地鐵1500V制動能量消耗裝置應(yīng)用

陳炳培

摘 要：隨著我國城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，國內(nèi)軌道交通主要采用電氣再生制動方式。電氣再生制動是城市軌道列車運行中的一個關(guān)鍵、重要的技術(shù)，關(guān)系到列車能否安全、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地進站、停車。目前，在國內(nèi)各大城市的地鐵列車均采用電氣再生制動方式（簡稱制動技術(shù)），在牽引變電所內(nèi)設(shè)置有一套制動能量消耗裝置，文章重點介紹了制動能耗裝置的工作原理和保護設(shè)置，針對在實際運用中出現(xiàn)的一些問題進行分析、總結(jié)，并提出合理化建議。

關(guān)鍵詞：再生制動能耗；IGBT；溫度保護

中圖分類號：F570.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）18-0180-03

Abstract： With the rapid development of urban rail transit construction in China， the electric regenerative braking mode is mainly used in the domestic rail transit. Electrical regenerative braking is a key and important technology in the operation of urban rail train， which relates to whether the train can enter and stop safely， accurately and stably. At present， the subway trains in major cities in China adopt the electric regenerative braking mode （abbreviated as braking technology）， and a set of braking energy consumption devices are installed in the traction substations. This paper mainly introduces the working principle and protection setting of brake energy consumption device， analyzes and summarizes some problems in practical application， and puts forward some reasonable suggestions.

Keywords： regenerative braking energy consumption； IGBT； temperature protection

1 再生制動能耗裝置簡介

至今，在我國城市軌道交通領(lǐng)域中，牽引交流變頻變壓調(diào)速（即VVVF系統(tǒng)）、牽引1500v再生電制動系統(tǒng)是應(yīng)用得較為廣泛的調(diào)速技術(shù)。廣州地鐵4、5、6號線采用VVVF系統(tǒng)交流調(diào)速系統(tǒng)。再生制動能耗裝置屬于車輛調(diào)速設(shè)備的范疇，其功能是作為車輛再生制動時的總吸收裝置，為車輛提供再生制動功能，并滿足車輛各種性能試驗。

廣州地鐵4、5、6號線吸收裝置采用恒壓電阻整定吸收裝置，即利用斬波器設(shè)置4會支路配合電阻吸收，根據(jù)列車再生制動時1500v電壓的抬升狀態(tài)，吸收裝置內(nèi)的控制元件調(diào)節(jié)斬波器的導(dǎo)通時間，從而在短時間內(nèi)改變吸收功率大小，將列車制動產(chǎn)生的線網(wǎng)高電壓恒定在某一設(shè)定值范圍內(nèi)波動。

在目前國內(nèi)各大城市應(yīng)用的電氣再生制動或電氣再生-電阻吸收制動模式，對于上線列車密度不大的線路，再生電制動功能啟動條件不滿足、啟動比較少，電制動方式得不到充分發(fā)揮，導(dǎo)致氣制動投入頻繁，造成列車剎車系統(tǒng)的閘瓦磨耗較快，使得洞內(nèi)或沿線閘瓦灰塵較多，嚴(yán)重污染環(huán)境，而且也剎車摩擦造成熱能的增加，地鐵隧道內(nèi)溫度較高，影響隧道的使用壽命。而牽引變電所的再生制動能量消耗裝置是裝設(shè)在牽引變電所的集中吸收設(shè)備裝置，使列車再生能量消耗在地面空間，大大降低工程建設(shè)費用及運營費用。其工作原理如圖1所示。

當(dāng)處于再生制動狀況的列車回饋出去的電流不能完全被其他車輛和本車的用電設(shè)備所吸收時，能量消耗裝置立即投入工作，吸收掉多余的回饋電流，使車輛再生電流持續(xù)穩(wěn)定，最大限度的發(fā)揮電制動功能。

2 再生制動能耗裝置的原理及組成

1500v制動能耗消耗裝置組成含控制柜（隔離開關(guān)柜、斬波器柜）和電阻柜：

（1）隔離開關(guān)柜：由電動隔離開關(guān)（QS），線路接觸器

（KM1），預(yù)充接觸器（KM2），濾波電容，濾波電抗，電流、電壓傳感器，避雷器等構(gòu)成。

（2）1500v斬波器柜：由1500vIGBT四回斬波器（VT1～VT4）支路，1500v四回續(xù)流二極管（VD1～VD4）支路，微機控制系統(tǒng)，上位機，支路快速熔斷器、支路故障隔離開關(guān)（QS1-QS4）、溫度傳感器及避雷器等構(gòu)成。

（3）吸收電阻柜：吸收電阻（RZ1～RZ4）。

工作原理介紹：

遠(yuǎn)程或當(dāng)?shù)夭僮骱仙想妱痈綦x開關(guān)QS和直流1500v斷路器219，能消裝置在收到直流斷路器219合閘信號后，1500v制動能耗裝置柜的微機上位機發(fā)指令合上預(yù)充接觸器KM2，給濾波電抗、電容充電至1500v，再發(fā)指令合上主回路接觸器（KM1）。此時，1500v制動能耗裝置進入穩(wěn)定工作狀態(tài)：微機下位機不斷根據(jù)傳感器檢測線網(wǎng)1500v電壓的抬升變化，結(jié)合33kV電壓波動和整定的吸收電壓值，判斷列車是否處于再生制動狀態(tài)并需要吸收能量時，啟動斬波器立即導(dǎo)通投入吸收工作。當(dāng)車輛制動級數(shù)較低，電壓低時，即回饋電流較小時，微機通過自動調(diào)節(jié)斬波器導(dǎo)通比和時間，使斬波器處于低開通或不導(dǎo)通狀態(tài)。隨著制動級數(shù)增加，微機控制系統(tǒng)經(jīng)過判斷，快速調(diào)節(jié)斬波器導(dǎo)通比的大小，達(dá)到導(dǎo)通開和關(guān)的目的，等待車輛再次再生的出現(xiàn)，如此循環(huán)，實時控制，以維持1500v電網(wǎng)電壓維持在一定的范圍內(nèi)，確保列車能充分有效的實施電制動。

圖3是典型的運行中牽引-制動波形圖，我們可以清晰地看到列車在運行時電網(wǎng)電壓、裝置電壓、電網(wǎng)電流、吸收電流的變化曲線。電網(wǎng)電流表示牽引電流，而裝置的吸收電流大小和時間長短反映了設(shè)備正在吸收工作，吸收列車對線網(wǎng)多余的回饋電流，使列車再生電流持續(xù)、穩(wěn)定。

3 設(shè)置的保護類型

斬波器柜作為整套設(shè)備中的關(guān)鍵部分，起著控制、調(diào)節(jié)作用，其核心部件IGBT的狀態(tài)更是決定了設(shè)備能否正常運行，因此，大部分保護是針對IGBT設(shè)置的。

（1）過電壓保護：1500v直流側(cè)出現(xiàn)的過電壓包括操作過電壓、雷擊過電壓和來自列車上制動產(chǎn)生的過電壓。當(dāng)1500v系統(tǒng)網(wǎng)壓超過設(shè)定值時，保護動作，裝置退出運行。

（2）IGBT超溫保護：在IGBT散熱器上設(shè)置溫度傳感器元件，當(dāng)溫度超過保護設(shè)定值時，發(fā)出IGBT超溫故障信號，保護動作，關(guān)閉系統(tǒng)，裝置退出運行。

（3）電阻柜溫度保護：電阻柜空氣出口溫度設(shè)定三檔，當(dāng)溫度超過150℃時，吸收功率自動降低到最大設(shè)定功率的2/3；當(dāng)溫度超過170℃時，吸收功率自動降低到最大設(shè)定功率的1/2；當(dāng)溫度超過200℃時，斬波器自動關(guān)閉。

（4）過流保護：IGBT斬波器為四相不重，針對四個IGBT支路，定義了每個支路的IGBT能承受1000A的過流。

（5）熔斷器熔斷保護：也是為保護斬波器設(shè)計，當(dāng)一個支路的熔斷器熔斷時，系統(tǒng)報警，該支路退出運行；當(dāng)兩個支路的熔斷器熔斷時，系統(tǒng)跳閘，能耗裝置退出運行。

（6）1500v回路短路保護：1500v短路保護在主回路上分為1500v斬波器前路徑的短路保護和1500v斬波器后路徑的短路保護。當(dāng)短路點發(fā)生在斬波器后一級，設(shè)備首先關(guān)斷斬波器，發(fā)出相應(yīng)支路短路保護信號；短路點發(fā)生在斬波器前一級（含斬波器本身），快速斷路器動作。當(dāng)裝置出現(xiàn)1500v過流、短路、接地故障時，微機迅速向所內(nèi)的1500v直流斷路器發(fā)出故障跳閘信號。

另外，作為對IGBT元件的保護，IGBT的控制回路還增加了RCD型緩沖吸收回路。

4 運行中的問題分析

廣州地鐵4、5、6號線采用的牽引所再生制動能量消耗裝置，在國內(nèi)尚屬新興技術(shù)，此前應(yīng)用范例并不很多，再加上廣州地鐵4、5、6號線采用的是國內(nèi)很少見的DC1500V三軌供電及線性電機車輛技術(shù)，從這幾年的運行經(jīng)驗來看，還存在一些問題，下面就介紹運行中出現(xiàn)的一些問題，并對其原因進行簡要分析：

自4、5、6號線開通后，HXXS9型制動能耗裝置發(fā)生過幾次嚴(yán)重的短路，并都伴隨有IGBT被擊穿炸裂的情況發(fā)生。

（1）發(fā)生在4號線萬勝圍牽引變電所，斬波柜吸收支路1和支路2的IGBT被炸裂，但支路快速熔斷器沒有及時動作，而是由上一級直流快速斷路器的大電流脫扣保護動作來切除故障，短路電流上升到4000A。另外，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)有主回路有對外殼放電現(xiàn)象，因為HXXS9型制動能耗裝置外殼對地為非絕緣安裝，在短路過程中有正極對地短路發(fā)生，從變電所鋼軌電位限制裝置的動作也證實了這一點。

（2）較嚴(yán)重的短路事故發(fā)生在4號線新造牽引降壓混合變電所，此次故障支路3和支路4 IGBT被炸裂。與萬勝圍變電所不同的是，支路3和支路4快速熔斷器及時切除了故障，并聯(lián)跳上一級直流快速斷路器，但支路3和支路4的短路電流也分別超過了540A ；經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)同樣伴有對地短路現(xiàn)象。

（3）發(fā)生在5號線車陂南牽引變電所，斬波柜吸收支路1的IGBT被炸裂，但支路快速熔斷器沒有及時動作，而是由上一級直流快速斷路器的大電流脫扣保護動作來切除故障，短路電流上升到4250A。

（4）發(fā)生在5號線 口牽混所， 斬波柜吸收支路2的IGBT已擊穿，導(dǎo)致制動能耗裝置跳閘。其故障電流達(dá)到了3000A，制動能耗裝置吸收電流檢測量程為3000A，其實際最大電流大于3000A，而219開關(guān)大電流脫扣保護動作定值為4000A，所以導(dǎo)致了制動能耗裝作內(nèi)部保護動作的同時，219開關(guān)大電流保護動作。

（5）發(fā)生在6號線北京路牽混所，斬波柜吸收支路3和支路4的IGBT被炸裂，但支路快速熔斷器沒有及時動作，而是由上一級直流快速斷路器的大電流脫扣保護動作來切除故障，短路電流上升到4000A。

通過對現(xiàn)象的分析判斷，可能性較大的原因有：

IGBT在關(guān)斷的過程中，由于線路電感的原因產(chǎn)生了較大的關(guān)斷過電壓，將IGBT擊穿。擊穿的過程中，由于IGBT的炸裂碎片和電弧的作用導(dǎo)致主回路對地短路。分析IGBT的關(guān)斷過電壓就要分析IGBT的特性，包括IGBT的導(dǎo)通特性和IGBT的關(guān)斷特性。

IGBT 是電壓控制型元器件，它的開通和關(guān)斷由柵極和發(fā)射極之間的電壓差UGE決定的，當(dāng)UGE正電壓且大于開啟電壓UGE（th）時，內(nèi)部MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進而使IGBT導(dǎo)通。IGBT關(guān)斷過程是由IGBT的通態(tài)到阻態(tài)的過程，存在關(guān)斷的過電壓同電網(wǎng)電壓疊加后施加到IGBT集射兩極后，其值超過IGBT 的最大允許過電壓Vces將IGBT擊穿的可能。

廣州地鐵4、5、6號線在運行初期存在電網(wǎng)電壓較高的現(xiàn)象，直流母線電壓經(jīng)常上到1700V左右，并且由于采用線性電機技術(shù)，造成線路電感的增加。針對幾次故障都是保護啟動了，但是IGBT元件仍然損壞。問題分析：IGBT工作在較高的工作頻率下，所以IGBT只能承受很短時的短路電流。因此，對IGBT一般采用裝置內(nèi)部故障自我保護，當(dāng)微機判斷可能出現(xiàn)危機IGBT時，如吸收時間過長的溫度保護，就發(fā)相應(yīng)的跳閘信號給219開關(guān)分閘，實現(xiàn)自我保護。

5 在實際運用中可以改進的方法如下

（1）通過控制IGBT關(guān)斷時間來抑制關(guān)斷過壓。

（2）針對制動能耗裝置外殼對地非絕緣安裝的問題，目前說法不一，主要是制動能耗裝置的定位問題，是否將制動能耗裝置看為饋線柜。如果將其看作饋線柜就須絕緣安裝，如果不是就不必絕緣安裝。絕緣安裝可以解決正極對地短路的問題，但是絕緣安裝如果發(fā)生正極對地短路現(xiàn)象，則由直流系統(tǒng)的框架保護動作，將會擴大停電范圍。

我們認(rèn)為，制動能耗裝置柜內(nèi)一次元件已經(jīng)全部采用雙重絕緣安裝，帶電體與外殼發(fā)生電流泄漏的概率非常小。制動電阻支路均串接于IGBT后方，當(dāng)電阻回路發(fā)生低于裝置整定電壓下的電流時，裝置將閉鎖IGBT并報警。IGBT控制回路對故障電流的限制能力非常靈敏且迅速，動作時間比直流斷路器快得多。如果IGBT前發(fā)生帶電體與外殼間電流泄漏，由對應(yīng)的直流開關(guān)柜判斷故障并切除。短路電流幅值較大時直流斷路器動作，短路電流幅值較小時，OVPD閉合后直流斷路器動作，均能可靠切除故障設(shè)備。

若設(shè)置框架保護，則必須單獨為制動能耗裝置設(shè)置一套，否則發(fā)生泄漏時故障范圍將擴大到直流開關(guān)柜設(shè)備。顯然，在泄漏概率極低的條件下，設(shè)置這樣一套單獨的框架保護是沒必要的，不但增加維護量、資金投入，也增加各種保護之間的配合難度。

綜上所述，制動能耗裝置發(fā)生直流泄漏的概率是極低的，采用非絕緣安裝方式完全適合，即使發(fā)生泄漏，也不會對值班員或操作人員的人身安全構(gòu)成威脅，不必設(shè)置框架保護。

6 結(jié)束語

至今，牽引變電所再生制動能量消耗裝置作為新技術(shù)的應(yīng)用，不可避免的存在一些問題，相信隨著時間的推移，在廠家與用戶的努力下，所有問題都會慢慢得到妥善解決。

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