地鐵車輛牽引主電路壓敏電阻續(xù)流回路應(yīng)用研究

【摘要】本文分別從牽引主電路設(shè)計原理、續(xù)流回路在電路中主要作用、壓敏電阻在續(xù)流回路中的實際應(yīng)用等角度詳細闡述沈陽地鐵2號線電客車牽引系統(tǒng)壓敏電阻續(xù)流回路應(yīng)用可靠性，并對設(shè)置與取消續(xù)流回路前后的數(shù)據(jù)進行對比，對比結(jié)果顯示取消后的牽引主電路工作更加可靠。

【關(guān)鍵詞】地鐵車輛；牽引主電路；壓敏電阻續(xù)流回路；主電路工作可靠性

引言

沈陽地鐵2號線于2011年12月開通運營，地鐵車輛牽引系統(tǒng)經(jīng)過三年的正線應(yīng)用考核，車輛整體運行穩(wěn)定，狀態(tài)良好。牽引主電路設(shè)計時設(shè)置了壓敏電阻續(xù)流回路，在實際使用過程中，壓敏電阻未發(fā)生過一次因過電壓導致壓敏電阻動作，反而因為壓敏電阻失效引發(fā)了嚴重的次生故障。

一、沈陽地鐵車輛牽引系統(tǒng)主電路

1、牽引主電路工作原理：

列車牽引系統(tǒng)主電路采用兩電平電壓型直—交逆變電路。經(jīng)受電弓接觸受流輸入的DC1500V直流電由牽引逆變器變換成頻率、電壓均可調(diào)的三相交流電，向異步牽引電動機供電。牽引逆變器由兩個逆變模塊單元組成，每個逆變器模塊驅(qū)動兩臺牽引電動機，電阻制動斬波單元與逆變模塊單元集成在一起。當電網(wǎng)電壓在1000-1800V之間變化時，主電路能正常工作，并方便地實現(xiàn)牽引—制動的無接點轉(zhuǎn)換。動車的主電路型式結(jié)構(gòu)完全相同，滿足列車的牽引及制動特性的要求。

2、高壓電器及能量釋放單元

高速斷路器用于主電路的故障保護，當主電路出現(xiàn)嚴重故障，如主電路電器部件故障、網(wǎng)壓或直流電壓過壓、直流側(cè)電流過流、主電路接地、IGBT元件故障、網(wǎng)絡(luò)通信故障、DCU故障、110V控制電源失電等時，傳動控制單元（DCU）控制高速斷路器斷開，以實現(xiàn)主電路的故障保護。同時高速斷路器能對檢測出的過電流進行快速響應(yīng)，以實現(xiàn)主電路短路瞬時保護。浪涌吸收器及RD回路主要用于釋放主電路中線路電抗器等的儲能，保護主電路器件。實現(xiàn)當列車牽引時傳動控制失效且大電流時高速斷路器突然斷開（此時逆變未封鎖，而正常情況下是應(yīng)先封鎖逆變后跳高斷）時的電抗器的能量續(xù)流和轉(zhuǎn)移，有利于中間直流環(huán)節(jié)設(shè)備和器件的長期可靠工作。

3、電容器充放電單元。電容器充放電單元由接觸器（KM1、KM2）及充放電電阻（R1、R3）等組成，用于主電路支撐電容器（C）的充放電。主電路高速斷路器閉合后，閉合接觸器KM2，電網(wǎng)電源通過受電弓PAN、隔離開關(guān)QS1、高速斷路器HSB、充電電阻R1給支撐電容C充電，當電容電壓在一定時間且上升到一定值時，KM1閉合，電容充電完成，充電時間約2s。

4、濾波單元。濾波單元由線路電抗器（L）及直流電路支撐電容器（C）組成。線路電抗器電感值為L=8.5mH；支撐電容器的電容值為C=8.6mF。

5、牽引逆變器單元。牽引逆變器單元分為逆變和斬波兩部分。牽引或制動工況時，通過觸發(fā)導通斬波模塊，能抑制因空轉(zhuǎn)或跳弓等原因引起的瞬時過電壓。

6、牽引電動機。牽引電機為三相交流異步牽引電動機，其技術(shù)特征為：轉(zhuǎn)子為銅排鼠籠式結(jié)構(gòu)，定子為無機殼結(jié)構(gòu)，絕緣等級為200級（耐電暈），電機滿足牽引系統(tǒng)要求。

7、檢測單元。檢測單元由LH1、LH2、LH13、LH14、LH16、LH23、LH24、LH26、VH1、VH2等電流電壓傳感器組成，傳感器采用霍爾電流、電壓傳感器，其中LH1為差動電流傳感器，實現(xiàn)主電路接地故障保護。

二、續(xù)流回路中壓敏電阻的作用

1.壓敏電阻也稱為浪涌吸收器，其主要作用是吸收主回路中的操作過電壓。壓敏電阻通常設(shè)置在線路電抗器L之前，當電制動再生時傳動控制失效導致高速斷路器大電流分斷（此時逆變未封鎖，而正常情況下是應(yīng)先封鎖逆變后跳高斷），此時在電抗器L前端產(chǎn)生一個很大的浪涌尖峰電壓，壓敏電阻可以對此尖峰能量進行吸收。

2.本項目選用的壓敏電阻型號為MYG-L-2600V/25kJ，其技術(shù)參數(shù)及伏安特性曲線分別如表1所示。

三、取消壓敏電阻及續(xù)流回路原因：

取消壓敏電阻及續(xù)流回路是由于壓敏電阻產(chǎn)品本身原因引起，取消主要原因如下：

1.主電路設(shè)計時（參考了西門子老產(chǎn)品的電路設(shè)計并沿用至今），考慮到當時早期的傳動控制可靠性風險問題，希望多一重保護，所以設(shè)置了壓敏電阻。

2.當前傳動控制失效的的風險極小，即便發(fā)生因控制失效引起先跳主斷再封鎖脈沖，也不會引起壓敏電阻及續(xù)流回路的動作。

3.壓敏電阻的主要失效模式為擊穿短路，可能引起爆炸。在實際使用過程中，所有應(yīng)用項目的壓敏電阻未發(fā)生過一次因過電壓導致壓敏電阻動作，反而因為壓敏電阻失效引發(fā)嚴重的次生故障（無錫地鐵發(fā)生壓敏電阻燒損故障，且已進行拆除設(shè)備整改）。

4.主電路中的線路濾波器可以起到隔離網(wǎng)側(cè)浪涌沖擊改善后側(cè)設(shè)備使用環(huán)境的作用。

5.根據(jù)目前技術(shù)水平，可以取消壓敏電阻及續(xù)流回路，從而避免因器件質(zhì)量問題造成牽引系統(tǒng)主電路可靠性降低。

四、有沖擊量輸入時，取消壓敏電阻牽引主電路和包含壓敏電阻牽引主電路的試驗驗證：

為驗證在外部存在沖擊能量輸入時，裝有壓敏電阻與取消壓敏電阻的試驗區(qū)別。參照GB/T16927.1-2011高電壓試驗技術(shù) 第1部分：一般定義及試驗要求，按不同電壓等級（最高至12kV）進行電壓沖擊。

1.在DC6000V以下的沖擊電壓試驗中，取消壓敏電阻后沖擊能力可由避雷器及牽引逆變器的濾波電容吸收，輸入電壓的吸收時間基本相同，說明逆變器濾波電容對雷擊電壓具有較好的抑制作用；

2.在12kV雷擊沖擊電壓時，取消壓敏電阻與未取消壓敏電阻的電壓殘壓峰值差別在300V左右，說明如果只是針對外部雷擊過電壓的保護，避雷器足夠，無須使用壓敏電阻；

3.在模擬出現(xiàn)傳動控制失效時，無論是先跳主斷后封脈沖的情況還是跳主斷時封鎖脈沖的情況，壓敏電阻及續(xù)流回路都沒有起作用。

五、結(jié)論

綜上所述，試驗和分析認為：設(shè)置壓敏電阻和續(xù)流回路并沒有起到設(shè)計預期的作用，反而因為壓敏電阻和續(xù)流回路故障會導致嚴重的次生故障，其過壓吸收功能完全可由線路濾波器與避雷器替代，沈陽地鐵車輛牽引系統(tǒng)所裝配的壓敏電阻及續(xù)流回路取消后，通過實際驗證新的牽引主回路更加安全可靠，符合車輛系統(tǒng)RAMS整體要求。

參考文獻

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