蓄電池牽引功能在成都地鐵既有電客車上的應(yīng)用研究

鄧小東， 陶 波， 楊 帆

(成都地鐵運(yùn)營有限公司， 成都 610000)

2009年9月開通的北京地鐵4號(hào)線電客車是國內(nèi)首列具備蓄電池牽引的車輛，采用的龐巴迪牽引系統(tǒng)，主要功能是在庫內(nèi)移車，可在平直軌道以不高于5 km/h的速度運(yùn)行1 000 m。

2016年底投入運(yùn)行的北京地鐵16號(hào)線是國內(nèi)首條具備正線蓄電池牽引功能的地鐵線路，正線發(fā)生高壓主電路牽引故障時(shí)，電客車可利用蓄電池緊急牽引運(yùn)行至最近的車站。

國內(nèi)目前具備蓄電池牽引技術(shù)的地鐵電客車項(xiàng)目部分統(tǒng)計(jì)如表1所示。

1 成都地鐵電客車的現(xiàn)狀

目前成都地鐵電客車在檢修過程中經(jīng)常需要轉(zhuǎn)換不同的檢修股道。被檢修的電客車往往不能升弓采用自身的動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)車，因此除可采用調(diào)車用工程車牽引外還可采用其他地鐵列車牽引移車。但在人員(工程車司機(jī)或電客車司機(jī))和設(shè)備繁忙或缺少時(shí)會(huì)造成不便于移車操作的問題。電客車的輔助電氣系統(tǒng)都自帶有蓄電池，其主要作用為照明、通風(fēng)、安全設(shè)備、通訊系統(tǒng)的后備供電。因此可以研究以蓄電池的能量用于電客車的牽引，實(shí)現(xiàn)電客車的短距離庫內(nèi)移動(dòng)，便于在庫內(nèi)的不同檢修股道之間的轉(zhuǎn)換。

成都地鐵已開通1、2、3、4、7、10號(hào)線，而這些線的電客車均沒有蓄電池牽引功能。下面以成都地鐵1號(hào)線電客車為例進(jìn)行研究。

成都地鐵1號(hào)線電客車為采用兩個(gè)動(dòng)力單元(Tc×Mp×M)組成的6編組列車(Tc1×Mp×M1× Tc2×Mp2×M2)，其中拖車自重約32 t，Mp動(dòng)車自重約36 t，M車動(dòng)車自重約35 t，對(duì)動(dòng)車采用車控的方式，每個(gè)單元的輔助電氣系統(tǒng)采用76節(jié)160 Ah的堿性蓄電池，蓄電池單節(jié)標(biāo)稱電壓1.2 V。

2 電氣原理的改造

2.1 電氣原理圖

使用Mp車的牽引電機(jī)作為牽引的動(dòng)力源，將蓄電池應(yīng)急牽引轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)換至牽引位后，啟用蓄電池牽引功能，電路與高壓斷開，并將蓄電池接入Mp車變流器中的輸入直流回路。通過TIMS控制蓄電池牽引接觸器閉合，同時(shí)TIMS發(fā)出蓄電池牽引工況指令給牽引變流器，牽引變流器得到蓄電池的電源后，將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，驅(qū)動(dòng)4臺(tái)交流牽引電動(dòng)機(jī)，完成牽引動(dòng)作。蓄電池牽引原理見圖1。當(dāng)列車處于蓄電池牽引狀態(tài)時(shí)，TIMS系統(tǒng)對(duì)蓄電池電壓、蓄電池放電電流、蓄電池溫度進(jìn)行檢測(cè)。為了保證列車蓄電池牽引后能夠升弓、合主斷，當(dāng)蓄電池端電壓下降至80 V時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，并斷開蓄電池牽引接觸器。蓄電池應(yīng)急牽引時(shí)，因與高壓斷開，輔助逆變器停止工作。

圖1 蓄電池牽引電氣原理圖

2.2 新增部件

斷路器QF100:防止?fàn)恳龝r(shí)電流過大而損壞蓄電池；

庫內(nèi)牽引轉(zhuǎn)換開關(guān)MSX：是將蓄電池和變流器連到一起的控制轉(zhuǎn)換指令設(shè)備；該開關(guān)打到"1"位后，各系統(tǒng)以此判斷進(jìn)入蓄電池牽引工況。

蓄電池牽引接觸器KMP：將蓄電池的電能輸送到牽引變流器中的連接主線上的接觸器；

輔材：導(dǎo)線、接線端子等若干；

蓄電池牽引控制軟件：列車將新增一套蓄電池牽引控制軟件，以此來實(shí)現(xiàn)牽引控制與保護(hù)。

為實(shí)現(xiàn)蓄電池牽引功能，可在現(xiàn)有電路不變的情況下，按圖1新增電氣線路。為便于改造，采用模塊化的方式，把新增部件單獨(dú)集成在一個(gè)箱體內(nèi)，在地面完成蓄電池牽引電氣箱的制造，現(xiàn)場(chǎng)改造只需完成對(duì)箱體的安裝接線，單獨(dú)新增一套控制算法以及軟件，并可單獨(dú)對(duì)該工況進(jìn)行調(diào)試?？梢?，新增部件不多且改造不會(huì)對(duì)原來的電氣線路以及控制產(chǎn)生不利影響。

3 分析計(jì)算

以1個(gè)動(dòng)力單元來分析蓄電池牽引時(shí)的牽引特性。

由列車牽引計(jì)算可知，在空車的情況下，列車起動(dòng)阻力不到7 kN，結(jié)合牽引電機(jī)的特性，列車在蓄電池牽引工況可按以下曲線(圖2)來控制列車的牽引性能。

蓄電池庫內(nèi)移車時(shí)，電客車一般為空車，因此車上的照明、通風(fēng)等用電設(shè)備均可以不開啟。由圖2可知，蓄電池牽引時(shí)列車所需軸功率為16.67 kW(牽引力20 kN，速度3 km/h)，考慮蓄電池容量的不確定性，同時(shí)蓄電池要留有足夠容量用于升弓，列車如使用現(xiàn)有的160 Ah蓄電池組，蓄電池在充滿狀態(tài)下，按1小時(shí)容量120 Ah，平均放電電壓約為85 V，1 h放電電能120 Ah×85 V=10.2 kWh(視為蓄電池的放電能力)，在考慮牽引變流器的效率(0.95)和牽引電機(jī)的效率(0.92)情況下，理論上可以估算出列車在平直道上(AW0載荷)可以移動(dòng)距離大約為10.2 kWh×0.95×0.92/16.67 kW×3 km/h=1.6 km。能達(dá)到在平直道上蓄電池牽引1 000 m 的要求。為了實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的牽引距離，可以考慮加大蓄電池容量的方案。

目前成都地鐵1號(hào)線檢修基地由紅花堰車輛段和紅星路停車場(chǎng)兩部分組成，每個(gè)場(chǎng)段內(nèi)的股道分為A區(qū)域和B區(qū)域，各區(qū)域各檢修股道長(zhǎng)約為120米。兩區(qū)域之間的間距約為5 m。由于紅星路停車場(chǎng)比紅花堰車輛段面積范圍要大，因此我們以紅星路停車場(chǎng)來看，紅星路停車場(chǎng)31條檢修股道分布在250 m的范圍以內(nèi)，各道岔離檢修區(qū)域均在50 m范圍以內(nèi)。檢修區(qū)域示意圖見圖3?？梢?，使用蓄電池牽引不但可以完成從A區(qū)域到B區(qū)域的調(diào)車作業(yè)，在不同股道之間，還可以完成從最遠(yuǎn)股道到最近股道之間(無論A區(qū)域或B區(qū)域)轉(zhuǎn)換的調(diào)車作業(yè)。

圖2 牽引特性曲線

圖3 檢修區(qū)域示意圖

4 結(jié) 論

國內(nèi)多型機(jī)車、電客車均設(shè)有蓄電池庫內(nèi)牽引的功能，因此該項(xiàng)技術(shù)已屬于成熟技術(shù)，風(fēng)險(xiǎn)性較小。若成都地鐵電客車加裝蓄電池牽引功能，利用原動(dòng)車上的牽引變流器進(jìn)行變流轉(zhuǎn)換，新增電器部件不多，調(diào)整好相關(guān)的軟件后，不需要出動(dòng)工程車就能滿足檢修庫內(nèi)電客車不頻繁調(diào)車的需要，可以適當(dāng)減少場(chǎng)段調(diào)車機(jī)車的配置數(shù)量，大大節(jié)約設(shè)備成本和人力成本，具有較大的實(shí)用意義。建議在電客車上推廣蓄電池牽引功能。