北京地铁14号线A型地铁车辆电气系统

2014-01-18王淼张会青

铁路技术创新 2014年4期

关键词：北京地铁号线蓄电池

王淼张会青

北京地铁14号线A型地铁车辆电气系统

王淼张会青

介绍北京地铁14号线车辆的技术参数及性能，阐述该车辆电气系统的基本性能、组成及主要技术特点。

北京地铁；14号线；地铁车辆；电气系统；并网供电

北京地铁14号线于2013年开通，线路长度为47．3 km，其中地下线长42．3 km，高架线长4．5 km，地面及U形槽过渡段长500 m。地铁车辆为标准A型车，设计中采用A型车辆供电、牵引等措施保证车辆的可靠性及舒适性。

1 列车主要参数及性能

1.1 列车编组方式

TC车：有司机室的拖车；MP车：无司机室带受电弓的动车；M车：无司机室的动车。列车采用4动2拖共6辆车编组方式：+TC -MP1-M1+M2-MP2-TC+。列车编组方式见图1。其中：+为半自动钩缓装置，-为半永久钩缓装置。

1.2 供电条件

列车采用接触网受电弓受电，每列车两台受电弓，额定供电电压为DC 1 500 V，变化范围为：DC 1 000～1 800 V，再生制动时不高于DC 1 980 V。受电弓位于MP车二位端的顶端，受电弓位置见图2。

1.3 主要技术参数

（1）最高运行速度：80 km/h。

（2）平均技术速度：≥50 km/h（典型区间、不含站停时间）。

图2 受电弓位置

（3）平均旅行速度：≥37 km/h。

（4）平均加速度。在额定载员、平直干燥线路、车轮半磨耗状态工况下，额定电压为1 500 V时，牵引指令发出后：速度从0～36 km/h时，平均加速度≥1．0 m/s2；速度从0～80 km/h时，平均加速度≥0．6 m/s2。

（5）平均制动减速度。在额定载员、平直干燥线路、车轮半磨耗状态工况下，列车在最高运行速度时，从制动指令发出到停车，平均减速度为：最大常用制动减速度≥1．0 m/s2；紧急制动减速度≥1．2 m/s2。

（6）列车具有在故障状态下的运行能力及坡道救援能力。

2 列车主要电气系统

北京地铁14号线列车电气系统主要由电气牵引和电制动系统、辅助电源系统、列车控制及监控系统、列车广播系统、乘客信息显示系统、空调系统、车门系统、信号系统等组成。北京地铁14号线电气系统主要设备布置见表1。

2.1 牵引系统

2.1.1 主要特点

（1）牵引系统采用高度集成化的3种箱体结构：AB箱（含辅助逆变器和充电机）、PA箱（含辅助逆变器和牵引逆变器）、PH箱（含牵引逆变器和高速断路器）。箱体采用轻量化铝结构材料，降低了牵引系统的质量和运营成本。

（2）每种牵引设备箱内都安装有火灾探测数字电缆，在火灾条件下或超过可接受的温度等级时发生短路，从而发出火灾报警信号。

表1 北京地铁14号线电气系统主要设备布置

（3）控制单元采用双路MVB接口的牵引辅助控制单元DCU2，可实现牵引级MVB网络接口和列车控制及监控系统（TCMS）车辆总线接口相对独立。牵引级MVB网络可实现列车网络故障瘫痪情况下的全功能牵引。

2.1.2 牵引主电路

牵引系统主要功能是引入接触网电能并转换成车辆的轮周牵引力，包括：输入电能供给牵引逆变器（MCM）；MCM将直流电压转化成变压变频的三相电压（VVVF）供给牵引电机。牵引系统主电路见图3。

2.1.3 电空混合制动

电空混合制动即电制动与空气制动的配合方式，优先使用电制动，空气制动在全列车平均补充。电制动会按设定减速度下降，直到规定的电制动消失点，列车制动停车。牵引控制单元DCU向空气制动控制单元发送电制动力实际值和电制动状态信号，用于电制动失效或电制动力不足时，由空气制动替代电制动或补充空气制动力。

电空转换过程满足规定的冲击率限制，若是电制动失效，同时给出“电制动失效”故障指示信号。牵引系统和制动系统的电空混合转换见图4，电空混合制动过程见图5。

2.2 辅助电源及中压交流并网供电技术

图3 牵引系统主电路

列车蓄电池型号规格为LPH180Ah，每列车分别在两端TC车配置两组蓄电池，每组由78节电池串联而成。蓄电池充电机集成于AB箱内，采用升压斩波技术调节输出电压，对蓄电池进行浮充电。每套蓄电池充电机输出功率25 kW，整列车配置两套，当一套蓄电池充电机故障，启动另外一套满足整车要求。

列车并网供电结构见图6，该供电系统由TCMS控制。TCMS发送命令控制辅助控制单元（DCU/A）同步启动、关闭、切除。DCU/A通过数字输入/输出接口控制辅助负载接触器的闭合和断开进行并网供电。每列车采用4台辅助逆变器（ACM）并网供电，该供电模式较扩展供电和分段供电相比，其在任一故障状态下的供电冗余能力更强，运行能力和负载分配能力也是其他供电模式无法比拟的。

图4 电制动空气制动转换

图5 AW3工况电空混合制动牵引数据

图6 列车并网供电结构

2.3 TCMS

TCMS采用分布式控制技术，TCMS网络拓扑结构见图7，分为列车级和车辆级。TCMS采用EMD电气中距离介质的MVB车辆总线。中继模块REP作为列车级和车辆级总线的网关，实现列车级总线到车辆级总线的数据转发。两端头车REP模块均采用冷备冗余技术，列车在网关瘫痪时可通过人工切换方式保证运营。TCMS采用通信线路双通道冗余设计，当某一路通信线路出现故障时，系统可自动切换到另一路通信线路，列车控制系统主要完成的功能：（1）司机室激活控制；（2）方向控制；（3）紧急牵引控制；（4）空电联合制动控制；（5）保持制动控制；（6）安全连锁控制；（7）空调启动控制；（8）辅助系统顺序启动控制；（9）列车速度计算；（10）车重校准；（11）轮径校准；（12）模式控制；（13）监视功能。

TCMS的诊断功能可以协助司机和检修人员进行工作。当故障发生时，协助司机采取适当的操作，并使维护人员更容易查找并解决故障。如果列车发生故障，将以纯文本信息在HMI上显示给司机。每条纯文本信息都分配有故障代码，根据不同的故障类别进行故障评估。故障类别和纯文本信息显示在显示器界面上。此外，司机也可以从HMI上获得所必须实施的操作指导说明。

严重故障（等级1）：严重影响列车运行的故障，可能导致乘客和车辆出现危险，司机需对故障进行确认和立即处理。如果故障不能及时排除，列车需要在运行的下一站进行清客，空车回库以解决故障。

中等故障（等级2）：影响列车运行的故障，司机需对故障进行确认和立即处理。如果故障不能及时排除，列车则需在完成本次单程运营后退出运行图，空车回库以解决故障。

轻微故障（等级3）：不影响运行的故障，可以在列车运营结束后回库再处理。

2.4 其他电气系统

地铁列车中的乘客信息与显示系统、空调控制系统和车门控制系统控制电路较为成熟，已经有规范化的控制电路。信号系统与地面信号系统组成庞大的设备体系，不作详细分析。

图7 TCMS网络拓扑结构

3 列车电气系统的主要技术特点

（1）北京地铁14号线采用国产化信号控制系统，具有自动驾驶（ATO）功能。

（2）列车牵引系统性能优良，使用铝制材质实现较高的功率/质量比，从而节省能耗。牵引系统可承受供电电压范围为DC 1 000 V～DC 1 800 V。

（3）TCMS采用分布式控制技术，分为两级：列车控制级、车辆控制级。列车总线和车辆级总线均采用通信线路双通道冗余设计，列车网络模块也采用相应冗余设计。

（4）整车蓄电池容量大，放电性能好。蓄电池控制电路确保正常情况下不会造成蓄电池亏电，提高了蓄电池使用寿命。列车无网压时，充分保证了紧急情况下的用电需求，能供给列车内部事故照明、外部照明、紧急通风、幅流风机、车载安全设备、广播、通信系统等工作45 min，并保证列车开关门一次及网压恢复时能保证辅助电源启动。

（5）列车设有过压吸收电阻，用于支撑从再生电制动到全空气制动间的短时电阻制动。