李文榮 孫士杰 閆海城 高福昕

(中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司，130062，長(zhǎng)春∥第一作者，工程師)

隨著軌道交通的快速發(fā)展，安全、可靠的軌道交通車(chē)輛的研發(fā)越來(lái)越受到重視。在列車(chē)的運(yùn)行過(guò)程中，車(chē)輛的電磁兼容(EMC)性能直接影響著車(chē)輛的可靠、高效和安全運(yùn)行。車(chē)輛設(shè)計(jì)時(shí)不僅需要提高電氣設(shè)備本身的電磁兼容性，還需要從整車(chē)原理設(shè)計(jì)上提高整車(chē)的EMC性能。在對(duì)EMC的研究中發(fā)現(xiàn)，“地”對(duì)整車(chē)EMC性能分析起著至關(guān)重要的作用：車(chē)體作為整車(chē)的零電位，即車(chē)體可視為“地”，為車(chē)輛提供保護(hù)地。然而在列車(chē)的運(yùn)行過(guò)程中，牽引電流中存在著豐富的諧波，會(huì)對(duì)軌道電路的正常運(yùn)行產(chǎn)生干擾[1]。文獻(xiàn)[2]以B型地鐵車(chē)輛為例對(duì)整車(chē)高壓回路接地方案進(jìn)行了闡述，提出了1種實(shí)用性較高的接地方案，為車(chē)輛保護(hù)接地提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[3]指出牽引電流對(duì)DC 110 V電壓零電位的影響及由此對(duì)整車(chē)穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，提出了1種新型的接地方式，但該方式只能降低DC 110 V母線電壓的波動(dòng)范圍，不能從根本上抑制牽引電流對(duì)DC 110 V母線電壓的影響。文獻(xiàn)[4]對(duì)地鐵車(chē)輛的接地方式進(jìn)行了研究，提出了在工作接地和保護(hù)接地間增加接地電阻，以降低牽引電流對(duì)整車(chē)的影響。文獻(xiàn)[5]提出，在車(chē)體與軸端之間增加隔離電阻來(lái)降低流入車(chē)體的牽引電流。文獻(xiàn)[6]針對(duì)CRH380高速動(dòng)車(chē)組車(chē)輛接地問(wèn)題，提出在動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架增加保護(hù)接地裝置。文獻(xiàn)[7]通過(guò)減少頭車(chē)(Tc車(chē))保護(hù)接地?cái)?shù)量來(lái)降低軸端電壓，但該方案會(huì)使得Tc車(chē)中二位端轉(zhuǎn)向架缺少接地保護(hù)，進(jìn)而增加觸電風(fēng)險(xiǎn)。本文以澳大利亞墨爾本市HCMT(大運(yùn)量地鐵)項(xiàng)目的地鐵車(chē)輛為依托，針對(duì)軌道交通車(chē)輛直流母線的接地問(wèn)題進(jìn)行深入分析。

1 列車(chē)主電路設(shè)計(jì)

1.1 牽引和輔助供電電路

墨爾本市HCMT項(xiàng)目地鐵車(chē)輛采用4動(dòng)3拖7輛編組方式。其牽引電壓為DC 1 500 V，車(chē)輛通過(guò)受電弓與接觸網(wǎng)連接。列車(chē)正常運(yùn)行時(shí)，4個(gè)受電弓同時(shí)工作，電流經(jīng)由高壓箱(HV)、DC/DC變流器流至牽引逆變器和輔助變流器。DC 110 V低壓母線和AC 415 V中壓母線貫穿整車(chē)，為車(chē)輛提供輔助電能。

1.2 整車(chē)接地系統(tǒng)

該型車(chē)輛的整車(chē)接地方案如圖1所示，包含牽引輔助回流接地和車(chē)輛保護(hù)性接地2方面。其中，牽引輔助回流接地直接接至轉(zhuǎn)向架軸端，牽引回流直接流至軌道，均不經(jīng)過(guò)車(chē)輛車(chē)體;車(chē)輛保護(hù)性接地指的是設(shè)備接地，車(chē)輛上的電氣設(shè)備和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架接至車(chē)體，車(chē)體經(jīng)小電阻接至轉(zhuǎn)向架軸端。車(chē)輛間經(jīng)過(guò)接地電纜連接，使得車(chē)輛整體成為1個(gè)等勢(shì)體。保護(hù)接地回路中的小電阻能夠使經(jīng)過(guò)車(chē)體的軌道電流大幅降低，從而提高車(chē)輛的可用性。在換向車(chē)二位端，車(chē)體直接接至轉(zhuǎn)向架軸端，能夠在弓網(wǎng)出線搭接車(chē)體故障時(shí)為接觸網(wǎng)提供放電回路，從而保護(hù)電網(wǎng)和車(chē)輛。車(chē)輛DC 110 V母線在Tc車(chē)經(jīng)接地電纜接至車(chē)體，實(shí)現(xiàn)DC 110 V正線的短路保護(hù)功能。

圖1 HCMT項(xiàng)目軌道交通車(chē)輛的整車(chē)接地方案

2 車(chē)輛母線接地性能分析

2.1 車(chē)輛接地系統(tǒng)建模

針對(duì)車(chē)輛接地系統(tǒng)，采用Matlab軟件對(duì)其電氣性能進(jìn)行仿真分析。由于車(chē)輛為直流供電系統(tǒng)，因此可將車(chē)體、軌道和鋪設(shè)電纜等效為電阻。圖2為車(chē)輛的接地等效模型。

注：Tc——帶司機(jī)室的拖車(chē)；M/Mp——?jiǎng)榆?chē)；T——拖車(chē)；Rcb——車(chē)體等效電阻；Rrail——軌道等效電阻；RR——接地小電阻；

車(chē)體等效電阻Rcb的計(jì)算公式為：

Rcb=ρel/S

(1)

式中：

ρe——不銹鋼車(chē)體電阻率；

l——車(chē)體長(zhǎng)度；

S——車(chē)體等效截面積。

ρ為不銹鋼車(chē)體密度,則車(chē)體質(zhì)量Gct的計(jì)算公式為：

Gct=ρlS

(2)

本文所研究的車(chē)輛為A型不銹鋼車(chē)體，其單車(chē)質(zhì)量約為550 kg/m；不銹鋼車(chē)體電阻率ρe為7.3×10-7Ωm2/m；不銹鋼車(chē)體密度ρ為7.93×103kg/m3。由式(1)計(jì)算可得1 m車(chē)體的Rcb為0.010 5 Ω/km；同理可得1 m鋼軌的等效電阻Rrail為0.027 Ω/km。

表1為所研究車(chē)輛的電阻參數(shù)，可為車(chē)輛接地仿真提供依據(jù)。

由于電纜接線端部接觸電阻Rc為10 mΩ，因此在每個(gè)電纜終端均需考慮此接觸電阻。對(duì)于95 mm2直流母線，整車(chē)共有6段電纜， 因此,在考慮線纜接觸電阻情況下95 mm2直流母線的整體電阻Rbus-total的計(jì)算公式為：

Rbus-total=Rbus+6Rc

(3)

由式(3)可計(jì)算出Rbus-total為92.34 mΩ。

表1 HCMT項(xiàng)目軌道交通車(chē)輛的電阻參數(shù)

2.2 仿真分析

針對(duì)上述模型，采用Matlab進(jìn)行了仿真分析。該型列車(chē)的輔助逆變器功率為240 kVA，牽引逆變器功率峰值為862.5 kW。仿真模擬工況為：①軌道線路上同時(shí)運(yùn)行3列地鐵列車(chē)；②0～0.2 s牽引逆變器運(yùn)行在最大功率，0.2～0.3 s牽引逆變器自封鎖，0.3～0.4 s牽引逆變器運(yùn)行在最大功率。

圖3為該車(chē)型的高壓供電線路電流波形，展示了0～0.25 s的波形。從圖3可以看出：①列車(chē)牽引時(shí)，牽引電流存在較高的諧波電流；②列車(chē)從牽引到停車(chē)的過(guò)程中，牽引電流存在較大波動(dòng)。

圖3 高壓供電線路電流波形

圖4為列車(chē)DC 110 V負(fù)線中的電壓和電流的波形圖。從圖4可以看出：①列車(chē)牽引時(shí)，直流母線電壓和電流中存在較高的諧波電流；②列車(chē)牽引時(shí)，直流母線兩端的電壓差為15 V；③牽引回流在直流母線負(fù)線上的分量高達(dá)52 A；④當(dāng)列車(chē)從牽引狀態(tài)切換至停車(chē)狀態(tài)時(shí)，電壓和電流存在較大的震蕩。

圖5為每個(gè)Tc車(chē)直流母線負(fù)線相對(duì)于車(chē)體的電壓波形。從圖5可知：①直流母線負(fù)線參考電壓根據(jù)牽引電流的不同有所變化，波動(dòng)范圍在1 V左右；②直流電壓中存在較大的諧波干擾，會(huì)嚴(yán)重影響供電電源的品質(zhì)；③母線電壓的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛供電電壓的穩(wěn)定，并造成斷路器誤跳。

a) 電壓波形

b) 電流波形

a) Tc1車(chē)直流母線相對(duì)車(chē)體電壓

b) Tc2車(chē)直流母線相對(duì)車(chē)體電壓

3 直流母線接地改進(jìn)方案

3.1 接地改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)上述問(wèn)題，本文對(duì)車(chē)輛的直流母線接地方案進(jìn)行了改進(jìn)，取消直流母線在每個(gè)Tc車(chē)的接地，并在M2車(chē)增加母線接地。圖6 a)為改進(jìn)前直流110 V電路的簡(jiǎn)化示意圖,在TC車(chē)中直流母線經(jīng)接地線連接至車(chē)體,會(huì)導(dǎo)致軌道牽引回流經(jīng)過(guò)直流母線接地線流經(jīng)DC 110 V母線,產(chǎn)生圖6 b)中的電流i2，仿真分析可知i2高達(dá)52 A。

圖6 c)和6 d)為改進(jìn)后的直流母線接地示意圖。由于i2不存在接地回路，因此i2為0。改進(jìn)后整車(chē)直流母線采用負(fù)線單點(diǎn)接地方案，因此軌道回流電流不會(huì)流經(jīng)直流母線負(fù)線，從而避免了牽引諧波對(duì)直流供電電源品質(zhì)的影響。

為了增加車(chē)輛的可用性, 在接地回路中增加接地故障保護(hù)斷路器，如圖7 a)所示。圖7 b)為短路瞬間電流流通路徑示意圖。在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中如果出現(xiàn)直流正線接地故障，斷路器會(huì)瞬間保護(hù)，將故障回路斷開(kāi)，此時(shí)DC 110 V母線與車(chē)體連接，因此DC 110 V負(fù)線電壓為-110 V，如圖7 c)所示。

a) 改進(jìn)前簡(jiǎn)化接地示意圖

b) 改進(jìn)前軌道回流示意圖

c) 改進(jìn)后簡(jiǎn)化接地示意圖

d) 改進(jìn)后軌道回流示意圖

a) 新型接地方案

b) 短路回路

c) 故障保護(hù)后電路

在接地回路中增加短路限流電阻和接地故障斷路保護(hù)器,可消除接地故障的影響，避免短路故障影響列車(chē)正常運(yùn)行，這對(duì)于提高列車(chē)的運(yùn)營(yíng)可靠性起了至關(guān)重要的作用。

3.2 接地改進(jìn)方案仿真分析

按照改進(jìn)后的方案搭建仿真模型, 即在上文原有仿真模型的基礎(chǔ)上做如下改動(dòng)：①取消DC 110 V母線在Tc車(chē)上的接地；②增加DC 110 V母線在換向車(chē)(1列車(chē)僅1臺(tái))上的接地。

改進(jìn)后DC 110 V母線電壓負(fù)線中的牽引電流在母線上的分量為0，換向車(chē)直流母線負(fù)線相對(duì)于車(chē)體的電壓為0，牽引電流并沒(méi)有對(duì)直流母線電壓造成影響。仿真證明了改進(jìn)后的電路設(shè)計(jì)方案在抑制牽引電流方面的有效性，避免了牽引電流對(duì)直流供電電源品質(zhì)的影響。

3.3 保護(hù)元器件選型

3.3.1 斷路器的選型

對(duì)于接地故障保護(hù)斷路器的選擇，需要考慮如下幾個(gè)因素：①直流供電額定電壓采用DC 110 V；②斷路器保護(hù)電流小于熔斷器額定電流(250 A)；③斷路器為C型軌道專(zhuān)用斷路器；④短路電流額定值暫定為1 A，需根據(jù)限流電阻值進(jìn)行校核。

綜合以上4點(diǎn)因素，推薦選用的短路器型號(hào)為5SY51017CC11。

3.3.2 限流電阻的選型

本文所研究的地鐵車(chē)輛，其蓄電池采用80節(jié)堿性鎳鎘電池，因此電源電壓變化范圍為80.0～137.5 V。為了保證斷路器能夠可靠動(dòng)作(動(dòng)作時(shí)間小于1 s)，短路電流需要大于4 A，因此電阻阻值需要小于20 Ω。本項(xiàng)目限流電阻阻值選擇10 Ω，因此斷路器動(dòng)作時(shí)間小于0.5 s。

4 結(jié)語(yǔ)

本文所提出的直流母線接地改進(jìn)方案具有如下優(yōu)勢(shì)：能夠有效避免牽引諧波影響直流電源品質(zhì)；能夠消除車(chē)輛接地故障，提高列車(chē)的運(yùn)行可靠性；能夠提高列車(chē)運(yùn)行的安全性，可有效避免列車(chē)母線接地故障情況下的電源失效。