靴軌受流的直線電機(jī)地鐵車輛直流過電壓現(xiàn)象分析及對策

陳曉亮， 唐 宋

(廣州地鐵集團(tuán)有限公司， 廣州 510000)

隨著城市交通的快速發(fā)展，靴軌受流方式被越來越多的城市地鐵應(yīng)用，目前國內(nèi)已有十幾個(gè)城市近30%的城軌線路采用了靴軌受流模式，靴軌受流下列車高壓系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)備受關(guān)注。與此同時(shí)，直線電機(jī)牽引系統(tǒng)隨著長沙磁懸浮線的開通、北京CBD線、上海崇明島線的投建再次成為城市軌道交通新發(fā)展的關(guān)注點(diǎn)之一。

相比弓網(wǎng)受流系統(tǒng)，靴軌受流系統(tǒng)施工簡單，日常維護(hù)量更小，故障率更低，同時(shí)對地鐵沿線的城市景觀起到很好的改善作用。但是靴軌受流的局限性在于存在斷電區(qū)，列車以一定的速度經(jīng)過斷電區(qū)時(shí)，再生制動(dòng)工況下電能無法通過集電靴及時(shí)回饋電網(wǎng)，則中間電壓可能出現(xiàn)強(qiáng)烈的振蕩，振蕩的峰值超過系統(tǒng)保護(hù)的范圍，則會(huì)報(bào)出直流過壓故障。

由于直線電機(jī)地鐵車輛使用了相比傳統(tǒng)地鐵更小的隧道斷面，大幅節(jié)約成本的同時(shí)使得車下空間更為狹窄，因此一般沒有配置車載制動(dòng)電阻，列車的電制動(dòng)主要通過再生制動(dòng)將多余電能回饋到變電所的吸收電阻。列車在高速大載荷進(jìn)行大級(jí)位制動(dòng)時(shí)，為了輸出更大的制動(dòng)電流，調(diào)制比可能達(dá)到峰值導(dǎo)致中間電壓振蕩偏高，進(jìn)而報(bào)出直流過壓故障。

除上述兩種常見故障類型外，列車供電網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)壓波動(dòng)時(shí)的峰值超過直線電機(jī)列車高壓系統(tǒng)的保護(hù)值也會(huì)觸發(fā)直流過壓或網(wǎng)壓過壓故障。

針對上述3種常見的直流過壓故障源，文中將系統(tǒng)的從直線電機(jī)列車的硬件設(shè)計(jì)及軟件控制等方面進(jìn)行分析，并對相應(yīng)的解決措施展開論述。

1 直流過壓故障邏輯及高壓回路設(shè)計(jì)

1.1 直線電機(jī)直流過壓故障邏輯

城市軌道交通直線電機(jī)列車的高壓系統(tǒng)主要采用DC 1 500 V/DC 750 V直流電進(jìn)行供電，并通過列車內(nèi)部的牽引逆變器VVVF、輔助逆變器SIV將直流電逆變?yōu)樽冾l變壓的交流電驅(qū)動(dòng)電機(jī)及供空調(diào)、空壓機(jī)使用的380 V交流電。當(dāng)逆變器直流側(cè)的電壓過高時(shí)，為防止逆變器受損，列車將報(bào)出相關(guān)直流過壓故障，自動(dòng)斷開高壓回路的斷路器及接觸器并關(guān)斷逆變器門極進(jìn)行自我保護(hù)。

以廣州地鐵5號(hào)線高壓系統(tǒng)為例，直流過壓故障邏輯如表1所示。

表1 直線電機(jī)列車直流過壓相關(guān)故障邏輯

通過表1可知，直流過壓故障主要可分為網(wǎng)壓過壓及中間電壓(濾波電容)過壓兩種，通過網(wǎng)壓端及濾波電容端的檢測實(shí)現(xiàn)對逆變器前、后端的保護(hù)。

1.2 直線電機(jī)列車高壓電路特點(diǎn)

圖1為5號(hào)線列車高壓主回路，除車間電源供電回路及輔助系統(tǒng)供電回路貫通全車外，列車高壓系統(tǒng)可分為MC/M0、M1/M2、M3/MC3個(gè)獨(dú)立的高壓供電單元。6節(jié)編組的直線電機(jī)列車在正線受流時(shí)，3個(gè)供電回路的DC 1 500 V牽引高壓母線通過物理隔離獨(dú)立受流，這種設(shè)計(jì)最大的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)某一個(gè)單元出現(xiàn)高壓短路等故障時(shí)，不影響其他兩個(gè)單元的牽引系統(tǒng)正常工作。

直線電機(jī)列車一般采用全動(dòng)車設(shè)計(jì)，同時(shí)出于車輛輕量化設(shè)計(jì)等考慮，取消了車載的制動(dòng)電阻，因此直線電機(jī)列車的電制動(dòng)主要以再生制動(dòng)為主。

圖1 列車系統(tǒng)高壓主回路原理圖

由于直線電機(jī)列車取消了旋轉(zhuǎn)電機(jī)復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可采用更小輪徑轉(zhuǎn)向架，車輛高度和軸重降低，同時(shí)也使得直線電機(jī)列車相比傳統(tǒng)地鐵列車可使用更小截面面積的隧道運(yùn)行。隧道空間小，直線電機(jī)列車更適宜采用靴軌受流方式，但由于剛性接觸軌的特性，在道岔、人防隔離門、牽引變電所等處必須設(shè)置斷口，尤其是在連續(xù)道岔區(qū)，可能出現(xiàn)連續(xù)斷口或者超長斷口，當(dāng)接觸軌斷開的長度大于同一組單元車的兩個(gè)相鄰集電靴間距離，或同一單元的兩個(gè)集電靴分別運(yùn)行在不同的斷口時(shí)，就形成了斷電區(qū)，即某單元車會(huì)完全失去高壓而造成牽引逆變器VVVF短時(shí)斷電的區(qū)域。雖然不同單元車高壓獨(dú)立保障了受流的安全性，但存在斷電區(qū)無法受流牽引及再生制動(dòng)的局限。

2 直線電機(jī)列車直流過壓故障類型及對應(yīng)解決措施

2.1 斷電區(qū)直流過壓故障

(1)斷電區(qū)直流過壓故障原因分析

如圖2的故障數(shù)據(jù)，列車在經(jīng)過斷電區(qū)且為再生制動(dòng)工況時(shí)，中間電壓為1 800 V左右，進(jìn)入斷電區(qū)后，中間電壓(圖中綠色曲線)開始劇烈波動(dòng)，當(dāng)中間電壓傳感器檢測到電壓波動(dòng)的峰值高于2 000 V時(shí)，列車報(bào)出直流過壓故障。

圖2 直流過壓故障SMC數(shù)據(jù)波形

(2)斷電區(qū)直流過壓故障解決措施

針對列車以再生制動(dòng)工況經(jīng)過斷電區(qū)時(shí)電流無法回饋電網(wǎng)導(dǎo)致列車出現(xiàn)直流過壓故障，可通過軟件調(diào)整列車在45～55k m/h再生制動(dòng)時(shí)的斬波門檻值，由原來的1 900 V 調(diào)整為1 850 V，當(dāng)中間電壓波動(dòng)超過門檻值1 850 V 時(shí)，軟件控制VVVF對直流側(cè)進(jìn)行斬波降壓。

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)速度高于45 km/h時(shí)進(jìn)行再生制動(dòng)，逆變器電壓高于1 850 V時(shí)出現(xiàn)斬波動(dòng)作，斬波信號(hào)開啟，電壓隨之下降。

圖3 軟件刷新后斬波圖

在設(shè)定的速度段45～55 km/h再生制動(dòng)時(shí)，中間電壓超過門檻值1 850 V時(shí)即開始斬波，尤其在原斷電區(qū)電壓振蕩較大路段，新軟件控制下的中間電壓波動(dòng)較之前明顯減弱，可以將中間電壓的波動(dòng)抑制在1 850 V以下，表明程序驗(yàn)證合格，對中間電壓的波動(dòng)有起到抑制作用，在全線路運(yùn)行均無異常。同時(shí)軟件增加了斷電區(qū)封鎖逆變的控制邏輯，當(dāng)斷電區(qū)中間電壓出現(xiàn)異常振蕩時(shí)，將觸發(fā)逆變器封鎖，3 s后自動(dòng)復(fù)位(見圖3～圖5)。

圖4 斬波開啟

圖5 過壓斬波過程

2.2 高速大載荷大級(jí)位制動(dòng)導(dǎo)致的直流過壓故障

(1)高速大載荷大級(jí)位制動(dòng)導(dǎo)致的直流過壓故障原因分析

由于直線電機(jī)列車無車載制動(dòng)電阻，列車的電制動(dòng)主要采用再生制動(dòng)，當(dāng)再生制動(dòng)在特定條件下調(diào)制出現(xiàn)問題，也可能導(dǎo)致出現(xiàn)直流過壓故障。

以廣州地鐵5號(hào)線列車為例，自上線以來，多次在早晚高峰的非斷電區(qū)出現(xiàn)直流過壓故障。讀取系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，列車每次故障時(shí)都存在以下特征：高速(80 km/h以上)、大載荷(接近或達(dá)到AW3)，司機(jī)人工快速100%級(jí)位制動(dòng)(1 s以內(nèi))。

如圖6所示，列車在高速大載荷情況下快速大級(jí)位制動(dòng)使得中間電壓(圖中綠色曲線)出現(xiàn)了劇烈的波動(dòng)，當(dāng)中間電壓傳感器檢測到電壓波動(dòng)的峰值高于2 000 V時(shí)，列車即報(bào)出直流過壓故障。

圖6 高速大載荷情況下大級(jí)位制動(dòng)直流過壓波形

由于直線電機(jī)列車在高速、AW3大載荷、快速大級(jí)位制動(dòng)的工況下需要較大的制動(dòng)電流，當(dāng)制動(dòng)電流較大時(shí)，則需要匹配較大的逆變電壓。

根據(jù)控制理論計(jì)算，當(dāng)直流側(cè)電壓達(dá)到DC 1 500 V時(shí)，逆變側(cè)理論最高輸出電壓為1 170 V(在實(shí)際工程應(yīng)用中會(huì)低于理論值、且受直線電機(jī)模型誤差影響還會(huì)更低)，當(dāng)網(wǎng)壓低于1 500 V時(shí)，逆變器要提供較大的逆變電壓滿足相應(yīng)的大電流輸出，因此控制調(diào)制比就會(huì)上升，甚至達(dá)到滿調(diào)制的現(xiàn)象，此時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力較差，外部則會(huì)出現(xiàn)直流過壓、逆變過流等故障現(xiàn)象，因此該故障屬于DCU控制邏輯缺陷。

(2)高速大載荷大級(jí)位制動(dòng)導(dǎo)致的直流過壓故障解決措施

傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)為避免此種情況的發(fā)生，會(huì)隨著網(wǎng)壓的降低，逆變器在控制上動(dòng)態(tài)減小對外電流輸出(即降功運(yùn)行)。

參考旋轉(zhuǎn)電機(jī)的控制，根據(jù)直線電機(jī)控制理論，當(dāng)列車在制動(dòng)工況，速度大于50 km/h，網(wǎng)壓小于1 500 V時(shí)，電流給定做以下動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)電流給定隨著網(wǎng)壓減小線性下降。

I1=I0×Unet/1 500

其中：

I1為網(wǎng)壓低于1 500 V時(shí)的電流給定；

I0為網(wǎng)壓高于1 500 V時(shí)的電流給定；

Unet為運(yùn)行時(shí)的網(wǎng)壓；

通過修改牽引系統(tǒng)控制程序，可以避免長時(shí)間出現(xiàn)調(diào)制比滿調(diào)制，解決電壓電流波動(dòng)引起的過流或過壓問題。

2.3 網(wǎng)壓波動(dòng)導(dǎo)致的直流過壓故障

(1)網(wǎng)壓波動(dòng)導(dǎo)致的直流過壓故障分析

對于直流側(cè)的電壓檢測，列車的故障保護(hù)邏輯中包含了網(wǎng)壓檢測的前端保護(hù)，當(dāng)?shù)?軌供電的網(wǎng)壓出現(xiàn)異常波動(dòng)時(shí)，DCU也會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)。

如圖7，列車在故障時(shí)刻檢測到了網(wǎng)壓有一個(gè)2 ms的瞬間波動(dòng)，其中網(wǎng)壓最高達(dá)到2 200 V，中間電壓(濾波電容電壓)檢測無異常，當(dāng)DCU檢測到網(wǎng)壓大于2 000 V 時(shí)，會(huì)自動(dòng)跳開高速斷路器、短接接觸器、封鎖逆變脈沖。

圖7 網(wǎng)壓過壓故障波形

這種網(wǎng)壓過壓故障保護(hù)設(shè)計(jì)為硬件保護(hù)，當(dāng)網(wǎng)壓或?yàn)V波電容電壓過高時(shí)，通過運(yùn)放電路，無延時(shí)直接輸出保護(hù)指令，牽引系統(tǒng)VVVF故障數(shù)據(jù)網(wǎng)壓過壓的數(shù)據(jù)采集周期僅為50 μs，因此保護(hù)動(dòng)作非常迅速，對設(shè)備壽命的延長有積極的意義，但是其對于網(wǎng)壓的穩(wěn)定性要求也相對苛刻。

(2)網(wǎng)壓波動(dòng)導(dǎo)致的直流過壓故障應(yīng)對措施

網(wǎng)壓波動(dòng)導(dǎo)致的網(wǎng)壓過壓或?yàn)V波電容過壓故障非列車自身原因?qū)е?，出于對列車設(shè)備的保護(hù)，建議保留現(xiàn)有的故障檢測邏輯。為了避免故障對正線運(yùn)營造成影響，制定相應(yīng)的故障處理流程和故障提示信息，當(dāng)網(wǎng)壓過壓故障出現(xiàn)后，及時(shí)復(fù)位以消除故障影響。

同時(shí)，可以根據(jù)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的穩(wěn)定性，在保證設(shè)備性能的前提下，適當(dāng)提高直流過壓邏輯的硬件保護(hù)值(如2 200～2 400 V)以降低故障對正線運(yùn)行的影響。

3 結(jié)束語

通過以上分析可知基于城市軌道交通直線電機(jī)列車靴軌受流，無拖車，無車載制動(dòng)電阻的特殊設(shè)計(jì)，列車高壓系統(tǒng)直流過壓故障原因主要分為斷電區(qū)電壓振蕩、高速大載荷情況下進(jìn)行快速大級(jí)位制動(dòng)及正線網(wǎng)壓波動(dòng)3種。針對斷電區(qū)電壓振蕩故障因素，可通過軟件修訂斬波門檻值抑制電壓振蕩進(jìn)行解決；針對高速大載荷情況下進(jìn)行快速大級(jí)位制動(dòng)故障因素，通過軟件對電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整以避免出現(xiàn)滿調(diào)制的情況；針對城市電網(wǎng)帶來的網(wǎng)壓波動(dòng)因素，通過清晰的故障提示信息和復(fù)位操作及時(shí)恢復(fù)，保障列車運(yùn)行。