一種解決時(shí)速120km地鐵列車跳弓導(dǎo)致過壓過流問題的方法

許南南+廖云+曹俊+閆柏輝

摘 要：隨著城市化進(jìn)程加快，越來越多的城市采用120km/h甚至更高速度等級(jí)地鐵車輛，高速地鐵車輛在帶來快速便捷高效的同時(shí)，也存在諸多潛在問題，本文就高速運(yùn)行列車在出隧道時(shí)出現(xiàn)的弓網(wǎng)跳變所帶來的過壓過流問題進(jìn)行了分析，同時(shí)提出了解決辦法。

關(guān)鍵詞：120km/h；地鐵；跳弓；過壓；過流

0引言

隨著我國城市化進(jìn)程加快，城市規(guī)模越來越大，同時(shí)城市骨干交通樞紐比如機(jī)場、高鐵站大都分散在城郊地區(qū)，原有的80km/h速度等級(jí)車輛已經(jīng)無法滿足長遠(yuǎn)距離、快速旅行的要求，因此，120km/h速度等級(jí)地鐵車輛應(yīng)運(yùn)而生，目前個(gè)別大城市正在規(guī)劃140km/h甚至更高速度等級(jí)地鐵車輛。高速地鐵車輛為我們帶來了快捷的同時(shí)，其自身也存在些新的問題，本文就地鐵車輛在高速運(yùn)行過程中出現(xiàn)跳弓問題，導(dǎo)致車輛牽引逆變器VVVF中間直流過壓的問題進(jìn)行了分析，并提出了新的解決辦法。

1 地鐵車輛受電情況簡述

國內(nèi)目前受電弓受電線路的供電普遍采用一下方式進(jìn)行受電：

隧道內(nèi)采用剛性懸掛，接觸線至軌頂面的高度為4040mm，最小高度為4000mm；

隧道外采用柔性懸掛，接觸線至軌頂面的高度一般為5000mm，暫定最小高度為4400mm，最大高度5700mm（月檢庫）。

可以看出當(dāng)車輛在進(jìn)出隧道的過程中，受電弓的弓頭高度會(huì)至少有400mm左右的變化，特別是在出隧道時(shí)受電弓弓頭會(huì)出現(xiàn)一個(gè)抬升，受電弓會(huì)與接觸網(wǎng)有一個(gè)“撞擊”的過程，這可能會(huì)導(dǎo)致接觸網(wǎng)受力后震蕩，最終出現(xiàn)弓網(wǎng)離線，也就是跳弓。這個(gè)過程在80km/h速度等級(jí)車輛上已經(jīng)存在，但由于120km/h速度等級(jí)車輛的速度等級(jí)更高，出隧道時(shí)隧道內(nèi)外的氣壓壓差更大，因此弓網(wǎng)撞擊過程更加劇烈，極端情況下，跳弓導(dǎo)致的弓網(wǎng)電壓瞬間突變600V以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于80km/h速度等級(jí)的300V以下的電壓突變。

如果出現(xiàn)其他車輛導(dǎo)致的電網(wǎng)震蕩幅度更大，那么到車輛端的網(wǎng)壓跳變就會(huì)更嚴(yán)重。

2 地鐵車輛高壓電路簡介

以國內(nèi)目前典型的高壓電路進(jìn)行說明，高壓電路原理圖如下圖2-1所示。

2.1 母線設(shè)計(jì)說明

A車、B車和C車組成一個(gè)動(dòng)力單元；另一個(gè)動(dòng)力單元與之完全對(duì)稱。兩個(gè)動(dòng)力單元之間牽引供電母線完全隔離，輔助供電母線互連，在輔助供電母線設(shè)置隔離二極管1D01，防止本動(dòng)力單元牽引電源接入到另外動(dòng)力單元的牽引回路。

HB1、HB2作為單元內(nèi)受電弓高壓送入B車、C車VVVF系統(tǒng)的牽引母線的短路接地保護(hù)。

2.2 高壓輔助母線說明

高壓輔助母線可保證列車在只有一個(gè)受電弓升弓或者跳弓時(shí)，輔助供電持續(xù)；車間電源供電時(shí)兩端輔助電源同時(shí)得電。

因此，該高壓主電路設(shè)計(jì)，能保證在出現(xiàn)跳弓時(shí)，使全列車輔助系統(tǒng)正常供電，弓網(wǎng)正常的動(dòng)力單元牽引系統(tǒng)正常供電，也能保證列車安全通過線路上的任何一處接觸網(wǎng)電分段區(qū)。

但一旦車輛出現(xiàn)跳弓，則個(gè)別牽引VVVF逆變器則會(huì)出現(xiàn)短暫的電壓下降。

2.3 牽引VVVF主電路說明

每輛動(dòng)車配置一臺(tái)VVVF逆變器，逆變器內(nèi)裝有1個(gè)IGBT變流器模塊，1個(gè)牽引控制單元（DCU），變流模塊驅(qū)動(dòng)2個(gè)轉(zhuǎn)向架上的4臺(tái)電機(jī)。

VVVF逆變器采用兩電平電壓型直-交逆變電路， 1500V直流電壓經(jīng)高壓電器箱、濾波電抗器送入到VVVF逆變器，經(jīng)逆變器輸出三相變頻變壓的交流電，為異步牽引電動(dòng)機(jī)（1M01～1M04）供電。電壓傳感器VH1檢測直流網(wǎng)壓Ud，VH2檢測逆變器上的電容器中間電壓Uc；電流傳感器LH1、LH2檢測直流回路電流Id，LH3、LH4檢測逆變器輸出電流，LH5、LH6檢測斬波電流。

3 電容電感伏安特性

VVVF逆變器中設(shè)置電抗器L和電容器C來抑制電流和電壓的突變，并且抑制VVVF逆變器再生時(shí)諧波對(duì)電網(wǎng)的干擾，因此現(xiàn)有的VVVF設(shè)備本身就可以抑制一部分電壓和電流的突變。

但如果電網(wǎng)電壓突變情況很嚴(yán)重，且此時(shí)在牽引工況時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)壓和中間電壓的同步降低，當(dāng)跳弓結(jié)束后，弓網(wǎng)電壓又恢復(fù)，此時(shí)，因?yàn)榫W(wǎng)壓與中間電壓之間存在壓差，則此時(shí)直流電流是在增大的過程，因?yàn)殡娍蛊鱈的限制，其有一個(gè)上升斜率，根據(jù)電路原理中，電抗器L會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)的反電動(dòng)勢。公式如下：

U=L*di/dt，可以看到由于阻礙電流變化，因此感應(yīng)電動(dòng)勢加在電容C兩端，這就使得電容上的電壓快速上升，并達(dá)到牽引開通斬波降壓的門檻，但由于受開通頻率限制，每兩次開通之間必須間隔2ms，這就會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)能量在這2ms內(nèi)無法被消耗的問題，此時(shí)感應(yīng)電壓加在電容C上面，報(bào)出中間直流過壓故障和逆變過流故障，牽引跳開高速斷路器保護(hù)。

4 依據(jù)電壓、電流變化趨勢提前保護(hù)

由公式U=L*di/dt，因此，可以依據(jù)di/dt的值來在沒有達(dá)到斬波開啟門檻值之前提前開啟斬波，以提前消耗掉此部分感應(yīng)能量，來解決中間直流過壓和逆變過流問題。以國內(nèi)某項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)營情況時(shí)所報(bào)故障為例進(jìn)行分析：

可以看到網(wǎng)壓（紅色）出現(xiàn)了波動(dòng)，中間電壓（藍(lán)色）也跟隨網(wǎng)壓進(jìn)行波動(dòng)，直到出現(xiàn)了網(wǎng)壓瞬間抬升（從1000V抬升至1600V左右），此時(shí)中間直流電流正向變大，可以看到在中間電壓上升至最大時(shí)，逆變電流（黃色）也最大。

中間電壓增大的原因有兩點(diǎn)：①電容充電過程；②電抗器L的感應(yīng)作用?？梢钥吹皆诰W(wǎng)壓比中間電壓高時(shí)di/dt為正值；此后由于電抗器L的續(xù)流作用，di/dt為負(fù)值，根據(jù)U=L*di/dt，可以看出為了阻礙直流的變化，此時(shí)電抗器感應(yīng)電壓會(huì)加在電容器上；目前的牽引斬波控制理論是，在檢測到中間電壓Ud達(dá)到一個(gè)門檻值后再開啟斬波，但由于牽引斬波門檻本身較高，再加上受斬波頻率限制，中間電壓持續(xù)升高，進(jìn)而造成出現(xiàn)了中間電壓過壓和逆變過流保護(hù)。

既然故障原因已經(jīng)明確，那就可以通過檢測網(wǎng)壓Ud、中間電壓Uc、直流電流Id來進(jìn)行一個(gè)綜合的邏輯控制和診斷，來提前避免故障發(fā)生。

DCU目前的采樣頻率為40μs，1ms內(nèi)可以采樣25個(gè)點(diǎn)，以1ms為一個(gè)計(jì)算點(diǎn)，通過監(jiān)測Ud、Uc和Id

假設(shè)在開始時(shí)刻，電流值為Id1，在1ms后，測量電流值為Id2，則di/dt=（Id2- Id1）；若di/dt>10A/ms，且持續(xù)10ms。中間電壓值為Uc1，在1ms后，測量電流值為Uc2，則du/dt=（Uc2- Uc1），若du/dt>20V/ms，且持續(xù)10ms；

且檢測到△U=Ud-Uc，△U在不斷縮小時(shí)，直流電流Id在一個(gè)較大的絕對(duì)值，可以提前開啟制動(dòng)電阻進(jìn)行斬波，以抑制電抗器L所帶來的感應(yīng)電壓造成中間直流過壓，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變過流的規(guī)避。

5、結(jié)語

本文結(jié)合國內(nèi)地鐵車輛典型高壓電路和牽引主電路原理圖，從電路原理中電容、電感儲(chǔ)能原件的特性出發(fā)，提出了一種根據(jù)電壓、電流變化率，并結(jié)合電壓、電流絕對(duì)值的方法來解決車輛受電弓跳弓問題所帶來的牽引中間直流過流跳高斷的保護(hù)的問題。為后續(xù)更高速度地鐵車輛出現(xiàn)弓網(wǎng)關(guān)系不匹配出現(xiàn)跳弓時(shí)，可能所帶來的過壓等問題提供了參考解決辦法，同時(shí)也從電路原理角度提供了依據(jù)電壓、電流變化率實(shí)施提前保護(hù)的方法。