器负载，因为逆变器负载将畸变电源的电流和电压）

瞬间电压变化范围：±20％以内(负载突变从100％到70％额定值或从70％到100％额定值，输入电压突变DC±300V/20ms)

瞬间电压变化调整时间：＜0.1秒。

直流输出：DC110V：

总容量：每台25kW，两台蓄电池充电机总容量 2×25kW = 50kW

电压精度：110V±3％

纹波系数：＜5％

瞬间电压变化范围： ±20％以内(负载突变从100％到70％额定值或从70％到100％额定值，输入电压突变DC±300V/20ms)

瞬间电压变化调整时间： ＜0.1秒。

用于对110V蓄电池组进行浮充电，具有蓄电池箱温度补偿控制功能。通过蓄电池充电机变压器的三相电压在二极管桥中整流并通过升压斩波器控制在预设值。此功能将三相电压以及蓄电池充电机输出分别控制在理想范围。斩波器的IGBT元件通过ACM中的控制单元控制。

直流输出：DC24V

总容量：每台持续功率2080W，两台总容量约为4kW

电压精度：24V±3％

纹波系数：＜5％

瞬间电压变化范围： ±20％以内(负载突变从100％到70％额定值或从70％到100％额定值，输入电压突变DC±300V/20ms)

瞬间电压变化调整时间： ＜0.1秒

辅助电源系统的中压母线由4台辅助逆变器并网供电。中压母线贯穿于整列车给整列车的中压负载同时供电。中压接触器用于将辅助逆变器与中压母线隔离。正常情况时，接触器处于闭合状态并且所有的辅助逆变器处于并联供电模式；当发生故障时，中压接触器可以将故障辅助逆变器隔离。

中压母线上的所有负载都将提供独立的接触器用来保护。当任意一个负载故障时，接触器将断开负载和中压母线的连接以确保中压母线不受影响。

在列车中间将一台安装母线接触器，万一母线短路时，不需要将整条母线全部隔离。

在进行电路的设计时，严格坚持故障导向安全原则，供电电路分系统设计，每个电路分别设置容量合理的空气自动开关，用于过流和短路保护，这样即可避免故障扩大化，也实现了对辅助电源设备的隔离保护。

众所周知，交流负载在启动的瞬间具有较大的电流冲击（超出数倍的额定电流），当所有的交流负载同时启动的情况下，冲击电流将会叠加，对辅助电源将会造成极大的冲击，辅助电源将启动过流保护，也存在对设备本身造成破坏的风险。

为了实现利益最大化和运营安全，在充分考虑各种因素的前提下，充分利用辅助电源本身允许的过流特性，设置合理的辅助电源容量。

2　辅助容量计算

2.1　正常运行

380VAC/220VAC负载：

根据交流负载统计表，夏季时正列车的交流负载最大，此时整列车的交流负载为394.7kVA。

根据配置，每个辅助变流器将承担394.7/4=98.675kVA，所以每个容量为117kVA的辅助逆变器在正常运行时具有16％的余量。

110VDC负载（含DC24V负载）：

根据DC110V负载统计表，整列车的总的直流负载为24.33KW（含DC24V负载）。因此，每个AC/DC蓄电池充电机模块将承担24.33/2=12.165kW。每个AC/DC蓄电池充电机可以提供高达25kW的功率，满足要求。

2.2　故障运行

一个辅助变流器故障情况：

如果一个ACM故障，其它正常工作的每个ACM需要承担421.8kVA/3=140.6kVA的负载以实现全冗余，剩余的每个ACM可以提供150kVA（冷却风扇全速）的功率，三台ACM可提供450kVA，大于整列车交流负载394.7kVA，即：完全冗余的辅助系统，负载不需要减载运行。AC/DC蓄电池充电机由共用的交流母线供电，因此蓄电池充电机没有任何影响。

两个辅助变流器故障情况：

如果两个辅助变流器故障，剩余的两台ACM可以承担300kVA（冷却风扇全速）的负载。在这种状态下：

夏季：

每辆车有一个空调机单元正常工作，另一个空调单元的通风仍能正常工作列车所有负载的容量仅为256.7 kVA，小于可以两台ACM可以承担的300kVA容量，满足运用需求。

冬季：

由于空调机组仅处于通风状态，全列车正常工作的辅助负载容量共有243.22 kVA，小于可以两台ACM可以承担的300kVA容量，满足运用需求。

一个蓄电池充电机故障：

如果一台AC/DC蓄电池充电机故障，另一台蓄电池充电机需要提供23.93kW（含DC24V负载）的功率以实现全冗余，剩余的一台蓄电池充电机可以提供25kW的输出容量给整列车的DC110V负载（含DC24V负载）供电，即为全冗余的低压电源供给系统。

3　结束语

车辆相关各系统与辅助电源系统电气接口配合的好坏直接关系到列车是否能够维持正常运营和为乘客提供优良、舒适的乘车环境。辅助电源容量大小直接关系到各负载设备特别是空调机组和空气压缩机能否正常工作，需要根据车辆的配置和以往项目的经验保证全车各用电设备的正常工作，并考虑到辅助电源故障的情况及空调机组和空气压缩机瞬间启动电流对辅助电源的冲击。因此，辅助电源的容量计算至关重要，体现了车辆供货商的集成能力。

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参考文献

［1］GB/T 7928-2003 地铁车辆通用技术条件[S].

［2］庞巴迪运输瑞典有限公司,北京地铁14号线辅助系统技术说明[Z].

［责任编辑：杨玉洁］