第三軌供電方式下提高列車通過無電分區(qū)能力的方案

彭 飛 馬 力

(1. 昆明地鐵運營有限公司， 650504， 昆明； 2. 昆明鐵道職業(yè)技術學院， 650208， 昆明//第一作者，高級工程師)

受線路條件限制，采用第三軌供電方式時正線、折返線、存車線等有道岔的位置存在一定長度的無電區(qū)。列車在通過無電區(qū)時，受流器集電靴與第三軌之間會產(chǎn)生拉弧，進而灼傷第三軌端部彎頭；同時，列車也會發(fā)生欠壓、過壓、過流等故障。不僅維護保養(yǎng)費用高，而且存在安全隱患。因此，有必要采取技術措施，提高第三軌供電方式下列車通過無電分區(qū)的能力。

1 列車通過無電區(qū)時的工況分析

采用第三軌供電的地鐵列車通過無電區(qū)時的電路情況如圖1所示。列車主電路中設置了中間直流充電電路。正常情況下，列車從第三軌取流，短接接觸器KM1斷開，預充電接觸器KM2閉合，電流依次通過R1(充電電阻)、KM2、FL(電抗器)，向FC(支撐電容)充電。FC充電完成后，KM1閉合，KM2斷開，充電回路斷開，直接向牽引逆變器供電。當列車進入無電區(qū)時，集電靴與第三軌端部彎頭之間會劇烈拉弧燒傷，中間直流電壓UC隨著牽引逆變器的消耗而迅速下降。當UC低于牽引系統(tǒng)欠壓保護門檻值Uth時，牽引系統(tǒng)上報欠壓故障。

圖1 采用第三軌供電地鐵列車的電路示意圖

如列車進入無電區(qū)到牽引系統(tǒng)保護所需的時間tp小于或等于列車通過無電區(qū)的時間tf，則牽引系統(tǒng)啟動保護，斷開KM1，輔助系統(tǒng)充電機也因欠壓而停機，全車輔助系統(tǒng)及所有車載輔助設備均由XDC(蓄電池組)供電。列車重新進入有電區(qū)后，需完成消除電機磁場、主電路充電、建立電機磁場、建立電機轉矩等一系列工作，才能恢復牽引能力?？梢姡熊嚮謴蜖恳芰臅r較久，甚至直接影響列車進站對標停車。而且，牽引系統(tǒng)頻繁的保護動作也將損害相關電器元件的壽命, 降低系統(tǒng)的可靠性。

如果tp大于tf，則牽引系統(tǒng)不會進行保護，其各電器元件狀態(tài)保持不變。當列車再次進入有電區(qū)間時，UC比網(wǎng)壓U0小很多，電網(wǎng)電流將通過KM1、FL直接涌入FC，充電保護電路相當于失效，UC急劇上升，因LC振蕩，中間電壓可升至1 000 V以上。此時，牽引系統(tǒng)極易發(fā)生直流電流過流及直流電壓過壓等故障。一旦發(fā)生此類故障，高速斷路器將立即跳斷,輔助系統(tǒng)同樣會失電。

綜上所述，UC因網(wǎng)側失電和逆變側的消耗而快速下降，形成了較大壓差，從而使列車在通過無電區(qū)時存在諸多問題。所以，消除壓差是解決問題的關鍵。

2 提高列車通過無電分區(qū)能力的方案

2.1 方案比選

方案一：列車通過無電區(qū)時，司機手動分斷主斷路器。該方案增加了主斷路器的動作次數(shù)，縮短了主斷路器的使用周期，存在負載電路隔離不徹底，操作失誤等風險。

方案二：在列車上增加受流器，將全車主回路貫通。昆明地鐵3號線就采用了該方案。該方案會大幅增加生產(chǎn)及維修成本，不僅不能確保全車不會進入無電區(qū)，而且場內(nèi)調車作業(yè)還存在竄電風險。

方案三：利用直接轉矩控制算法快速響應的特點，確定列車進入無電區(qū)的準確位置，及時將列車動能轉化為電能，產(chǎn)生預期的、恒定的、略低于網(wǎng)壓的UC，并且保持UC在以輔助電源系統(tǒng)為負載的條件下的穩(wěn)定性。昆明地鐵1、2號線列車采用了直接轉矩控制方式，使問題得以解決。但受列車、軌道線路、第三軌等綜合條件的影響，列車進出無電區(qū)的具體位置是動態(tài)變化的，無法以某個具體位置來精確控制。

方案四：列車以自適應的方式進行恒定低電壓制動后通過無電區(qū)。該方案不需硬件設備費用及二次投入的人力費用，不受受流器安裝位置的限制，只需在對牽引主回路及邏輯控制上考慮電流涌入的保護，即可實時地自動調整，從而適應外部條件的變化。其在對列車及第三軌的保護上都具有很大優(yōu)勢。

由上述分析可見，方案四(恒定低電壓制動控制方案)的優(yōu)勢較為明顯，為最優(yōu)方案。

2.2 恒定低電壓制動控制方案論證

當列車只有1個單元失電通過無電區(qū)時，有：

WSR+WTC=WSC+WXH

式中：

WSR——列車駛入無電區(qū)時的初始動能；

WTC——仍能提供動力的動車所輸出的能量；

WSC——列車通過無電區(qū)時輸出的能量；

WXH——整列列車在無電區(qū)中因各類阻力、機械損耗及轉換效率等消耗的能量。

此時，輔助系統(tǒng)能取電，不需能量補足，主要依靠WTC就能使列車正常通過無電區(qū)。

當列車全車失電通過無電區(qū)時：

WSR=WSC+WXH+WFZ

式中：

WFZ——整列列車輔助系統(tǒng)消耗的能量。

此時，只要保證WSR就能使列車正常通過無電區(qū)。

以上兩種情況，均可采樣UC作為反饋，利用列車再生制動的基礎條件和直接轉矩控制的優(yōu)點來把控恒定低電壓制動投切的時機，通過控制牽引電機電制動力來獲得預設且穩(wěn)定的UC。

首先，必須確定進入恒定低電壓制動狀態(tài)時電機的轉速、轉矩范圍以及電制動力的限制范圍。這是判斷列車進入和退出恒定低電壓制動模式的前提條件。

2.2.1 進入恒定低電壓制動模式的條件

恒定低電壓制動模式是為了讓列車可靠通過無電區(qū)。在實際運用中，條件最復雜、最困難的無電區(qū)就是在運營線兩端的折返線。因此，只要列車能可靠通過兩端折返線，就能滿足正線的需求。

經(jīng)分析，列車進入恒定低電壓制動模式需滿足以下條件：

(1) 根據(jù)實際情況，確定UC的正常值，明確輔助系統(tǒng)對UC的需求。選取進入恒定低電壓制動模式的動作電壓門檻值Umin作為判斷依據(jù)之一。只有UC低于Umin時，才允許列車進入恒定低電壓制動模式。

(2) 根據(jù)實際情況，確定中間直流電流的最小變化量。選取進入恒定低電壓制動模式的動作電流門檻值Imin作為判斷依據(jù)之一。只有中間直流電流變化量在1個信號周期內(nèi)大于Imin時，才允許列車進入恒定低電壓制動模式。

(3) 確定UC變化率的門檻值。只有UC變化率大于門檻值時，才允許列車進入恒定低電壓制動模式。

(4) 設列車2個單元都掉入無電區(qū)時的列車最小初速度為vmin。只有初速度大于vmin時，才允許列車進入恒定低電壓制動模式。

(5) 區(qū)分列車進入無電區(qū)時的工況。在制動工況下，首先應滿足制動需求，不疊加低電壓制動，確保沖擊值不超限；在惰行工況時，列車不進入恒定低電壓制動模式；列車僅在牽引工況時才能進入恒定低電壓制動模式。

只有當上述條件全部滿足時，列車才能進入恒定低電壓制動模式。此外，還要考慮再生制動對UC的反饋速度等諸多因素，以精準控制列車恒定低電壓制動模式的投切時機。

2.2.2 退出恒定低電壓制動模式的條件

(1) 恒定低電壓制動產(chǎn)生的UC低于第三軌電壓值。設定動作電壓Umax，當檢測到UC大于Umax時，列車退出恒定低電壓制動模式，恢復正常工作狀態(tài)。

(2) 為避免恒定低電壓制動時間過長導致列車停車，或是網(wǎng)側電壓不穩(wěn)導致恒定低電壓制動不能及時退出，設定恒定低電壓制動模式的最長工作時間tmax。當恒定低電壓制動模式工作時間大于tmax時，列車自動回到正常狀態(tài)。

以上兩個條件，只要滿足其中一個，列車都必須退出恒定低電壓制動模式，以確保其及時回到正常狀態(tài)。

2.3 方案實施及驗證

按照恒定低電壓制動方案的思路，對牽引包的邏輯控制及列車網(wǎng)絡控制進行調整，并在昆明地鐵1、2號線多列列車上進行調試、試驗和參數(shù)比選，從而對方案的正確性、可行性和穩(wěn)定性進行驗證。試驗列車的牽引電機為18邊型直接轉矩控制的交流異步電機。試驗的主要技術指標如表1所示。

表1 恒定低電壓制動方案試驗的主要技術指標

圖2是所測列車從有電區(qū)→無電區(qū)→有電區(qū)過程的完整實測電壓波形圖。由圖2可以看出：無電區(qū)內(nèi)的中間直流電壓可以精確地穩(wěn)定在680±5 V以內(nèi)；從實際進入無電區(qū)到控制器完全進入恒定低電壓制動狀態(tài)用時20 ms，從實際進入無電區(qū)到中間直流電壓被控制到預設值用時100 ms，從實際進入有電區(qū)到控制器完全退出恒定低電壓制動狀態(tài)用時25 ms；進入恒定低電壓制動狀態(tài)的過程中，電壓波動幅度較小，快速穩(wěn)定，速度平穩(wěn)地略微變慢；退出恒定低電壓制動狀態(tài)的過程中，電壓無過沖等異常，快速穩(wěn)定，速度能平穩(wěn)地恢復。

圖2 列車實測電壓波形圖

3 結語

由上述分析及實例驗證結果可見，恒定低電壓制動技術穩(wěn)定可靠、控制精度高，能夠適應復雜的實際工況，滿足列車技術需求，有效避免了列車通過無電區(qū)時易發(fā)生的欠壓、過壓、過流、第三軌端部彎頭燒損等故障。該技術已運用在昆明地鐵1、2號線共45列列車上。根據(jù)運營情況計算，可使每列列車節(jié)約上百萬元的新造和維修成本，還可為每條線路每年節(jié)約數(shù)十萬元的第三軌維修材料。

[1] 胡育文，黃文新，張?zhí)m紅，等.異步電機直接轉矩控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[2] 徐紹龍，倪大成，劉良杰，等.地鐵列車無電區(qū)微制動技術的研究與應用[J].機車電傳動，2013(1)：30.

[3] 汪國梁.電機學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[4] 彭飛，李家宇，韓春芳，等.電客列車檢修[M].成都：西南交通大學出版社，2015.

[5] 袁偉，楊振宇，王濤，等.變電檢修[M].成都：西南交通大學出版社，2015.

[6] 王桂梅，陳寶德，李建文，等.信號檢修[M].成都：西南交通大學出版社，2015.