基于地鐵車(chē)輛牽引系統(tǒng)高壓保護(hù)設(shè)計(jì)分析

王紹新

摘要：本文主要針對(duì)地鐵車(chē)輛牽引系統(tǒng)高壓保護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，首先分析地鐵牽引系統(tǒng)高壓保護(hù)研究現(xiàn)狀而后介紹牽引系統(tǒng)高壓保護(hù)方案研究及特性仿真計(jì)算，最后提出地鐵車(chē)輛高壓牽引系統(tǒng)高壓保護(hù)的回路的配置設(shè)計(jì)，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)人士提供幫助。

一、地鐵牽引系統(tǒng)高壓保護(hù)研究現(xiàn)狀分析

地鐵車(chē)輛牽引系統(tǒng)對(duì)于歐洲本土、日本、韓國(guó)等車(chē)輛或牽引系統(tǒng)供貨商來(lái)說(shuō)已經(jīng)非常成熟，而且基于成熟平臺(tái)的產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于世界各地的相關(guān)項(xiàng)目。在市場(chǎng)應(yīng)用上因其供電制式、控制方式、功率等級(jí)及設(shè)備散熱形式各有不同，牽引系統(tǒng)產(chǎn)品形式也存在多樣化。地鐵車(chē)輛領(lǐng)域其國(guó)外代表公司主要有東芝公司、三菱、爾準(zhǔn)、阿小斯趣、庇巴迪及西門(mén)子等幾家重要牽引系統(tǒng)供貨商;在 DC750V與 DC1500V供電制及不同功力率等級(jí)需求下，東芝、三菱、東洋等日本牽引系統(tǒng)供貨商系統(tǒng)設(shè)備主要采用分散式結(jié)構(gòu)、散熱方式主要采用自然冷卻，其控制方式分為架控與車(chē)控;阿爾斯通、龐巴迪與西門(mén)子等歐美牽引系統(tǒng)供貨商系統(tǒng)設(shè)備主要采用集成式結(jié)構(gòu)、散熱方式主要為強(qiáng)迫風(fēng)冷，其控制方式同樣為架控與車(chē)控[1]。

二、牽引系統(tǒng)高壓保護(hù)方案研究及特性仿真計(jì)算

列車(chē)高壓電路見(jiàn)圖1，列車(chē)高壓電路原理圖，高壓保護(hù)電路主要分布在牽引逆變器前端，采用模式開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換、輸入熔斷器、高速斷路器及防反二極管等，牽引逆變器供電回路串聯(lián)濾波電抗器用于諧波含量控制。

線路濾波電抗器與直流回路支撐電容器組成濾波單元。輸入電抗器的參數(shù)選擇主要考慮諧振頻率與沖擊電流。線路濾波電抗器設(shè)計(jì)采充分考慮電流變化而導(dǎo)致電抗器飽和問(wèn)題。

高速斷路器的保護(hù)動(dòng)作由機(jī)械觸發(fā)裝置觸發(fā)或者控制單元控制觸發(fā)。當(dāng)牽引控制單元檢測(cè)到牽引逆變器故障，并需要斷開(kāi)高速斷路器，此時(shí)牽引控制單元發(fā)出斷開(kāi)高速斷路器的指令;當(dāng)牽引逆變器輸入端發(fā)生過(guò)流并達(dá)到高速斷路器過(guò)流保護(hù)的閥值時(shí)，高速斷路器機(jī)械觸發(fā)裝置觸發(fā)，自動(dòng)斷開(kāi)保護(hù)[2]。

熔斷器用于保護(hù)牽引逆變器在持續(xù)電流過(guò)大情況下的保護(hù)，比如后端接地、持續(xù)大電流負(fù)載工作等，相當(dāng)于牽引系統(tǒng)異常工作時(shí)線路的保險(xiǎn)絲。其熔斷器的選擇需與高速斷路器進(jìn)行配合，同時(shí)根據(jù)線網(wǎng)供電條件，進(jìn)行預(yù)期短路電流計(jì)算，才可選擇出更為適合系統(tǒng)的參數(shù)。

牽引系統(tǒng)高壓保護(hù)設(shè)備包括轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、隔離開(kāi)關(guān)、高速斷路器、濾波電抗器、熔斷器等設(shè)備。

三、高壓回路配置設(shè)計(jì)

（一）母線設(shè)計(jì)

根據(jù)列車(chē)牽引母線和輔助母線要求，牽引母線在兩個(gè)動(dòng)力單元之間牽引供電母線完全隔離，動(dòng)力單元采用一個(gè)受電弓單獨(dú)供電，全車(chē)輔助供電母線貫通;

整車(chē)輔助高壓回路通過(guò)列車(chē)輔助母線連為一體，當(dāng)一個(gè)受電弓處于供電區(qū)段切換時(shí)，該單元輔助逆變器通過(guò)輔助高壓母線從另一個(gè)受電弓供電。

輔助母線設(shè)計(jì)一個(gè)防反的二極管，防止車(chē)輛過(guò)無(wú)電區(qū)時(shí)或者一端采用庫(kù)內(nèi)供電情況下，一端的供電電源通過(guò)共用的母線，電流通過(guò)此母線流到另一個(gè)受電弓或者供電電源，形成環(huán)流，破壞供電系統(tǒng)。

（二）受電弓隔離裝置說(shuō)明

高壓隔離開(kāi)關(guān)通過(guò)輔助觸點(diǎn)提供以下3個(gè)狀態(tài)反饋給列車(chē)線電路（見(jiàn)圖2）：

高壓隔離開(kāi)關(guān)在運(yùn)行位（LO_IESP） ;

高壓隔離開(kāi)關(guān)在車(chē)間電源位（LO_IESW） ;

高壓隔離開(kāi)關(guān)二級(jí)互鎖手柄在鎖閉位（LO_SHR） ;4

“整車(chē)高壓隔離開(kāi)關(guān)均在受電弓位”列車(chē)線信號(hào)串聯(lián)到受電弓控制指令線上，只有該信號(hào)為高電平，整車(chē)才允許升弓，否則受電弓不會(huì)升起;

“整車(chē)3個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)的在車(chē)間電源位”信號(hào)串聯(lián)在一起，給出“隔離開(kāi)關(guān)在車(chē)間電源位”列車(chē)線信號(hào)（L_AIESW） ;

只有“隔離開(kāi)關(guān)在車(chē)間電源位”時(shí)，車(chē)間電源才允許輸出閉合;

四、地鐵車(chē)輛高壓保護(hù)參數(shù)選型計(jì)算

（一）濾波電容與電感

電容器地鐵車(chē)輛的儲(chǔ)能裝置，能夠儲(chǔ)存能量，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化和吸收，可以起到濾波作用。在高壓電路中，可以起到緩沖能量的作用，同時(shí)對(duì)直流電路的電壓波動(dòng)，諧波含量等均由消除穩(wěn)定作用。

已知兩極板的間距為d，正對(duì)面積為s，通過(guò)如下公式計(jì)算電容器容量：

上述公式中：表示：介電常數(shù);k表示：靜電力常量。

濾波電抗器的額定電流一般選擇仿真計(jì)算的均值電流。濾波電抗器的需要與濾波電容氣的參數(shù)選擇進(jìn)行匹配，同時(shí)根據(jù)牽引逆變器的設(shè)計(jì)容量進(jìn)行選擇。

（二）濾波參數(shù)設(shè)計(jì)

地鐵車(chē)輛濾波電感和支撐電容諧振頻率一般在30HZ 以下，主要是為了抑制工作點(diǎn)在諧振頻率附近時(shí)差頻的低頻分量對(duì)力矩的影響以及逆變器在直流母線上的開(kāi)關(guān)諧波所激發(fā)的LC振蕩，一旦電路發(fā)生共振，此時(shí)可能出現(xiàn)過(guò)電流或是過(guò)電壓現(xiàn)象，所以在己知電容量范圍的情況下，計(jì)算電感時(shí)還應(yīng)考慮電感以及電容的諧振頻率對(duì)城市軌道信號(hào)的影響。

結(jié)束語(yǔ)：綜上，在本次研究中，從實(shí)際入手，分析地鐵車(chē)輛牽引系統(tǒng)高壓保護(hù)設(shè)計(jì)，提出仿真實(shí)驗(yàn)理論，并進(jìn)行一系列大量的驗(yàn)算，希望能夠?yàn)榈罔F車(chē)輛牽引系統(tǒng)的高壓保護(hù)設(shè)計(jì)提供更加充足的理論支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]于昳琳.地鐵列車(chē)永磁牽引系統(tǒng)改造分析[J].交通世界，2021（12）：10-12.

[2]曹斌.地鐵車(chē)輛輔助和牽引系統(tǒng)重要部件典型故障研究[J].鐵道運(yùn)營(yíng)技術(shù)，2021，27（02）：32-34.

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