地铁车辆基于受电弓供电的控制策略研究及应用
赵小军 陈建 井宇航 尚江傲
摘 要：针对受电弓供电的地铁列车，在任何受电弓故障或意外停用的情况下，其他受电弓应能够给整列车供电，且不造成任何性能损失，提出几种多受电弓供电和双受电弓供电高压供电电路方案，从经济、安全、故障率等方面开展利弊分析，选择经济性好、可靠性高、安全性更优的高压电路方案进行工程应用，应用效果达到预期设计要求。
关键词：地铁列车;受电弓;主电路;高压母线
地铁车辆受电方式主要有受电弓和受流器受电两种方式。目前国内外受电弓供电多采用独立供电方式，即每个车辆单元配置1台受电弓，本单元受电弓仅给本单元列车VVVF（牵引逆变器）供电;也有个别项目采用并列式供电方式[1]，即母线贯通的方式，每个受电弓都给整列车VVVF提供供电。受电弓故障对地铁列车的正常运营造成严重影响[2]。进入新时期，地铁车辆在城市交通中所占的比重越来越大，逐渐成为城市居民出行的重要交通工具，与此同时，对地铁运营效率和质量也提出了更高的要求[3]。土耳其新机场线业主要求地铁列车在任何受电弓故障或受电弓意外停用的情况下，其他受电弓应能够给列车供电，而不会造成车辆任何性能损失。为了满足客户的要求，并提高车辆运营效率和服务质量，探讨地铁车辆基于受电弓供电的控制策略及应用，提出经济、安全、可靠的地铁车辆供电控制策略。
1 受电弓供电主电路
土耳其新机场线车辆为四编组车辆，列车编组为=A-B-B-A=，“=”表示全自动车钩，“-”表示半永久牵引杆，其中A车为带司机室的半动半拖车，一端转向架为非动力转向架，二端转向架为动力转向架，采用DC1500V受电弓供电。为了满足地铁列车在任何受电弓故障或意外停用的情况下，其他受电弓满足整列车正常供电需求，结合国内地铁列车受电弓供电方案，提出多受电弓供电和双受电弓供电主电路方案。
1.1 多受电弓供电
1.1.1 三受电弓供电
主电路供电拓扑结构示意图如图1所示，正常情况下，受电弓1和受电弓2分别对两个单元列车VVVF供电，受电弓3为备用弓;当某一个受电弓故障或意外停用的情况下，备用受电弓3升起，故障弓侧接触器KM闭合，另一侧接触器KM断开，由受电弓3为故障弓侧单元车VVVF供电。
1.1.2 四受电弓供电
主电路供电拓扑结构示意图如图2所示，正常情况下，受电弓1和受电弓2分别对两个单元列车VVVF供电，受电弓3和受电弓4为备用弓;当某一个受电弓故障或意外停用的情况下，故障弓单元备用受电弓升起，故障弓单元接触器KM闭合，由升起的备用受电弓为故障弓侧单元车VVVF供电。
1.2 双受电弓供电
1.2.1 DC1500V母线直接贯通
主电路供电拓扑结构示意图如图3所示，DC1500V高压母线通过跳接线缆直接贯通，受电弓1和受电弓2共同对整列车进行供电，当一个受电弓故障时，由另一受电弓承载整列车供电。
1.2.2 DC1500V母线控制贯通
主电路供电拓扑结构示意图如图4所示。正常工况下，受电弓1和受电弓2分别给两个单元车供电，当某一个受电弓故障或意外停用的情况下，通过控制母线接触器KM，实现DC1500V母线贯通，由单个受电弓承载整列车VVVF供电。
2 供电拓扑结构对比分析
针对上述几种高压主电路供电拓扑结构，从结构复杂度、安全性、可靠性、实施难度及经济性等角度进行对比分析。
（1）从拓扑结构复杂角度分析，双受电弓方案较简单，高压母线直接贯通方案结构最简单，三弓和四弓方案配置受电弓及母线接触器数量较多。
（2）从安全性角度分析，DC1500V母线直接贯通存在较大安全隐患，当某一供电分区在断电作业时，列车进入无电区与有电区之间，因高压母线贯通，就会将有电区的高压电接入无电分区，将可能对无电区设备或人员造成伤害。高压母线不贯通方案更加安全，如果设置高压母线，则高压母线贯通可控制比直接贯通安全。
（3）从经济性角度分析，受电弓及隔离装置成本较高，双受电弓方案较多弓方案更节约成本。
（4）从实施难度角度分析，三弓和四弓方案实施难度大，车顶设备安装较多，并且布线比较困难。
（5）从可靠性角度分析，弓网电接触受流方式已成为世界范围内铁路车辆获取动力最为可靠的方式[4]，受电弓的研究及应用已有100多年历史，目前国内外均有成熟可靠的高性能受电弓，可适应各种复杂恶劣的工作工况，并且受电弓故障率较低，因此备用弓的利用率非常小。
综上分析，各种方案优劣对比如下表所示：
综上对比分析，由于地铁列车是公共交通装备，故安全性、可靠性必须放在第一位，综合考虑经济性、实施难易程度因素，DC1500V母线控制贯通方案相对更优。
3 主电路控制及应用
土耳其新机场线车辆选择使用安全性高、经济性较优的DC1500V母线控制贯通主电路方案。当地铁列车控制系统（TCMS）监测到某个受电弓故障（包括意外停用）[5]时，通过司机室蜂鸣器进行声光报警，并在司机显示器（HMI）上提示司机某受电弓故障。当司机控制车辆停止后，在零速条件下，司机切除故障受电弓，当故障受电弓降落并觸发降弓指示器，非故障弓处于升起状态，列车TCMS系统控制DC1500V母线接触器闭合，实现高压DC1500V供电母线贯通。
土耳其新机场线车辆已完成整车试验验证，主电路及受电弓控制符合预期设计要求。满足在1个受电弓故障或意外停用情况下，另1受电弓可以为整列车提供供电，列车性能无损失。该地铁车辆主电路实施方案已获得用户认可，车辆已进行批量生产。
4 结语
DC1500V母线控制贯通主电路方案高效解决了土耳其新机场线地铁列车在任何受电弓故障或受电弓意外停用的情况下，其他受电弓能够给列车供电，且不会造成车辆任何性能损失的要求，并且为国内外地铁车辆设计提供了一种经济、安全、可靠的供电及控制策略。该种主电路可在国内外地铁车辆、轻轨等接触网供电车辆上应用，提高受电弓故障工况下车辆的利用率，提高车辆运营效率和服务质量。
参考文献：
[1]张兴宝.城轨车辆受电弓供电高压母线拓扑结构分析及设计探讨[J].电力机车与城轨车辆，2014，（1）：61-63.
[2]刘永发.地铁电客车受电弓常见故障原因分析及处理[J].科技风，2017（8）：297.
[3]王亚浩.地铁车辆受电弓故障分析与处理策略探讨[J].工程设备与材料，2019，（21）：125-126.
[4]吴广宁，周悦，雷栋，等.弓网电接触研究进展[J].高电压技术，2016，（11）：3495-3506.
[5]王颜明，陆嘉，尹凤伟.受电弓控制电路故障判断及应急故障处理[J].甘肃科技，2012（10）.
作者简介：赵小军（1987— ），男，陕西汉中人，硕士，工程师，研究方向：轨道交通产品设计及技术研发。
