王清永, 李玉山, 姚文革, 齊鵬宇

(1 天津市地下鐵道運營有限公司， 天津 300222;2 北京縱橫機電科技有限公司， 北京 100094)

城市軌道交通是運量大、能耗低、污染少、快捷舒適、安全的綠色環(huán)保運輸體系[1]。隨著我國經濟的高速發(fā)展，為緩解城市交通擁擠狀況、改善人們出行條件、減少空氣污染、促進城市可持續(xù)發(fā)展，國內部分大中城市相繼提出建設軌道交通項目。城市軌道交通車輛是軌道交通系統(tǒng)中的核心裝備，其牽引系統(tǒng)技術難點大、安全可靠性要求高，為保證車輛出現(xiàn)過流或短路等故障時不使故障蔓延至供電網絡，牽引系統(tǒng)保護器件的選型應與供電網一級保護器件相互匹配，從而隔離故障車輛并保護車輛設備。主要對牽引系統(tǒng)中牽引變流器過流保護裝置——高速斷路器的功能、組成、工作原理等進行了闡述，通過1 km平直道啟動、運行至停車仿真，分析主回路電流、車輛速度、車輛牽引力變化趨勢，從而確定主回路電流范圍。同時，建立牽引系統(tǒng)等效建模分析從而確定了牽引系統(tǒng)特殊工況下的電流值，為牽引系統(tǒng)參數(shù)選型提供工程計算依據(jù)。

1 牽引系統(tǒng)組成

城市軌道交通車輛受電主要以接觸軌或架空線兩種供電方式，電壓制式以DC 750 V及DC 1 500 V為主[2]。以某地鐵車輛線路牽引供電網及車輛供電系統(tǒng)組成為例，如圖1所示。牽引變電站將電網電壓轉換為10 kV或35 kV中壓交流電，再降壓后作為整流裝置的輸入，整流裝置輸出DC 750 V或DC 1 500 V電壓。直流電壓通過接觸軌或架空線將能量傳遞至車輛，車輛通過受流靴或受電弓從直流電網受電，并通過輪軌接觸方式進行回流。

為保證車輛及電網運營安全,接入直流電網的設備應具有過電壓及過電流保護。過壓保護通過避雷器與受電弓或受流靴下級負載進行并聯(lián)，當出現(xiàn)嚴重過電壓時使負載旁路從而保護車輛設備。過電流保護以圖1系統(tǒng)為例，主熔斷器F0作為車輛上兩個牽引逆變器及兩個輔助逆變器負載的總過電流保護，其參數(shù)應與上級牽引變電站主斷路器QF0參數(shù)匹配。同理，牽引變流器作為車輛核心部件，其過電流保護裝置也應與上級主熔斷器F0參數(shù)進行匹配。

2 高速斷路器特點及組成

(1)高速斷路器特點

牽引變流器主要由線路電抗器、功率半導體器件、功率電容器、直流高壓開關、高壓電纜等器件組成[3]。其組成器件價格昂貴，過流耐受電流小，過流耐受時間短等特點。當出現(xiàn)過流時應盡快切斷故障電流，保護其主要部件，并隔離故障區(qū)域。

圖1 城市軌道交通車輛供電網及車輛系統(tǒng)

圖2 高速斷路器故障分斷時間曲線

(2)高速斷路器組成

如圖1系統(tǒng)架構，高速斷路器QF2、QF3屬于主熔斷器F0下級、牽引變流器前級保護器件。高速斷路器安裝在車體底部，根據(jù)系統(tǒng)集成方式不同可集成在高壓箱、牽引逆變器等箱體內。高速斷路器組成主要包括絕緣框架、主電路、滅弧裝置、跳閘裝置、電控系統(tǒng)及輔助開關單元等。

(3)高速斷路器脫扣原理

UR系列高速斷路器分為閉合與斷開兩種狀態(tài)，其中閉合主要由電控系統(tǒng)完成，斷開又分為電控分斷和過流脫扣分斷。

電控閉合指當高速斷路器電控系統(tǒng)得電后其線圈產生磁場，并使內部機械結構產生相關動作，可動觸頭與固定觸頭相連使主回路導通，閉合時產生的機械沖擊通過內部緩沖裝置進行吸收。

電控分斷指高速斷路器根據(jù)電控系統(tǒng)斷開指令進行主觸點的斷開。過流脫扣分斷指當高速斷路器流經電流超出最大電流整定值時,主回路線圈在斷路磁鐵中產生磁場配合內部連鎖裝置使高速斷路器分斷,斷開時的沖擊由緩沖裝置吸收，滅弧裝置進行消弧，完成整個過流脫扣分斷。

3 高速斷路器應用分析

城市軌道交通車輛因車站間距短，線路站點多，牽引制動頻繁，恒功區(qū)工作時間短等特點；車輛運行工況復雜，作為復雜大系統(tǒng)其電流及相關參數(shù)很難進行實測，因此在設計之初，仿真計算及系統(tǒng)等效模型分析尤為重要。

(1)高速斷路器主回路電壓

高速斷路器選型與牽引系統(tǒng)運行環(huán)境、工況、主回路參數(shù)及控制回路接口匹配等相關。以圖1車輛系統(tǒng)為例，其所在城市海拔小于1 400 m，電壓制式為DC 1 500 V(+20%～-33%)額定電壓可選擇1 800 V等級的高速斷路器。

(2)高速斷路器控制回路設計

由于軌道交通輔助供電系統(tǒng)以380 V交流電及110 V直流電供電，高速斷路器控制回路選擇110 V直流控制電源。

高速斷路器控制回路完成電控閉合后，其控制回路應轉至節(jié)能控制回路從而保護電控系統(tǒng)線圈過熱損壞。電控系統(tǒng)控制原理如圖3所示。F1為高速斷路器線圈保護斷路器；K1高速斷路器線圈控制接觸器；K2為高速斷路器節(jié)能電阻控制接觸器；R1為節(jié)能電阻；K1、K2接觸器在高電平時吸合。電控系統(tǒng)閉合命令與高速斷路器主觸點閉合延遲時間t0約為70 ms，t1為節(jié)能電阻接入延遲時間約為500 ms，節(jié)能電阻串聯(lián)至電控回路后完成高速斷路器整個電控閉合過程。電控分斷時斷開圖3中K1接觸器即可。

圖3 電控系統(tǒng)控制原理

(3)高速斷路器電流參數(shù)選擇

為計算高速斷路器整定值范圍，以電機參數(shù)為基礎，以滿足車輛基本動力性能為目標，根據(jù)傳動比和輪徑值將列車特性曲線轉換成電機特性曲線，通過建立計算模型，得到不同工況下能夠滿足車輛基本牽引、電制動特性的特性曲線[4]。

圖4 牽引系統(tǒng)平直軌道仿真

(4)高速斷路器整定值計算

由于城市軌道車輛為復雜大系統(tǒng)，對系統(tǒng)進行簡化并建立其近似等效電路模型對車輛相關參數(shù)的計算意義重大。車輛牽引系統(tǒng)的等效模型可近似為RLC二階等效電路如圖6所示，其中R為線路電抗器等效電阻及線路等效電阻，L為線路電抗器，C為支撐電容。

U-直流電源；R-43 mΩ；L-4 mH；C-5.8 mF；M-電機。圖5 牽引系統(tǒng)等效電路模型

UR系列高速斷路器脫扣整定值可調，當車輛運行環(huán)境或線路變化時可通過整定值的改變適應當前系統(tǒng)。圖1系統(tǒng)中最惡劣工況為車輛出現(xiàn)弓網離線時的供電短時中斷[5]，且速度低無法通過電制動保持中間電壓。根據(jù)圖5中的模型進行分析，此時支撐電容C的電能通過電機完全釋放，當恢復供電時支撐電容C通過線路電抗器等效電阻及線路等效電阻進行充電。由于線路電抗器等效電阻及線路等效電阻較小，充電電流較大，主回路保護器件如熔斷器及HSCB閥值應避開此極限值。

弓網離線時波形如圖6所示，根據(jù)圖6波形可知，當弓網離線至弓網恢復時由于支撐電容C充電，導致回路電流較高。為便于仿真計算，對弓網離線工況進行分析可知，弓網離線至弓網恢復可等效為階躍函數(shù)，其幅值為電網最大電壓1 800 V。

圖6 弓網離線電壓曲線

弓網離線階躍函數(shù)模型如式(1)所示[6]。

u(t)=1 800×ε(t)

(1)

其中u(t)為弓網離線電壓；ε(t)為單位階躍函數(shù)。其表達式如式(2)所示[6]。

(2)

弓網離線時，牽引系統(tǒng)電流響應即為牽引系統(tǒng)等效RLC二階電路對電壓激勵的響應，為計算回路電流響應，列出牽引系統(tǒng)等效電路方程如式(3)。式中R為線路電抗器等效電阻及線路等效電阻，L為線路電抗器，C為支撐電容，uc(t)為支撐電容C兩端電壓，u(t)為弓網離線電壓[6]。

(3)

當弓網離線激勵時，支撐電容充電電流即為牽引系統(tǒng)回路電流響應，如式(4)。其中ic(t)為電容電流響應[6]：

(4)

(5)

由式(4)和式(5)可得線路電流函數(shù)為：

(6)

對牽引系統(tǒng)RLC等效電路模型，以弓網離線電壓為激勵對回路電流響應進行MATLAB仿真，其結果如圖7所示。經計算電流峰值約為2 050 A，為正弦波衰減振蕩，經過100 ms衰減電流峰值降至額定1 000 A以下，圖中藍色曲線代表激勵電壓u(t)、綠色曲線為牽引系統(tǒng)回路電流i(t)、紫色曲線為支撐電容C電壓uc(t)：

圖7 MATLAB仿真結果

根據(jù)仿真及計算高速斷路器過流保護整定值可選擇2 200 A，可避免弓網離線或過無電區(qū)時因支撐電容C快速充電引起過流跳閘。最大電流在100 ms后衰減至額定電流范圍內， UR10滿足系統(tǒng)在線路上使用要求。

(5)線路測試校驗

為驗證牽引系統(tǒng)RLC模型參數(shù)準確性，對實際線路當中的弓網離線時的牽引回路電流進行測量，其結果如圖8所示。其中藍線為弓網離線時牽引系統(tǒng)輸入電壓即u(t)，紅線為牽引系統(tǒng)回路電流即i(t)。根據(jù)測量結果可知，當弓網離線并恢復時牽引系統(tǒng)回路電流約為1 900 A，考慮實際線路中電網電壓為1 650 V左右，其測試結果與仿真計算結果基本一致。

圖8 弓網離線及線路電流測試

4 結束語

通過對城軌牽引系統(tǒng)供電網、高速斷路器組成和原理進行了介紹和分析，建立了弓網離線電壓等效模型及牽引系統(tǒng)回路等效模型，簡化對極限工況的計算及仿真。經高速斷路器應用分析及選型，為軌道交通車輛牽引系統(tǒng)主回路設備選型提供等效模型及仿真計算依據(jù)。并進行線路測試確定模型的準確性，可作為主回路部件選型設計參考。