中低速磁浮列车高压电路设计

中低速磁浮列车高压电路设计

陈泽众 李铁

中车大连机车车辆有限公司 辽宁省大连市 116022

摘要：本文涉及到了一种中低速磁浮列车高压电路，其特征在于针对三编组（+Mc-M-Mc+）中低速磁浮列车，使列车具备第三轨供电和车间电源供电快速转换及合理的辅助供电冗余功能。

关键词：中低速磁浮列车 高压电路 并网供电 逻辑电路

1 前言

中低速磁浮列车作为国内近几年大热的新型城市轨道车辆，采用短定子常导技术，是一款具备转弯半径小、爬坡能力强、噪声小、绿色环保等优势的市域列车。列车采用DC1500V供电，轨道供电方式为三、四轨接触轨受流方式，正极轨供电、负极轨回流，供电轨绝缘安装，F轨起支撑导向等作用，运行时车辆悬浮且与轨道无接触。列车编组全部为动车，辅助供电系统除提供380V交流电、110V直流电外，还须提供330V直流电，供悬浮系统使用；根据用户需求不同，悬浮架设计为三编组到六编组不等，车下可提供设备安装空间及载重能力较其他形式城铁车辆稍显不足，因此，精简设备结构体积及轻量化是中低速磁浮列车设计时应考虑的重点。本文涉及到的一种中低速磁浮高压电路，其满足三编组（+Mc-M-Mc+）中低速磁浮列车的设计需求，使列车具有第三轨供电和车间电源动车的功能；具有DC110V、DC330V和AC380V辅助供电功能，同时具备高度的辅助电路冗余性、列车高压供电冗余性。

2 方案内容

目前国内外轨道交通采用的辅助供电技术主要以扩展供电和并网供电两种形式为主，扩展供电方式一般在每半列车设置一个辅助逆变器，每个辅助逆变器为相近的半列车提供交流电源，一旦一个辅助逆变器故障，另一个辅助逆变器将为整列车提供交流电源，同时减载；并网供电则是将列车上多个辅助逆变器同时挂在交流母线上，所有交流用电设备从交流母线上取电。中低速磁浮列车具备库用电源、受流器两种供电方式，供电切换通常采用车下控制开关箱手动控制，一是控制开关箱占用了安装空间，二是司机无法直接选择供电方式，需要与车下工作人员联络配合；悬浮系统担任着车辆载荷和平稳运行的重任，如悬浮系统出现故障则会造成车辆运营严重事故，保证悬浮系统正常工作同样也是车辆电气设计的重点。本文涉及到的三编组（+Mc-M-Mc+）时速160km/h中低速磁浮高压电路基于以上两点需求进行了重新设计，采用并网供电，其设计方案如下：

中低速磁浮列车Mc1、Mc2车装有库用插座，车间电源可为整车供电，Mc1、M、Mc2车装有受流器，均可从受流轨受电，DC1500V回路贯穿三编组车辆，高压DC1500V具备冗余能力，如某节车因受流器故障丧失受电能力，可通过高压母线从其余两编组获取DC1500V；列车采用并网供电形式，三台辅助逆变器同时连接在交流母线上，主逆变器启动后从逆变器分批次锁相启动，所有交流负载从交流母线上受电，一旦一台辅助逆变器故障，根据设计需求其余两台辅助逆变器容量足可满足整列车辅助供电，无需减载；充电机除通常的AC380V/DC110V整流功能外，同时直接从高压母线受电，具有DC1500V/DC330V逆变整流功能，DC330V充电模块通过DC330V配电柜A、B为悬浮负载与DC330V锂电池供电；中压DC330V回路与低压DC110V回路同样贯穿整列车，具备高度冗余能力。四轨供电及车间电源供电均可满足车辆运行条件。

高压分线电路设计取消了控制开关箱，改用逻辑电路控制供电方式切换，通过自锁、互锁电路实现防止受流器、车间电源及车间电源间同时供电的功能，减少了人工操作的步骤，电路设计安全可靠；高压隔离电路增加接地位，当充电机、辅助逆变器、高压电器柜需要断电检修时，闸刀开关断开正极的同时闭合接地位，代替了手动接地，简化放电电路设计。

3 设计实例

1. 列车三编组全部装有受流器，均可从受流轨受电，高压DC1500V回路贯穿整列车，Mc1、Mc2两节头车装有库用插座，车间电源可通过母线为整列车供电；高压DC1500V具备高度的冗余能力，每节车两对受流器互为冗余，当其中一对受流器故障时，另一对可以满足本节车供电需求；若某节车丧失受电能力时，本节车亦可通过DC1500V母线从邻车得电，以保证列车可安全行驶至车辆段进行故障检修。

采用并网供电模式，中压AC380V回路贯穿整列车，全车三台辅助逆变器与AC380V负载并联在中压母线上，正常情况下，所有辅助逆变器工作为整车交流负载供电。辅助逆变器容量设计已考虑冗余情况，一旦一台辅助逆变器故障，该辅助逆变器输出接触器断开将其从AC380V回路中切除，其余两台辅助逆变器可在无需减载的情况下为整车AC380V负载供电。

充电机包括AC380V/DC110V整流模块、DC1500V/DC330V逆变整流模块，其中DC1500V/DC330V逆变整流模块输出的330V直流电通过DC330V配电柜A为本车DC330V锂电池充电以及部分悬浮负载供电，DC330V配电柜B为其余悬浮负载供电；当车辆处于无高压工况下时，DC330V锂电池可作为应急电源保证车辆稳定悬浮15分钟以上。中压DC330V回路和低压DC110V回路同样贯穿整列车，如某台充电机出现故障时，其余两台充电机容量足以满足整车负载需求。

2. 高压分线电路采用逻辑电路代替控制开关箱控制供电切换，供电切换控制电路逻辑顺序具体如下（器件定义见图一）：

当正常位控制发出指令后，继电器J1线圈得电，J1b常开触点闭合，继电器K1线圈得电，K1b常开触点闭合，形成自锁，K1主触点闭合，1500V母线得电；继电器J1线圈、继电器K1线圈得电后，J1a、K1a常闭触点断开，形成互锁，防止正常位供电时误操作，导致正常位、库内位同时供电。

当库用位控制发出指令后，继电器J2线圈得电，J2b常开触点闭合，继电器K2线圈得电，K2b常开触点闭合，形成自锁，K2主触点、K2d常开触点闭合，车间电源继电器KM线圈得电，KM常开触点闭合，1500V母线得电；同理，继电器J2线圈、继电器K2线圈得电后，J2a、K2a常闭触点断开，形成互锁，防止正常位、库用位同时供电。

当Mc1车库用位工作时，K2d常开触点闭合，Mc2车继电器J3线圈得电，Mc2车J3常闭触点断开，车间电源DC110V+断开，继电器KM线圈失电，KM触点断开，Mc2车车间电源1500V断电，形成互锁，防止Mc1车、Mc2车同时车间电源供电。

当需要断开外部电源时，断开110V控制电，继电器K1、K2线圈失电，K1、K2主触点断开，1500V母线失电，完成断电操作。

取消控制开关箱，节省车下安装空间，同时供电方式切换一键完成，降低人为误操作的可能性，具有更好的安全可靠性。

图1 高压分线箱电路

3. 高压隔离电路：

高压隔离电路与充电机、辅助逆变器等设备之间连接除1500V+（P）、1500V-（N）母线外，增加一条连接至1500V-母线的地线（E）作为接地位，N级导通，接触器同时控制P级、E级开断状态；当设备需要断电时，接触器开断状态改变，P级断开同时将设备连接至接地位，构成放电电路。此设计将接地位移至高压隔离开关箱，代替了手动接地，简化放电电路设计。

4 结论

本文涉及的三编组（+Mc-M-Mc+）中低速磁浮列车高压电路目前已有实际应用，应用表明此电路设计精简合理，极大简化了供电切换操作程序，节省了安装空间，同时减少了误操作的可能性；供电方式采用并网供电，与扩展供电方式相比辅助系统设备体积较小，满足中低速磁浮列车车架安装空间不充足的对设备小型化提出的要求，同时充足的容量设计可保证某台设备故障时车辆无需减载运行，悬浮稳定性大大提升。本高压电路适用于DC1500V、AC380V、DC330V、DC110V等多种用电需求的中低速磁浮列车，目前仅应用在但不限于三编组型式，如车辆编组增加，其电路方案及设计思路依然可以沿用。

参考文献：

[1]杨毅.地铁车辆辅助供电系统论述[J].中国设备工程,2020(07):101-102.

[2]李建泉,冯晓云.中低速磁悬浮列车DC-DC变换器的研制[J].大功率变流技术,2009(04):1-4+43.

[3]王树宾.轨道列车辅助变流器供电方式分析[J].城市轨道交通研究,2019,22(05):44-46.