許南南+廖云+曹俊+閆柏輝

摘 要：隨著城市化進(jìn)程加快，越來(lái)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(lái)快速便捷高效的同時(shí)，也存在諸多潛在問(wèn)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(lái)的過(guò)壓過(guò)流問(wèn)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(guò)壓；過(guò)流

0引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快，城市規(guī)模越來(lái)越大，同時(shí)城市骨干交通樞紐比如機(jī)場(chǎng)、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(wú)法滿足長(zhǎng)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(lái)了快捷的同時(shí)，其自身也存在些新的問(wèn)題，本文就地鐵車輛在高速運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)跳弓問(wèn)題，導(dǎo)致車輛牽引逆變器VVVF中間直流過(guò)壓的問(wèn)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(jiǎn)述

國(guó)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(kù)）。

可以看出當(dāng)車輛在進(jìn)出隧道的過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiǎn)介

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

2.1 母線設(shè)計(jì)說(shuō)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(shuō)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(guò)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(shuō)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(cè)直流網(wǎng)壓Ud，VH2檢測(cè)逆變器上的電容器中間電壓Uc；電流傳感器LH1、LH2檢測(cè)直流回路電流Id，LH3、LH4檢測(cè)逆變器輸出電流，LH5、LH6檢測(cè)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(lái)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(guò)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(shì)。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(shì)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(kāi)通斬波降壓的門(mén)檻，但由于受開(kāi)通頻率限制，每?jī)纱伍_(kāi)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(wú)法被消耗的問(wèn)題，此時(shí)感應(yīng)電壓加在電容C上面，報(bào)出中間直流過(guò)壓故障和逆變過(guò)流故障，牽引跳開(kāi)高速斷路器保護(hù)。

4 依據(jù)電壓、電流變化趨勢(shì)提前保護(hù)

由公式U=L*di/dt，因此，可以依據(jù)di/dt的值來(lái)在沒(méi)有達(dá)到斬波開(kāi)啟門(mén)檻值之前提前開(kāi)啟斬波，以提前消耗掉此部分感應(yīng)能量，來(lái)解決中間直流過(guò)壓和逆變過(guò)流問(wèn)題。以國(guó)內(nèi)某項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)營(yíng)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(guò)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(cè)到中間電壓Ud達(dá)到一個(gè)門(mén)檻值后再開(kāi)啟斬波，但由于牽引斬波門(mén)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(guò)壓和逆變過(guò)流保護(hù)。

既然故障原因已經(jīng)明確，那就可以通過(guò)檢測(cè)網(wǎng)壓Ud、中間電壓Uc、直流電流Id來(lái)進(jìn)行一個(gè)綜合的邏輯控制和診斷，來(lái)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(guò)監(jiān)測(cè)Ud、Uc和Id

假設(shè)在開(kāi)始時(shí)刻，電流值為Id1，在1ms后，測(cè)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(cè)量電流值為Uc2，則du/dt=（Uc2- Uc1），若du/dt>20V/ms，且持續(xù)10ms；

且檢測(cè)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(kāi)啟制動(dòng)電阻進(jìn)行斬波，以抑制電抗器L所帶來(lái)的感應(yīng)電壓造成中間直流過(guò)壓，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變過(guò)流的規(guī)避。

5、結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合國(guó)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(lái)解決車輛受電弓跳弓問(wèn)題所帶來(lái)的牽引中間直流過(guò)流跳高斷的保護(hù)的問(wèn)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(lái)的過(guò)壓等問(wèn)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。