2021年电力电子科普征文大赛-鼓励奖作品

河北雄安轨道快线有限责任公司 王兴佳

一、 轨道交通行业发展概况

2020年度城市轨道交通协会统计分析报告显示，截至 2020 年底，中国大陆地区（以下涉及全国数据均指中国大陆地区，不含港澳台）共有 45 个城市开通城市轨道交通（以下简称城轨交通）运营线路 244 条，运营线路总长度 7969.7 公里。其中，地铁运营线路6280.8 公里，占比 78.8%；其他制式城轨交通运营线路 1688.9 公里，占比 21.2%。当年新增运营线路长度 1233.5 公里。

图1 2020各城市轨道交通线路长度

二、 轨道交通发展与电的渊源

历史上公认的首次电力机车载客是由德国发明家和企业家西门子完成的，时间是1879年，地点是在德国柏林的工业展览会上面，西门子公司铺设了一条长度约300米的环形铁路，采用DC150V三轨供电方式，1辆2.2kW的电力机车牵引三辆拖车，每辆拖车可载客6人，运行时速约13km,西门子公司这次试验非常成功，也开启了城市轨道交通的新篇章，时至今日，西门子公司仍是轨道交通领域的引领者。

世界上第一条地铁，于1863年1月10日建成通车。地铁车辆在伦敦市中心地底运行，至郊区在地面运行，其中地面运行线路占55%。

图2 伦敦地铁早期列车

北京地铁第一条线路于1971年1月15日正式开通运营 ，使北京成为中国第一个开通地铁的城市，截止2020年底，北京地铁开通799公里，是我国开通里程第二的城市。

三、 轨道交通列车的主要系统组成

我国高速铁路引进消化吸收在创新的技术发展历程，促进我国铁路高速列车制造技术发展的同时，也提升了我国城市轨道交通车辆的设计制造水平，中国中车已成为世界最大的轨道交通设备制造商。近些年我国在智慧城轨列车、下一代地铁列车、标准化地铁列车方面，都取得了丰硕成果，地铁列车正向着方便快捷、智能绿色、智慧节能的方向发展。

城轨关键系统主要包括牵引系统、辅助供电系统、列车网络控制系统、车体内装、转向架、制动系统、空调系统、车门、钩缓装置、受流装置、车辆电气、列车PIS系统、智能运维系统等系统组成。同时列车还搭载信号系统和通信系统，上述系统除个别系统外，多数系统与电气息息相关，接下来由笔者一一道来。

四、 轨道交通列车主要系统电气应用

（1）城市电网为轨道交通提供110kV或220kV电源的集中供电方式或10KV电源的分散供电方式，有些城市还采用混合供电方式。

图3 110kV集中供电系统

（2）我国城轨牵引系统多采用DC1500V和DC750V，采用三轨-受流器受流（图4）和接触网受电弓受流（图5）两种主要供电方式。北京、天津早期地铁项目多采用三轨供电方式，多数地铁线路采用接触网供电方式。

图4 受流器

图5 接触网受电弓受流

 （3）牵引系统接收来自接触网或三轨系统提供的电能，通过VVVF变频变压技术，将DC1500或DC750V直流转换成驱动交流电机的三相对称交流，实现VVVF控制的关键部件就是由IGBT组成的变频器，目前国内大部分地铁列车采用的是由英飞凌等知名品牌提供的IGBT，保证列车工作的高可靠性，可以实现列车牵引控制，同时也可以实现再生制动时的电能反馈控制。

图6 IGBT模块

（4）辅助供电系统接收来自接触网或三轨系统提供的电能，通过CVCF变频变压技术，将DC1500或DC750V转换为AC220V/380V 50HZ、DC110V、 DC24V电源。AC220V/380V为空压机、照明、空调、电暖器等负载提供交流电源；DC110V为列车牵引、制动、空调、辅助供电、列车网络等系统提供控制电源；DC24V为火灾报警系统、列车前照灯系统等提供电源。实现CVCF控制的关键部件依然就是英飞凌等知名品牌的IGBT组成的变频器。

图7 辅助供电系统

（5）列车网络控制系统，是车辆控制的核心系统之一，类似于飞机的“黑匣子”，具有列车各子系统状态显示、故障状态数据存储与显示、与信号、通信实时通信，实现列车自动控制与数据远程传输、在线显示等智能运行控制监测功能。列车网络系统一般源于辅助电源系统提供的DC110V电源，通过内部电源模块，转化成网络系统各模块所需的DC24V，AC24V、±5V等不同电压。

图8列车网络系统

（6）制动系统，列车制动系统类似于小轿车的刹车系统，为列车准确停车提供制动力，一般由牵引系统提供的电制动和制动系统提供的空气制动力组成。制动系统控制电源以DC110V直流电源和DC5V用于通信的直流电源为主。

图9 列车制动系统示意图

（7）空调系统，与家用空调系统功能类似，可以实现列车制冷和制暖功能，主电路采用AC380V，控制电源采用DC110和DC24V，通信电路一般采用DC5V。

图10 列车空调检修

（8）车门系统，通过门控器控制电机，实现车门开关功能，一般由DC110V电源供电，门控器内部电路转换为需要的控制电压和直流无刷电机驱动电源。

图11 列车车门

（9）列车PIS系统主要实现列车广播、CCTV监控、智能化服务等功能，通过摄像头、传感器、显示屏，实现列车乘客拥挤度显示、出入口显示等优质客运服务。

图12 列车拥挤度显示

     （10）列车智能运维系统，通过通信技术、传感器技术、智能运维技术、智能分析技术、大数据技术等新兴技术，实现列车在途状态显示，故障报警、智能运维等功能，提高列车运行可靠性，降低列车运维成本。

图13 列车智能运维系统

五、 综述

城市轨道交通列车为我们出行提供了方便快捷、安全舒 适的出行服务，伴随着智能化、5G通信技术、全自动驾驶技术、智能运维技术的发展，轨道交通列车将更加智能、绿色、环保、低碳，是我们实现双碳目标的重要交通出行方式。