王清永, 李玉山, 姚文革, 齊鵬宇

(1 天津市地下鐵道運營有限公司， 天津 300222;2 北京縱橫機電科技有限公司， 北京 100094)

城市軌道交通是運量大、能耗低、污染少、快捷舒適、安全的綠色環(huán)保運輸體系[1]。隨著我國經(jīng)濟的高速發(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、促進城市可持續(xù)發(fā)展，國內(nèi)部分大中城市相繼提出建設(shè)軌道交通項目。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)難點大、安全可靠性要求高，為保證車輛出現(xiàn)過流或短路等故障時不使故障蔓延至供電網(wǎng)絡(luò)，牽引系統(tǒng)保護器件的選型應(yīng)與供電網(wǎng)一級保護器件相互匹配，從而隔離故障車輛并保護車輛設(shè)備。主要對牽引系統(tǒng)中牽引變流器過流保護裝置——高速斷路器的功能、組成、工作原理等進行了闡述，通過1 km平直道啟動、運行至停車仿真，分析主回路電流、車輛速度、車輛牽引力變化趨勢，從而確定主回路電流范圍。同時，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。直流電壓通過接觸軌或架空線將能量傳遞至車輛，車輛通過受流靴或受電弓從直流電網(wǎng)受電，并通過輪軌接觸方式進行回流。

為保證車輛及電網(wǎng)運營安全,接入直流電網(wǎng)的設(shè)備應(yīng)具有過電壓及過電流保護。過壓保護通過避雷器與受電弓或受流靴下級負載進行并聯(lián)，當出現(xiàn)嚴重過電壓時使負載旁路從而保護車輛設(shè)備。過電流保護以圖1系統(tǒng)為例，主熔斷器F0作為車輛上兩個牽引逆變器及兩個輔助逆變器負載的總過電流保護，其參數(shù)應(yīng)與上級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，其過電流保護裝置也應(yīng)與上級主熔斷器F0參數(shù)進行匹配。

2 高速斷路器特點及組成

(1)高速斷路器特點

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、直流高壓開關(guān)、高壓電纜等器件組成[3]。其組成器件價格昂貴，過流耐受電流小，過流耐受時間短等特點。當出現(xiàn)過流時應(yīng)盡快切斷故障電流，保護其主要部件，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 高速斷路器故障分斷時間曲線

(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、牽引變流器前級保護器件。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兩種狀態(tài)，其中閉合主要由電控系統(tǒng)完成，斷開又分為電控分斷和過流脫扣分斷。

電控閉合指當高速斷路器電控系統(tǒng)得電后其線圈產(chǎn)生磁場，并使內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相關(guān)動作，可動觸頭與固定觸頭相連使主回路導(dǎo)通，閉合時產(chǎn)生的機械沖擊通過內(nèi)部緩沖裝置進行吸收。

電控分斷指高速斷路器根據(jù)電控系統(tǒng)斷開指令進行主觸點的斷開。過流脫扣分斷指當高速斷路器流經(jīng)電流超出最大電流整定值時,主回路線圈在斷路磁鐵中產(chǎn)生磁場配合內(nèi)部連鎖裝置使高速斷路器分斷,斷開時的沖擊由緩沖裝置吸收，滅弧裝置進行消弧，完成整個過流脫扣分斷。

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，線路站點多，牽引制動頻繁，恒功區(qū)工作時間短等特點；車輛運行工況復(fù)雜，作為復(fù)雜大系統(tǒng)其電流及相關(guān)參數(shù)很難進行實測，因此在設(shè)計之初，仿真計算及系統(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等級的高速斷路器。

(2)高速斷路器控制回路設(shè)計

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電控系統(tǒng)線圈過熱損壞。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接觸器在高電平時吸合。電控系統(tǒng)閉合命令與高速斷路器主觸點閉合延遲時間t0約為70 ms，t1為節(jié)能電阻接入延遲時間約為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電控閉合過程。電控分斷時斷開圖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

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

圖4 牽引系統(tǒng)平直軌道仿真

(4)高速斷路器整定值計算

由于城市軌道車輛為復(fù)雜大系統(tǒng)，對系統(tǒng)進行簡化并建立其近似等效電路模型對車輛相關(guān)參數(shù)的計算意義重大。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。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)，當車輛運行環(huán)境或線路變化時可通過整定值的改變適應(yīng)當前系統(tǒng)。圖1系統(tǒng)中最惡劣工況為車輛出現(xiàn)弓網(wǎng)離線時的供電短時中斷[5]，且速度低無法通過電制動保持中間電壓。根據(jù)圖5中的模型進行分析，此時支撐電容C的電能通過電機完全釋放，當恢復(fù)供電時支撐電容C通過線路電抗器等效電阻及線路等效電阻進行充電。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，主回路保護器件如熔斷器及HSCB閥值應(yīng)避開此極限值。

弓網(wǎng)離線時波形如圖6所示，根據(jù)圖6波形可知，當弓網(wǎng)離線至弓網(wǎng)恢復(fù)時由于支撐電容C充電，導(dǎo)致回路電流較高。為便于仿真計算，對弓網(wǎng)離線工況進行分析可知，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)。其表達式如式(2)所示[6]。

(2)

弓網(wǎng)離線時，牽引系統(tǒng)電流響應(yīng)即為牽引系統(tǒng)等效RLC二階電路對電壓激勵的響應(yīng)，為計算回路電流響應(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)

當弓網(wǎng)離線激勵時，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)

對牽引系統(tǒng)RLC等效電路模型，以弓網(wǎng)離線電壓為激勵對回路電流響應(yīng)進行MATLAB仿真，其結(jié)果如圖7所示。經(jīng)計算電流峰值約為2 050 A，為正弦波衰減振蕩，經(jīng)過100 ms衰減電流峰值降至額定1 000 A以下，圖中藍色曲線代表激勵電壓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)仿真及計算高速斷路器過流保護整定值可選擇2 200 A，可避免弓網(wǎng)離線或過無電區(qū)時因支撐電容C快速充電引起過流跳閘。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)線路測試校驗

為驗證牽引系統(tǒng)RLC模型參數(shù)準確性，對實際線路當中的弓網(wǎng)離線時的牽引回路電流進行測量，其結(jié)果如圖8所示。其中藍線為弓網(wǎng)離線時牽引系統(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)測量結(jié)果可知，當弓網(wǎng)離線并恢復(fù)時牽引系統(tǒng)回路電流約為1 900 A，考慮實際線路中電網(wǎng)電壓為1 650 V左右，其測試結(jié)果與仿真計算結(jié)果基本一致。

圖8 弓網(wǎng)離線及線路電流測試

4 結(jié)束語

通過對城軌牽引系統(tǒng)供電網(wǎng)、高速斷路器組成和原理進行了介紹和分析，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，簡化對極限工況的計算及仿真。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算依據(jù)。并進行線路測試確定模型的準確性，可作為主回路部件選型設(shè)計參考。