超級電容有軌電車充電回路的保護(hù)

黃 靜

（上海市政養(yǎng)護(hù)管理有限公司有軌電車事業(yè)部，201103，上?！喂こ處煟?/p>

淮安市現(xiàn)代有軌電車1期工程采用以超級電容為儲能容器的新型有軌電車。有軌電車在正線運行時，利用停靠站時間，通過安裝在車站的充電設(shè)施對車載超級電容進(jìn)行充電。其最大充電電流為1 800 A，電壓為DC 500～900 V。在項目初期，因充電柜的DC/DC模塊發(fā)生故障而短路，導(dǎo)致充電柜輸出/輸入熔斷器熔斷，同時列車上超級電容正負(fù)極熔斷器也熔斷，使有軌電車失去牽引電源而無法運行。

GB/T 7928—2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》規(guī)定：主回路、輔助電路、控制電路應(yīng)有可靠的保護(hù)。主電路的大電流保護(hù)還應(yīng)與牽引變電站的大電流保護(hù)相協(xié)調(diào)，在各種故障短路狀態(tài)下能夠可靠地分?jǐn)?，并?yīng)有故障顯示和故障切除裝置，以維持列車故障運行。而對于運行線路條件相對復(fù)雜的有軌電車，其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對此并沒有具體規(guī)定。對于儲能式有軌電車，當(dāng)充電柜出現(xiàn)此類故障，確保有軌電車具有繼續(xù)運行的能力就顯得尤為重要。

本文從超級電容有軌電車充電回路保護(hù)裝置入手，探討發(fā)生此類故障時保障有軌電車運行的可行性方案，從而增加系統(tǒng)的可用性、可維護(hù)性以及安全性。

1 故障分析及改進(jìn)措施

1.1 故障原因

圖1為有軌電車充電回路示意圖。由圖1可知，充電柜安裝于車站，而超級電容箱、牽引箱均安裝在列車頂部。當(dāng)站內(nèi)無列車?？繒r，充電柜并不輸出充電電流；當(dāng)列車進(jìn)站時，充電柜通過檢測列車位置信號及充電柜電壓信號來判斷輸出或停止輸出充電電流。如果充電回路任一位置發(fā)生短路（如圖1所示的3個短路點），即相當(dāng)于直接將超級電容兩端短接，導(dǎo)致瞬時大電流將回路中的熔斷器熔斷。而超級電容側(cè)的熔斷器熔斷后，則無法為列車牽引逆變器供電，導(dǎo)致列車無法繼續(xù)運行。項目初期的故障即是由于DC/DC模塊故障后短路（如圖1中短路點3），造成輸出熔斷器及超級電容兩側(cè)熔斷器全部熔斷，牽引逆變器失去電源，使列車無法以自身動力運行。

1.2 改進(jìn)措施

造成列車失去自身動力的最主要原因是由于充電回路中任意位置發(fā)生短路后，超級電容發(fā)生短接而瞬時大電流放電，將電容兩側(cè)的熔斷器熔斷，導(dǎo)致為牽引逆變器的供電回路開路。因此，針對充電回路的改進(jìn)主要以防止電容非正常放電以及對充電回路進(jìn)行瞬時大電流保護(hù)兩種措施為主。

1.2.1 在充電回路中增設(shè)硅二極管

增設(shè)硅二極管后的充電回路如圖2所示。由圖2可知，在充電回路中增設(shè)硅二極管后，如果硅二極管左側(cè)回路短路（如圖2中短路點3），硅二極管將有效防止超級電容瞬時非正常放電，可有效保護(hù)超級電容兩側(cè)的熔斷器，列車從而利用超級電容電能維持運行至下一站進(jìn)行充電。

圖1 有軌電車充電回路示意圖

圖2 增設(shè)硅二極管的充電回路

硅二極管具有改進(jìn)簡單、便捷，費用較低的優(yōu)勢。其改進(jìn)措施的不足之處如下：

（1）硅二極管的安裝位置受限（不能安裝至超級電容給牽引箱供電的回路中），保護(hù)范圍有局限性，并不能完全做到整個回路保護(hù)。如圖1中的短路點1發(fā)生短路時，硅二極管便無法起到保護(hù)作用。

（2）硅二極管影響充電柜采集充電軌電壓，故須同時改進(jìn)電壓采集設(shè)備的安裝位置。

（3）硅二極管對工作環(huán)境溫度要求較高，在戶外暴露的工作環(huán)境下，其工作穩(wěn)定性略差。

1.2.2 在充電回路中增設(shè)高速斷路器

傳統(tǒng)的軌道交通車輛的牽引主回路為單一回路，設(shè)有高速斷路器，當(dāng)回路過流時瞬間動作，從而保護(hù)整個回路。超級電容車輛的主回路由牽引回路與充電回路組成。目前，在牽引回路中設(shè)置高速斷路器，但它不能對充電回路進(jìn)行有效保護(hù)。因此，需在充電回路中增設(shè)高速斷路器來保護(hù)充電回路。增設(shè)高速斷路器的充電回路如圖3所示。

增設(shè)高速斷路器改進(jìn)措施的優(yōu)勢如下：①不受安裝位置影響，能夠全面保護(hù)整個充電回路；②對其他元器件不存在任何干擾；③對環(huán)境溫度要求較為寬松。增設(shè)高速斷路器改進(jìn)措施的不足之處如下：①改進(jìn)費用較貴；②改進(jìn)工程量較大，需另配單獨隔離空間。

圖3 增設(shè)高速斷路器的充電回路

兩種改進(jìn)措施各有優(yōu)劣：增設(shè)硅二極管的改進(jìn)方案相對簡單，更適合已建項目；而增設(shè)高速斷路器的方案能全面保護(hù)充電回路，更適合新建項目。本文著重對增設(shè)高速斷路器的改進(jìn)方案進(jìn)行分析。

2 高速斷路器安裝方式選型

傳統(tǒng)的電力機(jī)車或動車均在受電器與牽引變壓器原邊繞組之間安裝高速斷路器。高速斷路器是車輛的電源總開關(guān)，兼控制和保護(hù)功能?；窗岔椖康某夒娙蒈囕v上，高速斷路器安裝在超級電容至牽引變壓器之間的回路上，而受電器至超級電容之間裝有熔斷器，當(dāng)充電回路發(fā)生短路時，會導(dǎo)致超級電容正負(fù)極短接，造成超級電容正負(fù)極熔斷器熔斷的不可逆后果，使列車失去牽引電源。因此，若能在列車充電回路中增加高速斷路器，且在充電回路發(fā)生大電流時自動分?jǐn)?，并在故障排除后可自動或人工重新合閘，就可確保列車具備繼續(xù)運行的能力。

影響超級電容壽命的主要因素是溫度和過電壓［1］。因此，在高速斷路器選型時應(yīng)考慮選擇額定電壓與線路供電電壓接近的型號。高速斷路器的安裝位置是影響列車運行效率的主要因素之一。

高速斷路器可增加列車的可持續(xù)運行能力。就保護(hù)范圍而言，其首選應(yīng)安裝在受電器與超級電容之間的線路上，一旦設(shè)備發(fā)生故障，僅影響本列車充電，而不影響其他列車充電；次選位置為充電柜輸出端，高速斷路器發(fā)生故障時可選通過越站充電而避開故障點，從而減小故障對運營的影響。

2.1 高速斷路器安裝在車頂

高速斷路器的傳統(tǒng)安裝方式為直接安裝在受電器下級，以保護(hù)整列列車的電氣回路。淮安市有軌電車的控制線路使用24 V制式，并選用某品牌UR 15系列的高速斷路器。其額定電壓為900 V，控制電壓為DC 24 V，額定熱電流為1 500 A，大電流機(jī)械反應(yīng)時間為5 ms。這種安裝方式的優(yōu)點在于車輛可直接提供控制電源，且與車輛電氣系統(tǒng)能融合于一起，但亦存在以下不足之處：

（1）高速斷路器的額定熱電流為1 500 A，與充電柜設(shè)計輸出電流1 800 A不符，易導(dǎo)致高速斷路器誤動作，影響車輛正線運營。同時，高速斷路器長期在大電流環(huán)境下運行，對其可靠性、使用壽命等有諸多不利影響。如將充電柜輸出充電電流降至1 500 A，既延長了充電時間，又降低了充電效率。

（2）作為車輛的主要保護(hù)部件，如果高速斷路器發(fā)生嚴(yán)重故障，則列車要停止運營。

（3）車頂安裝空間有限。UR 15系列的高速斷路器尺寸約為600 mm×275 mm×400 mm，若加上絕緣空間，其尺寸約為1 300 mm×675 mm×550 mm。100%低地板的有軌電車大部分設(shè)備安裝在車頂，本身布局已非常緊湊，若要在車頂預(yù)留此空間，則需對車頂多個系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計和布局，工程量及難度均較大。

2.2 高速斷路器安裝在充電柜輸出端

高速斷路器安裝在充電柜輸出端的安裝方式除了保護(hù)整列列車的電氣回路，還保護(hù)了從充電柜輸出端到充電軌的電路。根據(jù)地面供電系統(tǒng)設(shè)計［2］，可選用某品牌U 26型高速斷路器。其額定電壓為1 000 V，控制電壓為DC 110 V，額定熱電流為2 600 A，大電流機(jī)械反應(yīng)時間為3 ms。該安裝方式的優(yōu)點如下：

（1）提高車輛的可靠性和可用性。在相同保護(hù)條件下，減少車輛上設(shè)備的故障點，提高了車輛的可靠性。另外，如充電柜出現(xiàn)故障或高速斷路器出現(xiàn)故障，列車可越站充電，不會出現(xiàn)因高速斷路器故障而導(dǎo)致列車停止運營的情況。

（2）提高可維護(hù)性。當(dāng)充電柜發(fā)生故障或高速斷路器故障時，可即刻進(jìn)行在線維修，提高故障響應(yīng)時間，不必等車輛下線后再進(jìn)行檢查和維修。

（3）安裝位置靈活?，F(xiàn)場空間延展性大，具備可操作性。

（4）提高在線維修的安全性。當(dāng)充電柜發(fā)生故障需要進(jìn)行在線無電維修時，只需切斷高速斷路器，即可防止超級電容的電回送到充電柜中，保護(hù)在線維修人員，亦使充電柜的在線維修具備可操作性。

該安裝方式的不足之處在于：

（1）每個充電柜均要增加控制電源以提供高速斷路器控制回路電源。

（2）正線充電柜數(shù)量大于列車數(shù)量，前期投入設(shè)備數(shù)量較大。

結(jié)合目前項目的實際情況，將高速斷路器安裝在充電柜輸出端，可有效提高車輛的可靠性、可用性和設(shè)備的可維護(hù)性與安全性，同時亦具備可操作性。

3 高速斷路器安裝的可行性探討

充電柜在未安裝可分?jǐn)啾Ｗo(hù)的情況下，充電柜故障可直接導(dǎo)致列車熔斷器熔斷，并需救援回庫。正線充電柜安裝具備分?jǐn)喙δ艿母咚贁嗦菲骱?，能否改善整個系統(tǒng)的可靠性，當(dāng)充電柜發(fā)生故障、高速斷路器動作時是否波及超級電容的熔斷器而導(dǎo)致列車失去運行能力，以及能否提高設(shè)備的可維護(hù)性和安全性等都成為亟待解決的問題。

3.1 故障時的運行能力

有軌電車超級電容的輸入和輸出端均安裝熔斷器，用以在大電流情況下迅速熔斷從而保護(hù)超級電容。一旦熔斷器熔斷，列車將失去自身動力，不得不依靠外部動力救援回庫而影響運營次序。若在充電柜安裝分?jǐn)喙δ艿母咚贁嗦菲骱?，必須確保其動作響應(yīng)時間低于熔斷器響應(yīng)時間，即其動作時不應(yīng)對熔斷器產(chǎn)生影響，才能使列車具備繼續(xù)運行的能力。

淮安市有軌電車單車裝備了3組超級電容，每組超級電容在正負(fù)極各并聯(lián)安裝了2個熔斷器，設(shè)計充電電流可達(dá)3 000 A，流過每個熔斷器的電流為500 A（見圖4）。實際所需設(shè)計最大充電電流為1 800 A，充電電壓為900 V。當(dāng)充電柜發(fā)生故障產(chǎn)生短路電流時，該高速斷路器有能力保護(hù)超級電容的熔斷器，確保列車功能完好，實現(xiàn)不中斷的跨站通行。因此選定某品牌U26型高速斷路器，其額定電壓為1 000 V，控制電壓為DC 110 V，額定熱電流為2 600 A，大電流機(jī)械響應(yīng)時間為3 ms。

圖4 超級電容與熔斷器示意圖

圖5和圖6分別為車載630 A熔斷器和某品牌500 A熔斷器的熔斷特性曲線。假設(shè)由于充電柜故障導(dǎo)致3 600 A電流（超過充電柜設(shè)計電流2倍）通過高速斷路器時，流入每組超級電容熔斷器的電流約為600 A（假設(shè)3組超級電容與安裝在正極的2對熔斷器內(nèi)阻一致），此時圖5中熔斷器尚未達(dá)到熔斷值，而高速斷路器已達(dá)到分?jǐn)嘣O(shè)定值。假定高速斷路器分?jǐn)嗲半娏鞣逯颠_(dá)到6 000 A（超過高速斷路器額定值的2倍），流過每個熔斷器的電流為1 000 A，根據(jù)圖5中的熔斷器特性曲線推斷出熔斷時間在1 000 s左右，即使采用圖6中500 A規(guī)格的熔斷器，熔斷時間也在100 s左右，遠(yuǎn)大于高速斷路器動作響應(yīng)時間3 ms。因此，當(dāng)充電柜輸出端有大電流發(fā)生時，高速斷路器將先于熔斷器分?jǐn)?，可以有效避免充電柜輸入、輸出端與超級電容熔斷器一起熔斷后列車無法起動的尷尬情況，極大地增加了設(shè)備的容錯率。

圖5 車載630 A熔斷器特性曲線

圖6 某品牌500 A熔斷器特性曲線

3.2 維護(hù)時的安全性與便捷性

通常在維修或搶修充電柜時，除了將整個充電柜電源斷開，還必須禁止列車通過站臺（或者列車必須手動降下受電弓后通過）。這嚴(yán)重影響了運營秩序。因為在列車通過站臺時，超級電容會通過受電弓與充電軌，使得充電柜內(nèi)部元器件兩端形成電位差，對充電柜的設(shè)備、維修人員均帶來嚴(yán)重的安全隱患。

而在充電柜輸出端安裝高速斷路器可大大提高充電柜的安全性與便捷性。在充電柜需要進(jìn)行搶修或維修時，維修人員僅需將高速斷路器人為分?jǐn)?，在充電柜一?cè)做好防護(hù)接地后即可開展相應(yīng)工作，不影響列車正常通過站臺，避免因此類故障導(dǎo)致列車運營停滯。

3.3 現(xiàn)場安裝的可行性

有軌電車車站充電柜可設(shè)置于軌行區(qū)上、下行的中間綠化帶內(nèi)，屬于獨立柜體。高速斷路器安裝在該柜體內(nèi)部。柜體周圍空間開闊，可另做基礎(chǔ)，柜體內(nèi)電纜通過地下纜井相連接。為避免因增加高速斷路器而調(diào)整原充電柜的布局，可將充電柜與高速斷路器進(jìn)行物理隔離，以便于維保工作的開展。

U26型高速斷路器需DC 110 V電源驅(qū)動?，F(xiàn)有充電柜內(nèi)具有DC 110 V電源，并與UPS（不間斷電源）相連，容量滿足熔斷器需求，可直接利用充電柜內(nèi)電源，無需額外增加電源。

4 結(jié)語

儲能式有軌電車的快速發(fā)展現(xiàn)已成為國內(nèi)有軌電車行業(yè)的一種趨勢。其儲能裝置的充電回路采取合理的保護(hù)方式將有利于有軌電車的運營組織以及減小社會影響。通過對淮安市新型有軌電車充電柜故障案例的分析得知，現(xiàn)有線路條件下在充電柜輸出端安裝高速斷路器可增強(qiáng)有軌電車充電系統(tǒng)保護(hù)能力。

［1］ 顧帥，韋莉，張逸成，等.超級電容器老化特征與壽命測試研究展望［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2013（21）：145.

［2］ 張偉先，文午.儲能式現(xiàn)代有軌電車地面充電系統(tǒng)［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2015（4）：30.