高利華

(北京市地鐵運營有限公司運營二分公司， 100043， 北京∥高級工程師)

基于第三軌供電方式的城市軌道交通線路特點，供電軌斷軌區(qū)的存在往往不可避免，尤其是在線路折返段及車輛段入庫段，此種情況更為常見。而斷軌區(qū)的長度與車輛受流器跨度的匹配關(guān)系，可能會導致車輛欠壓故障，乃至過壓故障的發(fā)生。

北京地鐵房山線(以下簡稱“房山線”)閻村東站開通后，車輛在上行ATO(列車自動運行)模式進站過程中，頻繁出現(xiàn)主電路直流過壓、HB(高速斷路器)異常分斷故障，造成牽引逆變器停止工作而影響列車牽引性能?，F(xiàn)對其故障原因進行分析，并提出解決措施。

1 房山線基本概況

房山線列車為4動2拖6輛編組，DC 750 V第三軌供電，采用列車單元內(nèi)牽引母線貫穿的方式。房山線車輛受流器跨度示意圖如圖1所示。M0車和M3車設有BHB(母線高速斷路器)，當列車速度高于5 km/h時，由繼電器控制BHB閉合。當列車速度低于5 km/h時，本車的受流器中心跨度為12.6 m；當列車速度大于5 km/h時，1個單元的受流器跨度為32.12 m。

如圖2所示，列車HB閉合后， 充電接觸器(KM2)在牽引控制單元(DCU)控制下閉合，網(wǎng)壓經(jīng)充電電阻(CHRe、R)向電容(FC)進行充電。當FC充電至一定值后，線路接觸器(KM1)閉合，KM2斷開。牽引工況時，DC 750 V直流電由受流器從供電軌接入，經(jīng)線路主隔離開關(guān)(MQS)、主熔斷器(MF)、HB、KM1和濾波電抗器(FL)，向牽引逆變器供電。牽引逆變器輸出電壓、頻率可調(diào)的三相交流電，供給牽引電動機(IM1、IM2)，以驅(qū)動列車運行。

當網(wǎng)壓或中間電壓高于1 000 V或低于500 V時，DCU通過控制HB、KM1、KM2等分斷，以實現(xiàn)隔離保護。

2 房山線車輛牽引主電路過壓故障原因

2.1 故障記錄分析

房山線車輛主電路過壓問題頻繁發(fā)生在閻村東站上行進站過程中。其發(fā)生故障時，運行模式為ATO模式，牽引級位在1級，車速約為25 km/h，故障代碼為主電路直流過壓，HB被異常分斷。

圖3為房山線車輛牽引主電路發(fā)生故障時中間電壓、網(wǎng)壓及牽引電流波動情況。故障記錄顯示：房山線車輛牽引主電路欠壓故障發(fā)生前的150 ms至故障發(fā)生后的75 ms，中間電壓和網(wǎng)壓同步由800V下降至400 V；當主電路欠壓發(fā)生約75 ms后，網(wǎng)壓瞬間恢復到750 V，牽引電流升高，隨后中間電壓由400 V提高至1 000 V以上，致HB分斷。

2.2 故障原因分析

房山線閻村東站折返方式為站后折返。其折返作業(yè)時，由閻村東站下行站臺經(jīng)直線進入折返線，車輛變換操作端后再經(jīng)折返道岔，從下行方向運行至上行方向，駛?cè)腴惔鍠|站上行站臺。折返過程中，房山線途徑3個斷軌區(qū)段，長度分別為9.2 m(斷軌區(qū)①)、34.8 m(斷軌區(qū)②)和19.2 m(斷軌區(qū)③)，如圖4所示。

當列車的M1車第二組受流器駛?cè)霐嘬墔^(qū)②時，M0車第一組受流器還未能進入下一個供電段，無電區(qū)長度約為2.68 m(未計算受流器寬度)，如圖5所示。

通過對車輛牽引主電路原理進行分析發(fā)現(xiàn)：中間電壓過壓的直接原因為車輛通過無電區(qū)時，在FC較低時進行了牽引操作，再次搭接供電軌后，電網(wǎng)直接對FC充電，致使電流變化率(di/dt)激增，F(xiàn)L產(chǎn)生較大感應電動勢，使FC超過1 000 V過壓保護門檻值，才造成主電路直流過壓故障。電網(wǎng)直接對FC充電的原因是由于車輛通過無電區(qū)的時間較短，約為390 ms(按車輛速度約25 km/h、無電區(qū)長度為2.68 m計算)，未能達到牽引系統(tǒng)欠壓保護時間，又再次受流導致。根據(jù)欠壓保護邏輯，當中間電壓低于500 V，并持續(xù)50 ms時，DCU控制接觸器分斷，實施欠壓保護。DCU控制接觸器接收指令后，需435～455 ms的機械動作時間，才能確保電路有效分斷，而整個欠壓保護動作時間長于無電區(qū)通過時間。

綜上所述，房山線閻村東站車輛牽引主電路直流過壓而使HB分斷的原因為閻村東站折返區(qū)段存在34.8 m長的大斷軌區(qū)，較車輛的一個牽引單元略長。房山線車輛在無電區(qū)牽引操作，使中間電壓降至較低的水平，短暫時間后再次恢復供電，此時牽引系統(tǒng)未能有效進行欠壓保護，較大電流直接對濾波電容進行充電，因而發(fā)生主電路過壓保護。

3 房山線閻村東站過壓故障解決措施

根據(jù)房山線閻村東站過壓故障原因的分析，從縮短車軌間無電區(qū)、緩解中間電壓下降等角度考慮解決方案的可行性，現(xiàn)提出以下4種解決方案。

3.1 采用全列牽引母線貫穿的接線方式

原房山線采用單元內(nèi)牽引母線貫穿的接線方式，改為全列牽引母線貫穿的接線方式可提高車輛通過斷軌區(qū)能力。如圖6所示，更改后的車輛最大受流器跨度可由32.12 m提升至71.16 m，遠大于34.8 m斷軌區(qū)，以消除車軌間無電區(qū)的存在。

采用全列牽引母線貫穿的接線方式需對車輛牽引母線進行局部改造，同時需考慮HB的選型問題。根據(jù)既有車輛單元牽引母線貫穿的接線方式，最大電流約為2 000 A(包括單組車牽引電流和輔助電源電流)，當變更為全列牽引母線貫穿的接線方式時，如有2個動車落入斷軌區(qū)，則牽引母線最大電流約為 3 600 A ；如有3個動車落入斷軌區(qū)時，牽引母線最大電流約為5 400 A。因目前DC 750 V的地鐵使用HB的最大電流整定值為3 200 A，故改造可能存在風險；且綜合考慮最大電流對母線截面、受流器截面要求的影響及整改的施工難度，認為此改造方案不可取。

3.2 增加牽引系統(tǒng)微制動功能

牽引系統(tǒng)增加微制動功能，即當車輛檢測到進入無電區(qū)時，若列車處于惰行工況或低級位牽引工況，則使逆變器進入微制動工況。該工況工作原理與電制動的類似。此功能通過抑制車輛通過無電區(qū)時中間電壓的降低，從而避免過壓問題發(fā)生。

增加微制動功能需對牽引控制軟件程序進行優(yōu)化：為了保障微制動功能精準應用，需對其觸發(fā)條件和退出條件進行限定。牽引控制軟件程序觸發(fā)時，需先通過電壓變換率、中間電壓值等對進入無電區(qū)時機進行判斷，然后通過級位和速度對車輛運行狀態(tài)進行判斷，以避免微制動功能的誤觸發(fā)。經(jīng)試驗，增加微制動功能可有效控制中間電壓的波動，并同時可避免主電路過壓和欠壓問題的發(fā)生。

3.3 改善ATO模式下的通過狀態(tài)

根據(jù)本文可知，房山線閻村東站車輛主電路過壓故障原因為中間電壓較低時，高級位牽引操作導致。由于房山線閻村東站最大斷軌區(qū)位于通過折返道岔后的區(qū)段，長度約34.8 m，此時ATO駕駛曲線設置為牽引工況。如優(yōu)化ATO牽引曲線，采用惰行或制動工況通過該斷軌區(qū)，避免因牽引造成中間電壓快速降低，使中間電壓與網(wǎng)壓差值較小，可避免過壓問題發(fā)生。

為驗證方案的可行性，采用人工惰行駕駛通過該斷軌區(qū)的方式進行試驗，未再出現(xiàn)車輛主電路過壓故障，因而證明優(yōu)化ATO牽引曲線同樣可避免過壓故障發(fā)生，但對運營全周轉(zhuǎn)時間存在1～2 s的影響。此方案實施需要對信號系統(tǒng)控制軟件進行優(yōu)化。

3.4 改變車輛折返時的進出方式

房山線閻村東站下行折返時，采用的是“直進彎出 ”的方式，經(jīng)分析，無電區(qū)出現(xiàn)在折返道岔剛剛通過區(qū)段，且為保證折返時間，此區(qū)段ATO模式時采用牽引工況，故造成過壓問題發(fā)生；如將折返路徑變更為“彎進直出 ”的方式(如圖7所示)，由于斷軌區(qū)位置緊鄰折返端頭，故ATO模式通過此區(qū)段時采用惰行或制動工況，可有效避免過斷軌區(qū)時進行牽引操作。

此方案經(jīng)現(xiàn)場試驗驗證，可避免車輛主電路過壓問題發(fā)生，但欠壓現(xiàn)象依然存在。

4 結(jié)語

房山線閻村東站折返時車輛牽引主電路過壓，HB分斷的原因為車輛在無電區(qū)牽引操作時產(chǎn)生較大電流直接對濾波電容充電，致使中間電壓抬升，造成主電路過壓保護。

針對房山線閻村東站車輛牽引主電路過壓問題，本文提出了母線形式改為全列牽引母線貫穿的接線方式、增加牽引系統(tǒng)微制動功能、改善ATO模式下的通過狀態(tài)、改變車輛折返時的進出方式等4種解決方案。

通過對4種解決方案研究發(fā)現(xiàn)，車輛牽引系統(tǒng)增加微制動功能的方案更適合房山線的具體情況，能有效解決閻村東站車輛牽引主電路直流過壓問題。