地鐵彈簧受電弓與高壓電路的匹配優(yōu)化措施

郝曉武，盧 俊

（1. 鐵科院（北京）工程咨詢有限公司，北京 100081；2. 株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南株洲 412001）

1 引言

目前，城市軌道交通蓬勃發(fā)展，地鐵線路建設(shè)持續(xù)高位，國(guó)內(nèi)地鐵列車主要采用接觸網(wǎng)受流方式，地下線路因空間限制供電網(wǎng)線普遍采用剛性接觸網(wǎng)，受電弓是列車正常受流的關(guān)鍵設(shè)備。地鐵受電弓根據(jù)結(jié)構(gòu)原理，分為氣囊型受電弓、彈簧型受電弓[1]。前者應(yīng)用廣泛、可靠，而彈簧型受電弓因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、維護(hù)工作量小，正受到越來(lái)越多用戶的青睞。

與國(guó)內(nèi)大多數(shù)接觸網(wǎng)地鐵項(xiàng)目采用的依靠氣囊充風(fēng)升弓、排風(fēng)降弓的氣囊弓運(yùn)行方式恰恰相反，彈簧受電弓工作方式為彈簧升弓、空氣降弓。彈簧升弓的結(jié)構(gòu)方式?jīng)Q定了彈簧受電弓的主要特性為：升弓過(guò)程中，會(huì)存在較大幅度彈跳，震蕩3～5 s后穩(wěn)定接觸接觸網(wǎng)；運(yùn)行過(guò)程中，受電弓彈跳頻率相對(duì)較高，離線率亦相對(duì)較高。

基于這些特性，列車在大電流大電壓環(huán)境下工作，弓網(wǎng)存在瞬間通斷及震蕩接觸，非常容易導(dǎo)致高壓設(shè)備產(chǎn)生過(guò)電壓、拉弧，極端情況下甚至損壞高壓設(shè)備。因此需對(duì)列車高壓電路進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，確保列車供電穩(wěn)定性。本文針對(duì)某實(shí)際線路中該類受電弓與高壓電路進(jìn)行匹配性分析，同時(shí)針對(duì)正線運(yùn)行中出現(xiàn)的故障問(wèn)題進(jìn)行分析與優(yōu)化驗(yàn)證，對(duì)后續(xù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)選型有一定指導(dǎo)意義。

2 電路匹配性分析

2.1 列車基本參數(shù)

列車采用4M2T的6輛編組A型車，分2個(gè)動(dòng)力單元，最大運(yùn)營(yíng)速度80 km/h，采用DC1500V架空接觸網(wǎng)受電方式。列車編組如圖1所示。

圖1 列車編組示意圖

每個(gè)動(dòng)力單元的高壓電路原理圖如圖2所示。

圖2 列車高壓電路原理圖

列車主要高壓子系統(tǒng)分為以下3類系統(tǒng)，均需要從受電弓取電。

（1）牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)（含高壓電器箱、牽引逆變器、電機(jī)等，每列車4臺(tái)，安裝于Mp車，單臺(tái)容量1 100 kVA）。

（2）輔助電源系統(tǒng)（含輔助電源箱等，每列車2臺(tái)，安裝于Tc車，單臺(tái)容量240 kVA，其內(nèi)含緊急供電電源模塊，提供DC1500 / DC110V變換功能，容量400 W）。

（3）牽引蓄電池充電系統(tǒng)（含DC / DC等，每列車2臺(tái)，安裝于Tc車，單臺(tái)容量30 kW）。

2.2 受電弓結(jié)構(gòu)

受電弓采用單臂、輕型彈簧受電弓，受電弓結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由弓頭、弓頭支撐、上臂、下臂、平衡桿、聯(lián)軸桿、主彈簧、降弓氣缸、鎖鉤、空氣管路等組成[2]。

圖3 彈簧受電弓結(jié)構(gòu)示意圖

主要參數(shù)如下。

（1）工作方式為氣動(dòng)解鎖、彈簧拉力升弓，氣動(dòng)降弓。

（2）臂桿形狀為單臂彈簧式受電弓。

（3）靜態(tài)接觸力為80±10 N。

（4）額定工作電流1 600 A。

（5）升弓時(shí)間不大于8 s（可調(diào)）。

（6）降弓時(shí)間不大于8 s（可調(diào)）。

2.3 匹配分析

升弓過(guò)程中，由于受電弓會(huì)存在較大幅度彈跳，震蕩3～5 s后方可穩(wěn)定接觸接觸網(wǎng)，根據(jù)列車高壓電路圖可知，高壓系統(tǒng)設(shè)備均有LC濾波器件、開(kāi)關(guān)器件、功率變換模塊，若有高壓后立即啟動(dòng)，將使得設(shè)備短時(shí)間出現(xiàn)多次啟停。因此，針對(duì)升弓阻尼進(jìn)行合理優(yōu)化，減小彈跳幅度，同時(shí)在升弓階段各高壓子系統(tǒng)延時(shí)5 s以上閉合高速斷路器/接觸器等開(kāi)關(guān)器件，待網(wǎng)壓穩(wěn)定后開(kāi)始啟動(dòng)。對(duì)于無(wú)延時(shí)啟動(dòng)，直接與弓網(wǎng)連接的高壓設(shè)備（如緊急供電電源模塊）增加輸入限流電阻，增強(qiáng)抗沖擊能力[3]。

運(yùn)行過(guò)程中，受電弓彈跳頻率相對(duì)較高，對(duì)此需在調(diào)試階段優(yōu)化受電弓接觸力，減少?gòu)椞l率與幅度，確保弓網(wǎng)離線率在標(biāo)準(zhǔn)范圍。

3 故障問(wèn)題與優(yōu)化分析

即使針對(duì)應(yīng)用彈簧受電弓的高壓電路系統(tǒng)做了相關(guān)匹配性設(shè)計(jì)，仍難以完全規(guī)避未知的故障風(fēng)險(xiǎn)，下面將針對(duì)調(diào)試與運(yùn)行中的常見(jiàn)故障進(jìn)行優(yōu)化分析。

3.1 故障問(wèn)題

某項(xiàng)目彈簧受電弓在線路運(yùn)行過(guò)程中，常見(jiàn)的故障為升弓過(guò)電壓故障，主要損壞無(wú)延時(shí)啟動(dòng)直接與弓網(wǎng)連接的緊急供電電源模塊（用于DC1500V轉(zhuǎn)DC110V）。故障表現(xiàn)為：受電弓升弓過(guò)程中，瞬間過(guò)電壓，高壓設(shè)備報(bào)過(guò)壓故障、模塊損壞故障。

3.2 升弓故障原因分析

根據(jù)受電弓在升弓時(shí)的彈跳情況，分析故障數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，列車在升弓時(shí)弓網(wǎng)電壓瞬時(shí)值可以達(dá)到2 400 ～2 850 V不等，持續(xù)時(shí)間超過(guò)10 ms，最低電壓達(dá)到1 100 V，震蕩后穩(wěn)定，如表1所示。推測(cè)受電弓與高壓電路間存在不匹配情況，需要對(duì)比測(cè)試，尋找升弓階段導(dǎo)致電壓沖擊的來(lái)源。

表1 對(duì)比測(cè)試工況與數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)比測(cè)試，確認(rèn)在牽引蓄電池充電系統(tǒng)DC/DC接入高壓回路時(shí)升弓將引起較大幅度過(guò)電壓，此時(shí)僅DC/DC輸入電路接入高壓回路（輸入電路由電壓傳感器、電磁干擾（EMI）濾波器組成，位于線路接觸器前端）。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，模擬受電弓升弓網(wǎng)壓變化，網(wǎng)壓從0 到DC1500V跳變，測(cè)試不同輸入濾波電路的升弓過(guò)電壓情況。工況包括帶EMI濾波器、不帶 EMI濾波器、EMI濾波器替換為磁環(huán)、帶EMI濾波器+磁環(huán) 4 種工況。測(cè)試結(jié)果如表2、圖4、圖5所示。

表2 DC/DC輸入電路對(duì)比測(cè)試工況與數(shù)據(jù) V

圖4 優(yōu)化前升弓電壓波形

圖5 優(yōu)化后升弓電壓波形

通過(guò)對(duì)DC/DC輸入濾波電路進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)采用不同濾波電路時(shí)尖峰電壓變化不一，EMI濾波器內(nèi)含有電容，在電路瞬間接通又關(guān)斷的瞬間對(duì)外放電，產(chǎn)生過(guò)電壓。

4 解決措施

該項(xiàng)目首先在確保設(shè)備電磁兼容性（EMC）的同時(shí)，將充電機(jī)輸入EMI濾波器調(diào)整為磁環(huán)，其次針對(duì)牽引蓄電池充電機(jī)預(yù)充電接觸器開(kāi)閉時(shí)間邏輯軟件進(jìn)行優(yōu)化（預(yù)充電接觸器在網(wǎng)壓穩(wěn)定前不得閉合，排除網(wǎng)壓穩(wěn)定前電容上有電導(dǎo)致高電壓加在電容兩端造成電容異常的情況），實(shí)際應(yīng)用反饋，受電弓升弓過(guò)程中，高壓設(shè)備不再報(bào)過(guò)壓故障和模塊損壞故障，可有效改善升弓過(guò)電壓情況。如圖6所示。后續(xù)類似彈簧受電弓應(yīng)用項(xiàng)目，需避免在接觸器/斷路器前級(jí)電路采用LC濾波電路。

圖6 改善后的升弓過(guò)程電壓

5 結(jié)論

針對(duì)彈簧受電弓的結(jié)構(gòu)與特性，設(shè)計(jì)階段進(jìn)行匹配性設(shè)計(jì)，可有效防止升弓時(shí)產(chǎn)生過(guò)電壓情況，損傷電氣設(shè)備。前文對(duì)某實(shí)際線路中該類受電弓與高壓電路進(jìn)行了匹配性分析，同時(shí)針對(duì)正線運(yùn)行中出現(xiàn)的故障問(wèn)題進(jìn)行分析與優(yōu)化驗(yàn)證，提出高壓電器設(shè)備延時(shí)啟動(dòng)、輸入濾波電路中EMI濾波器改為磁環(huán)的優(yōu)化方案，并進(jìn)行了充分測(cè)試驗(yàn)證，證明了有效性，可指導(dǎo)后續(xù)類似項(xiàng)目的選型及方案設(shè)計(jì)。

值得關(guān)注的是，列車工作在大電流大電壓環(huán)境下，正線運(yùn)行過(guò)程中彈簧受電弓相比氣囊受電弓更易發(fā)生彈跳情況，拉弧檢測(cè)率相對(duì)較高，故障時(shí)的電壓瞬時(shí)值可以達(dá)到2 250～2 600 V不等，持續(xù)時(shí)間超過(guò)10 ms，將是后續(xù)優(yōu)化分析的重點(diǎn)問(wèn)題。