城市軌道交通車輛牽引系統(tǒng)高速斷路器應(yīng)用研究

王清永, 李玉山, 姚文革, 齊鵬宇

(1 天津市地下鐵道運(yùn)營(yíng)有限公司， 天津 300222;2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司， 北京 100094)

城市軌道交通是運(yùn)量大、能耗低、污染少、快捷舒適、安全的綠色環(huán)保運(yùn)輸體系[1]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，為緩解城市交通擁擠狀況、改善人們出行條件、減少空氣污染、促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展，國(guó)內(nèi)部分大中城市相繼提出建設(shè)軌道交通項(xiàng)目。城市軌道交通車輛是軌道交通系統(tǒng)中的核心裝備，其牽引系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn)大、安全可靠性要求高，為保證車輛出現(xiàn)過(guò)流或短路等故障時(shí)不使故障蔓延至供電網(wǎng)絡(luò)，牽引系統(tǒng)保護(hù)器件的選型應(yīng)與供電網(wǎng)一級(jí)保護(hù)器件相互匹配，從而隔離故障車輛并保護(hù)車輛設(shè)備。主要對(duì)牽引系統(tǒng)中牽引變流器過(guò)流保護(hù)裝置——高速斷路器的功能、組成、工作原理等進(jìn)行了闡述，通過(guò)1 km平直道啟動(dòng)、運(yùn)行至停車仿真，分析主回路電流、車輛速度、車輛牽引力變化趨勢(shì)，從而確定主回路電流范圍。同時(shí)，建立牽引系統(tǒng)等效建模分析從而確定了牽引系統(tǒng)特殊工況下的電流值，為牽引系統(tǒng)參數(shù)選型提供工程計(jì)算依據(jù)。

1 牽引系統(tǒng)組成

城市軌道交通車輛受電主要以接觸軌或架空線兩種供電方式，電壓制式以DC 750 V及DC 1 500 V為主[2]。以某地鐵車輛線路牽引供電網(wǎng)及車輛供電系統(tǒng)組成為例，如圖1所示。牽引變電站將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為10 kV或35 kV中壓交流電，再降壓后作為整流裝置的輸入，整流裝置輸出DC 750 V或DC 1 500 V電壓。直流電壓通過(guò)接觸軌或架空線將能量傳遞至車輛，車輛通過(guò)受流靴或受電弓從直流電網(wǎng)受電，并通過(guò)輪軌接觸方式進(jìn)行回流。

為保證車輛及電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)安全,接入直流電網(wǎng)的設(shè)備應(yīng)具有過(guò)電壓及過(guò)電流保護(hù)。過(guò)壓保護(hù)通過(guò)避雷器與受電弓或受流靴下級(jí)負(fù)載進(jìn)行并聯(lián)，當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重過(guò)電壓時(shí)使負(fù)載旁路從而保護(hù)車輛設(shè)備。過(guò)電流保護(hù)以圖1系統(tǒng)為例，主熔斷器F0作為車輛上兩個(gè)牽引逆變器及兩個(gè)輔助逆變器負(fù)載的總過(guò)電流保護(hù)，其參數(shù)應(yīng)與上級(jí)牽引變電站主斷路器QF0參數(shù)匹配。同理，牽引變流器作為車輛核心部件，其過(guò)電流保護(hù)裝置也應(yīng)與上級(jí)主熔斷器F0參數(shù)進(jìn)行匹配。

2 高速斷路器特點(diǎn)及組成

(1)高速斷路器特點(diǎn)

牽引變流器主要由線路電抗器、功率半導(dǎo)體器件、功率電容器、直流高壓開(kāi)關(guān)、高壓電纜等器件組成[3]。其組成器件價(jià)格昂貴，過(guò)流耐受電流小，過(guò)流耐受時(shí)間短等特點(diǎn)。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流時(shí)應(yīng)盡快切斷故障電流，保護(hù)其主要部件，并隔離故障區(qū)域。

圖1 城市軌道交通車輛供電網(wǎng)及車輛系統(tǒng)

圖2 高速斷路器故障分?jǐn)鄷r(shí)間曲線

(2)高速斷路器組成

如圖1系統(tǒng)架構(gòu)，高速斷路器QF2、QF3屬于主熔斷器F0下級(jí)、牽引變流器前級(jí)保護(hù)器件。高速斷路器安裝在車體底部，根據(jù)系統(tǒng)集成方式不同可集成在高壓箱、牽引逆變器等箱體內(nèi)。高速斷路器組成主要包括絕緣框架、主電路、滅弧裝置、跳閘裝置、電控系統(tǒng)及輔助開(kāi)關(guān)單元等。

(3)高速斷路器脫扣原理

UR系列高速斷路器分為閉合與斷開(kāi)兩種狀態(tài)，其中閉合主要由電控系統(tǒng)完成，斷開(kāi)又分為電控分?jǐn)嗪瓦^(guò)流脫扣分?jǐn)唷?/p>

電控閉合指當(dāng)高速斷路器電控系統(tǒng)得電后其線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，并使內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相關(guān)動(dòng)作，可動(dòng)觸頭與固定觸頭相連使主回路導(dǎo)通，閉合時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械沖擊通過(guò)內(nèi)部緩沖裝置進(jìn)行吸收。

電控分?jǐn)嘀父咚贁嗦菲鞲鶕?jù)電控系統(tǒng)斷開(kāi)指令進(jìn)行主觸點(diǎn)的斷開(kāi)。過(guò)流脫扣分?jǐn)嘀府?dāng)高速斷路器流經(jīng)電流超出最大電流整定值時(shí),主回路線圈在斷路磁鐵中產(chǎn)生磁場(chǎng)配合內(nèi)部連鎖裝置使高速斷路器分?jǐn)?斷開(kāi)時(shí)的沖擊由緩沖裝置吸收，滅弧裝置進(jìn)行消弧，完成整個(gè)過(guò)流脫扣分?jǐn)唷?/p>

3 高速斷路器應(yīng)用分析

城市軌道交通車輛因車站間距短，線路站點(diǎn)多，牽引制動(dòng)頻繁，恒功區(qū)工作時(shí)間短等特點(diǎn)；車輛運(yùn)行工況復(fù)雜，作為復(fù)雜大系統(tǒng)其電流及相關(guān)參數(shù)很難進(jìn)行實(shí)測(cè)，因此在設(shè)計(jì)之初，仿真計(jì)算及系統(tǒng)等效模型分析尤為重要。

(1)高速斷路器主回路電壓

高速斷路器選型與牽引系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境、工況、主回路參數(shù)及控制回路接口匹配等相關(guān)。以圖1車輛系統(tǒng)為例，其所在城市海拔小于1 400 m，電壓制式為DC 1 500 V(+20%～-33%)額定電壓可選擇1 800 V等級(jí)的高速斷路器。

(2)高速斷路器控制回路設(shè)計(jì)

由于軌道交通輔助供電系統(tǒng)以380 V交流電及110 V直流電供電，高速斷路器控制回路選擇110 V直流控制電源。

高速斷路器控制回路完成電控閉合后，其控制回路應(yīng)轉(zhuǎn)至節(jié)能控制回路從而保護(hù)電控系統(tǒng)線圈過(guò)熱損壞。電控系統(tǒng)控制原理如圖3所示。F1為高速斷路器線圈保護(hù)斷路器；K1高速斷路器線圈控制接觸器；K2為高速斷路器節(jié)能電阻控制接觸器；R1為節(jié)能電阻；K1、K2接觸器在高電平時(shí)吸合。電控系統(tǒng)閉合命令與高速斷路器主觸點(diǎn)閉合延遲時(shí)間t0約為70 ms，t1為節(jié)能電阻接入延遲時(shí)間約為500 ms，節(jié)能電阻串聯(lián)至電控回路后完成高速斷路器整個(gè)電控閉合過(guò)程。電控分?jǐn)鄷r(shí)斷開(kāi)圖3中K1接觸器即可。

圖3 電控系統(tǒng)控制原理

(3)高速斷路器電流參數(shù)選擇

為計(jì)算高速斷路器整定值范圍，以電機(jī)參數(shù)為基礎(chǔ)，以滿足車輛基本動(dòng)力性能為目標(biāo)，根據(jù)傳動(dòng)比和輪徑值將列車特性曲線轉(zhuǎn)換成電機(jī)特性曲線，通過(guò)建立計(jì)算模型，得到不同工況下能夠滿足車輛基本牽引、電制動(dòng)特性的特性曲線[4]。

圖4 牽引系統(tǒng)平直軌道仿真

(4)高速斷路器整定值計(jì)算

由于城市軌道車輛為復(fù)雜大系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化并建立其近似等效電路模型對(duì)車輛相關(guān)參數(shù)的計(jì)算意義重大。車輛牽引系統(tǒng)的等效模型可近似為RLC二階等效電路如圖6所示，其中R為線路電抗器等效電阻及線路等效電阻，L為線路電抗器，C為支撐電容。

U-直流電源；R-43 mΩ；L-4 mH；C-5.8 mF；M-電機(jī)。圖5 牽引系統(tǒng)等效電路模型

UR系列高速斷路器脫扣整定值可調(diào)，當(dāng)車輛運(yùn)行環(huán)境或線路變化時(shí)可通過(guò)整定值的改變適應(yīng)當(dāng)前系統(tǒng)。圖1系統(tǒng)中最惡劣工況為車輛出現(xiàn)弓網(wǎng)離線時(shí)的供電短時(shí)中斷[5]，且速度低無(wú)法通過(guò)電制動(dòng)保持中間電壓。根據(jù)圖5中的模型進(jìn)行分析，此時(shí)支撐電容C的電能通過(guò)電機(jī)完全釋放，當(dāng)恢復(fù)供電時(shí)支撐電容C通過(guò)線路電抗器等效電阻及線路等效電阻進(jìn)行充電。由于線路電抗器等效電阻及線路等效電阻較小，充電電流較大，主回路保護(hù)器件如熔斷器及HSCB閥值應(yīng)避開(kāi)此極限值。

弓網(wǎng)離線時(shí)波形如圖6所示，根據(jù)圖6波形可知，當(dāng)弓網(wǎng)離線至弓網(wǎng)恢復(fù)時(shí)由于支撐電容C充電，導(dǎo)致回路電流較高。為便于仿真計(jì)算，對(duì)弓網(wǎng)離線工況進(jìn)行分析可知，弓網(wǎng)離線至弓網(wǎng)恢復(fù)可等效為階躍函數(shù)，其幅值為電網(wǎng)最大電壓1 800 V。

圖6 弓網(wǎng)離線電壓曲線

弓網(wǎng)離線階躍函數(shù)模型如式(1)所示[6]。

u(t)=1 800×ε(t)

(1)

其中u(t)為弓網(wǎng)離線電壓；ε(t)為單位階躍函數(shù)。其表達(dá)式如式(2)所示[6]。

(2)

弓網(wǎng)離線時(shí)，牽引系統(tǒng)電流響應(yīng)即為牽引系統(tǒng)等效RLC二階電路對(duì)電壓激勵(lì)的響應(yīng)，為計(jì)算回路電流響應(yīng)，列出牽引系統(tǒng)等效電路方程如式(3)。式中R為線路電抗器等效電阻及線路等效電阻，L為線路電抗器，C為支撐電容，uc(t)為支撐電容C兩端電壓，u(t)為弓網(wǎng)離線電壓[6]。

(3)

當(dāng)弓網(wǎng)離線激勵(lì)時(shí)，支撐電容充電電流即為牽引系統(tǒng)回路電流響應(yīng)，如式(4)。其中ic(t)為電容電流響應(yīng)[6]：

(4)

(5)

由式(4)和式(5)可得線路電流函數(shù)為：

(6)

對(duì)牽引系統(tǒng)RLC等效電路模型，以弓網(wǎng)離線電壓為激勵(lì)對(duì)回路電流響應(yīng)進(jìn)行MATLAB仿真，其結(jié)果如圖7所示。經(jīng)計(jì)算電流峰值約為2 050 A，為正弦波衰減振蕩，經(jīng)過(guò)100 ms衰減電流峰值降至額定1 000 A以下，圖中藍(lán)色曲線代表激勵(lì)電壓u(t)、綠色曲線為牽引系統(tǒng)回路電流i(t)、紫色曲線為支撐電容C電壓uc(t)：

圖7 MATLAB仿真結(jié)果

根據(jù)仿真及計(jì)算高速斷路器過(guò)流保護(hù)整定值可選擇2 200 A，可避免弓網(wǎng)離線或過(guò)無(wú)電區(qū)時(shí)因支撐電容C快速充電引起過(guò)流跳閘。最大電流在100 ms后衰減至額定電流范圍內(nèi)， UR10滿足系統(tǒng)在線路上使用要求。

(5)線路測(cè)試校驗(yàn)

為驗(yàn)證牽引系統(tǒng)RLC模型參數(shù)準(zhǔn)確性，對(duì)實(shí)際線路當(dāng)中的弓網(wǎng)離線時(shí)的牽引回路電流進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)果如圖8所示。其中藍(lán)線為弓網(wǎng)離線時(shí)牽引系統(tǒng)輸入電壓即u(t)，紅線為牽引系統(tǒng)回路電流即i(t)。根據(jù)測(cè)量結(jié)果可知，當(dāng)弓網(wǎng)離線并恢復(fù)時(shí)牽引系統(tǒng)回路電流約為1 900 A，考慮實(shí)際線路中電網(wǎng)電壓為1 650 V左右，其測(cè)試結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果基本一致。

圖8 弓網(wǎng)離線及線路電流測(cè)試

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)城軌牽引系統(tǒng)供電網(wǎng)、高速斷路器組成和原理進(jìn)行了介紹和分析，建立了弓網(wǎng)離線電壓等效模型及牽引系統(tǒng)回路等效模型，簡(jiǎn)化對(duì)極限工況的計(jì)算及仿真。經(jīng)高速斷路器應(yīng)用分析及選型，為軌道交通車輛牽引系統(tǒng)主回路設(shè)備選型提供等效模型及仿真計(jì)算依據(jù)。并進(jìn)行線路測(cè)試確定模型的準(zhǔn)確性，可作為主回路部件選型設(shè)計(jì)參考。