地铁车辆辅助供电系统结构的分析

徐梅

南京地铁运营有限责任公司210012

【摘要】辅助供电系统是地铁车辆的重要组成部分，其功能的实现影响着地铁车辆运营的条件和服务的质量。本文分析和总结了几种车辆辅助供电系统的结构、功能及优缺点，展望了车辆辅助供电技术的发展方向。

【关键词】逆变器；交叉式；拓展式；中压母线；交流并网供电

1.地铁车辆辅助供电系统概述

辅助供电系统是地铁列车的重要组成部分，列车的各项负载离不开辅助供电系统，例如车厢内外照明、空调、空压机、牵引冷却风机等，这些负载的运行直接影响着车辆运营的环境和条件。

地铁车辆辅助供电系统的核心设备是辅助逆变器，我国早期采购的地铁列车每节车均有辅助逆变器，随着车辆技术不断发展，设备也在不断精简和轻便化。目前南京地铁列车一般由2个单元组成，以6节编组为例，每个单元均有辅助供电设备，南京地铁前期的一号线电客车每个单元有2个辅助供电设备，后期采购的电客车每个单元有1个辅助供电设备，可以看出设备的精简和集成化是发展的趋势。

地铁车辆供电分为高压、中压和低压，高压为1500V直流，中压为400/230V交流，低压为110V直流。高压通过受电弓受流为整个列车提供电源，用于牵引装置供电，同时通过辅助逆变器将其逆变为中压，用于列车所有中压设备供电，辅助逆变器也可将高压逆变整流成为列车低压设备所需的低压，另外辅助系统也为列车紧急情况下供电至少45分钟。

2.地铁车辆辅助供电系统结构

（1）高压部分

辅助高压母线作为连通两台辅助逆变器高压供电的备用高压母线，当一个受电弓出现故障时，另一个受电弓通过辅助高压母线向全车的辅助逆变器供电。每个辅助逆变器与辅助高压母线连接都接入辅助熔断器作为负载保护，辅助高压母线通过一个辅助二极管与牵引高压线隔离。

每个单元设一个1500VDC的车间电源插座/插头以代替受电弓向整列车辅助系统供电（如图1）。任何一个车间电源接通时均可向整列车辅助系统供电。车间电源供电与受电弓供电之间有联锁，以保证整列车任何时候只有一种供电。车间电源供电与牵引系统之间有联锁，以保证在任何时候，当由车间电源供电时牵引系统不能得电。

（2）中压部分

从结构上来看，列车中压供电部分最为复杂，其结构多样化。以南京地铁车辆为例，就有多种不同的供电结构，目前采用的有交叉式供电结构、分布式结合拓展式、交叉式结合拓展式等，这几种供电结构各有优劣。

南京地铁十号线列车中压供电网采用交叉式供电结构（如图2），该车辆为6节车编组，分2个单元，每个单元配有一套辅助逆变器，每个辅助逆变器输出1路AC400V，50HZ三相四线制交流电，贯穿整列车，每个辅助逆变器给本节单元的一半负载和另一个单元的一半负载供电。一旦单个辅助逆变器供电出现故障，整列车将只有一半的中压负载运行，每个车的空调一个保持通风，一个正常工作，各节车将失去一半负荷的供电，由另一个辅助逆变器对整列6节车辅助系统的负载设备提供一半负荷用电。其中空压机和牵引冷却风机例外，空压机的运行影响着列车的气供应和气制动，所以空压机的供电在此处的有冗余功能，可通过空压机的转换供电接触器进行切换到辅助三相供电线路，牵引风机的供电与此同理。

南京机场线列车采用了分布式结合拓展式的供电结构（如图3），机场线电客车为6节车编组，分2个单元，每个单元配有一套辅助逆变器，其中压供电方式与南延线及十号线电客车有所不同，如果十号线采用的为交叉式供电方式，机场线电客车可以看做是分布式供电。每个辅助逆变器输出1路AC400V，50HZ三相四线制交流电，贯穿所在列车单元，构成1路辅助中压母线，两个辅助逆变器构成2条辅助中压母线，两条中压母线之间通过扩展接触器相连接。每个列车单元上的中压负载均匀的分布在中压母线上，正常情况下，各自单元的辅助逆变器给各自单元的中压负载供电。当其中一个辅助逆变器故障时，通过扩展接触器接通另一个单元的中压母线，并切断各节车的一个空调机组，此时整列车中压负载依赖于一个辅助逆变器的输出。在正常条件下，辅助逆变器能无故障地承受额定负载的阶跃变化，保护装置不能动作。

上述交叉式供电结构在布线上比分布式要复杂，当一个辅助逆变器故障时，交叉式供电网络将只有一半负载能过运行。而分布式供电结构的布线比较简单，在列车线跨接电缆的使用成本上有所降低，并能够减轻列车载重。当一个辅助逆变器故障时，会接通列车拓展接触器使2路三相中压母线接通，除一半空调负载外整列车的负载均能正常运行，对列车的整体环境不会造成大的影响，但同时对辅助逆变器的负载功率要求有所提高。后续地铁列车供电结构还有交叉式结合拓展式的结构（如图4），4个辅助逆变器并网运行，采用2路交叉式三相中压母线，使用列车拓展接触器控制2路中压母线的通断，大大提高了车辆的供电冗余度。相比传统的交叉式结构，其应对供电故障时的运行能力和负载分配能力有显著的优势。

3.结束语

车辆辅助供电系统中，高压和低压部分的结构和控制相对简单，中压供电结构相对复杂。所以一般的，中压供电部分的故障率要高于高压和低压部分。目前中压供电结构在不断优化，交叉式供电结构使用已比较成熟，而相对的拓展式供电的优势是一旦辅助逆变器故障时可以为全车负载供电，这也是将来供电技术发展的一个方向。

随着中压交流并网技术的提高，很多地铁列车的辅助供电系统都采用了交流并网供电技术，如图4所示可以看出在传统的交叉式供电结构上结合了交流并网供电技术，该技术可以可靠地应对各类供电故障情况，提升车辆供电的稳定性。相对于较传统的供电结构，在不久的将来中压交流并网供电会成为主流。