一種解決時速120km地鐵列車跳弓導致過壓過流問題的方法

許南南+廖云+曹俊+閆柏輝

摘 要：隨著城市化進程加快，越來越多的城市采用120km/h甚至更高速度等級地鐵車輛，高速地鐵車輛在帶來快速便捷高效的同時，也存在諸多潛在問題，本文就高速運行列車在出隧道時出現的弓網跳變所帶來的過壓過流問題進行了分析，同時提出了解決辦法。

關鍵詞：120km/h；地鐵；跳弓；過壓；過流

0引言

隨著我國城市化進程加快，城市規模越來越大，同時城市骨干交通樞紐比如機場、高鐵站大都分散在城郊地區，原有的80km/h速度等級車輛已經無法滿足長遠距離、快速旅行的要求，因此，120km/h速度等級地鐵車輛應運而生，目前個別大城市正在規劃140km/h甚至更高速度等級地鐵車輛。高速地鐵車輛為我們帶來了快捷的同時，其自身也存在些新的問題，本文就地鐵車輛在高速運行過程中出現跳弓問題，導致車輛牽引逆變器VVVF中間直流過壓的問題進行了分析，并提出了新的解決辦法。

1 地鐵車輛受電情況簡述

國內目前受電弓受電線路的供電普遍采用一下方式進行受電：

隧道內采用剛性懸掛，接觸線至軌頂面的高度為4040mm，最小高度為4000mm；

隧道外采用柔性懸掛，接觸線至軌頂面的高度一般為5000mm，暫定最小高度為4400mm，最大高度5700mm（月檢庫）。

可以看出當車輛在進出隧道的過程中，受電弓的弓頭高度會至少有400mm左右的變化，特別是在出隧道時受電弓弓頭會出現一個抬升，受電弓會與接觸網有一個“撞擊”的過程，這可能會導致接觸網受力后震蕩，最終出現弓網離線，也就是跳弓。這個過程在80km/h速度等級車輛上已經存在，但由于120km/h速度等級車輛的速度等級更高，出隧道時隧道內外的氣壓壓差更大，因此弓網撞擊過程更加劇烈，極端情況下，跳弓導致的弓網電壓瞬間突變600V以上，遠遠高于80km/h速度等級的300V以下的電壓突變。

如果出現其他車輛導致的電網震蕩幅度更大，那么到車輛端的網壓跳變就會更嚴重。

2 地鐵車輛高壓電路簡介

以國內目前典型的高壓電路進行說明，高壓電路原理圖如下圖2-1所示。

2.1 母線設計說明

A車、B車和C車組成一個動力單元；另一個動力單元與之完全對稱。兩個動力單元之間牽引供電母線完全隔離，輔助供電母線互連，在輔助供電母線設置隔離二極管1D01，防止本動力單元牽引電源接入到另外動力單元的牽引回路。

HB1、HB2作為單元內受電弓高壓送入B車、C車VVVF系統的牽引母線的短路接地保護。

2.2 高壓輔助母線說明

高壓輔助母線可保證列車在只有一個受電弓升弓或者跳弓時，輔助供電持續；車間電源供電時兩端輔助電源同時得電。

因此，該高壓主電路設計，能保證在出現跳弓時，使全列車輔助系統正常供電，弓網正常的動力單元牽引系統正常供電，也能保證列車安全通過線路上的任何一處接觸網電分段區。

但一旦車輛出現跳弓，則個別牽引VVVF逆變器則會出現短暫的電壓下降。

2.3 牽引VVVF主電路說明

每輛動車配置一臺VVVF逆變器，逆變器內裝有1個IGBT變流器模塊，1個牽引控制單元（DCU），變流模塊驅動2個轉向架上的4臺電機。

VVVF逆變器采用兩電平電壓型直-交逆變電路， 1500V直流電壓經高壓電器箱、濾波電抗器送入到VVVF逆變器，經逆變器輸出三相變頻變壓的交流電，為異步牽引電動機（1M01～1M04）供電。電壓傳感器VH1檢測直流網壓Ud，VH2檢測逆變器上的電容器中間電壓Uc；電流傳感器LH1、LH2檢測直流回路電流Id，LH3、LH4檢測逆變器輸出電流，LH5、LH6檢測斬波電流。

3 電容電感伏安特性

VVVF逆變器中設置電抗器L和電容器C來抑制電流和電壓的突變，并且抑制VVVF逆變器再生時諧波對電網的干擾，因此現有的VVVF設備本身就可以抑制一部分電壓和電流的突變。

但如果電網電壓突變情況很嚴重，且此時在牽引工況時，則會出現網壓和中間電壓的同步降低，當跳弓結束后，弓網電壓又恢復，此時，因為網壓與中間電壓之間存在壓差，則此時直流電流是在增大的過程，因為電抗器L的限制，其有一個上升斜率，根據電路原理中，電抗器L會產生一個感應的反電動勢。公式如下：

U=L*di/dt，可以看到由于阻礙電流變化，因此感應電動勢加在電容C兩端，這就使得電容上的電壓快速上升，并達到牽引開通斬波降壓的門檻，但由于受開通頻率限制，每兩次開通之間必須間隔2ms，這就會出現感應能量在這2ms內無法被消耗的問題，此時感應電壓加在電容C上面，報出中間直流過壓故障和逆變過流故障，牽引跳開高速斷路器保護。

4 依據電壓、電流變化趨勢提前保護

由公式U=L*di/dt，因此，可以依據di/dt的值來在沒有達到斬波開啟門檻值之前提前開啟斬波，以提前消耗掉此部分感應能量，來解決中間直流過壓和逆變過流問題。以國內某項目的實際運營情況時所報故障為例進行分析：

可以看到網壓（紅色）出現了波動，中間電壓（藍色）也跟隨網壓進行波動，直到出現了網壓瞬間抬升（從1000V抬升至1600V左右），此時中間直流電流正向變大，可以看到在中間電壓上升至最大時，逆變電流（黃色）也最大。

中間電壓增大的原因有兩點：①電容充電過程；②電抗器L的感應作用?？梢钥吹皆诰W壓比中間電壓高時di/dt為正值；此后由于電抗器L的續流作用，di/dt為負值，根據U=L*di/dt，可以看出為了阻礙直流的變化，此時電抗器感應電壓會加在電容器上；目前的牽引斬波控制理論是，在檢測到中間電壓Ud達到一個門檻值后再開啟斬波，但由于牽引斬波門檻本身較高，再加上受斬波頻率限制，中間電壓持續升高，進而造成出現了中間電壓過壓和逆變過流保護。

既然故障原因已經明確，那就可以通過檢測網壓Ud、中間電壓Uc、直流電流Id來進行一個綜合的邏輯控制和診斷，來提前避免故障發生。

DCU目前的采樣頻率為40μs，1ms內可以采樣25個點，以1ms為一個計算點，通過監測Ud、Uc和Id

假設在開始時刻，電流值為Id1，在1ms后，測量電流值為Id2，則di/dt=（Id2- Id1）；若di/dt>10A/ms，且持續10ms。中間電壓值為Uc1，在1ms后，測量電流值為Uc2，則du/dt=（Uc2- Uc1），若du/dt>20V/ms，且持續10ms；

且檢測到△U=Ud-Uc，△U在不斷縮小時，直流電流Id在一個較大的絕對值，可以提前開啟制動電阻進行斬波，以抑制電抗器L所帶來的感應電壓造成中間直流過壓，最終實現對逆變過流的規避。

5、結語

本文結合國內地鐵車輛典型高壓電路和牽引主電路原理圖，從電路原理中電容、電感儲能原件的特性出發，提出了一種根據電壓、電流變化率，并結合電壓、電流絕對值的方法來解決車輛受電弓跳弓問題所帶來的牽引中間直流過流跳高斷的保護的問題。為后續更高速度地鐵車輛出現弓網關系不匹配出現跳弓時，可能所帶來的過壓等問題提供了參考解決辦法，同時也從電路原理角度提供了依據電壓、電流變化率實施提前保護的方法。