靴轨受流的直线电机地铁车辆直流过电压现象分析及对策

陈晓亮， 唐 宋

(广州地铁集团有限公司， 广州 510000)

随着城市交通的快速发展，靴轨受流方式被越来越多的城市地铁应用，目前国内已有十几个城市近30%的城轨线路采用了靴轨受流模式，靴轨受流下列车高压系统的运行状态备受关注。与此同时，直线电机牵引系统随着长沙磁悬浮线的开通、北京CBD线、上海崇明岛线的投建再次成为城市轨道交通新发展的关注点之一。

相比弓网受流系统，靴轨受流系统施工简单，日常维护量更小，故障率更低，同时对地铁沿线的城市景观起到很好的改善作用。但是靴轨受流的局限性在于存在断电区，列车以一定的速度经过断电区时，再生制动工况下电能无法通过集电靴及时回馈电网，则中间电压可能出现强烈的振荡，振荡的峰值超过系统保护的范围，则会报出直流过压故障。

由于直线电机地铁车辆使用了相比传统地铁更小的隧道断面，大幅节约成本的同时使得车下空间更为狭窄，因此一般没有配置车载制动电阻，列车的电制动主要通过再生制动将多余电能回馈到变电所的吸收电阻。列车在高速大载荷进行大级位制动时，为了输出更大的制动电流，调制比可能达到峰值导致中间电压振荡偏高，进而报出直流过压故障。

除上述两种常见故障类型外，列车供电网络网压波动时的峰值超过直线电机列车高压系统的保护值也会触发直流过压或网压过压故障。

针对上述3种常见的直流过压故障源，文中将系统的从直线电机列车的硬件设计及软件控制等方面进行分析，并对相应的解决措施展开论述。

1 直流过压故障逻辑及高压回路设计

1.1 直线电机直流过压故障逻辑

城市轨道交通直线电机列车的高压系统主要采用DC 1 500 V/DC 750 V直流电进行供电，并通过列车内部的牵引逆变器VVVF、辅助逆变器SIV将直流电逆变为变频变压的交流电驱动电机及供空调、空压机使用的380 V交流电。当逆变器直流侧的电压过高时，为防止逆变器受损，列车将报出相关直流过压故障，自动断开高压回路的断路器及接触器并关断逆变器门极进行自我保护。

以广州地铁5号线高压系统为例，直流过压故障逻辑如表1所示。

表1 直线电机列车直流过压相关故障逻辑

通过表1可知，直流过压故障主要可分为网压过压及中间电压(滤波电容)过压两种，通过网压端及滤波电容端的检测实现对逆变器前、后端的保护。

1.2 直线电机列车高压电路特点

图1为5号线列车高压主回路，除车间电源供电回路及辅助系统供电回路贯通全车外，列车高压系统可分为MC/M0、M1/M2、M3/MC3个独立的高压供电单元。6节编组的直线电机列车在正线受流时，3个供电回路的DC 1 500 V牵引高压母线通过物理隔离独立受流，这种设计最大的优点是当某一个单元出现高压短路等故障时，不影响其他两个单元的牵引系统正常工作。

直线电机列车一般采用全动车设计，同时出于车辆轻量化设计等考虑，取消了车载的制动电阻，因此直线电机列车的电制动主要以再生制动为主。

图1 列车系统高压主回路原理图

由于直线电机列车取消了旋转电机复杂的机械传动机构，可采用更小轮径转向架，车辆高度和轴重降低，同时也使得直线电机列车相比传统地铁列车可使用更小截面面积的隧道运行。隧道空间小，直线电机列车更适宜采用靴轨受流方式，但由于刚性接触轨的特性，在道岔、人防隔离门、牵引变电所等处必须设置断口，尤其是在连续道岔区，可能出现连续断口或者超长断口，当接触轨断开的长度大于同一组单元车的两个相邻集电靴间距离，或同一单元的两个集电靴分别运行在不同的断口时，就形成了断电区，即某单元车会完全失去高压而造成牵引逆变器VVVF短时断电的区域。虽然不同单元车高压独立保障了受流的安全性，但存在断电区无法受流牵引及再生制动的局限。

2 直线电机列车直流过压故障类型及对应解决措施

2.1 断电区直流过压故障

(1)断电区直流过压故障原因分析

如图2的故障数据，列车在经过断电区且为再生制动工况时，中间电压为1 800 V左右，进入断电区后，中间电压(图中绿色曲线)开始剧烈波动，当中间电压传感器检测到电压波动的峰值高于2 000 V时，列车报出直流过压故障。

图2 直流过压故障SMC数据波形

(2)断电区直流过压故障解决措施

针对列车以再生制动工况经过断电区时电流无法回馈电网导致列车出现直流过压故障，可通过软件调整列车在45～55k m/h再生制动时的斩波门槛值，由原来的1 900 V 调整为1 850 V，当中间电压波动超过门槛值1 850 V 时，软件控制VVVF对直流侧进行斩波降压。

经试验验证，当速度高于45 km/h时进行再生制动，逆变器电压高于1 850 V时出现斩波动作，斩波信号开启，电压随之下降。

图3 软件刷新后斩波图

在设定的速度段45～55 km/h再生制动时，中间电压超过门槛值1 850 V时即开始斩波，尤其在原断电区电压振荡较大路段，新软件控制下的中间电压波动较之前明显减弱，可以将中间电压的波动抑制在1 850 V以下，表明程序验证合格，对中间电压的波动有起到抑制作用，在全线路运行均无异常。同时软件增加了断电区封锁逆变的控制逻辑，当断电区中间电压出现异常振荡时，将触发逆变器封锁，3 s后自动复位(见图3～图5)。

图4 斩波开启

图5 过压斩波过程

2.2 高速大载荷大级位制动导致的直流过压故障

(1)高速大载荷大级位制动导致的直流过压故障原因分析

由于直线电机列车无车载制动电阻，列车的电制动主要采用再生制动，当再生制动在特定条件下调制出现问题，也可能导致出现直流过压故障。

以广州地铁5号线列车为例，自上线以来，多次在早晚高峰的非断电区出现直流过压故障。读取系统数据分析，列车每次故障时都存在以下特征：高速(80 km/h以上)、大载荷(接近或达到AW3)，司机人工快速100%级位制动(1 s以内)。

如图6所示，列车在高速大载荷情况下快速大级位制动使得中间电压(图中绿色曲线)出现了剧烈的波动，当中间电压传感器检测到电压波动的峰值高于2 000 V时，列车即报出直流过压故障。

图6 高速大载荷情况下大级位制动直流过压波形

由于直线电机列车在高速、AW3大载荷、快速大级位制动的工况下需要较大的制动电流，当制动电流较大时，则需要匹配较大的逆变电压。

根据控制理论计算，当直流侧电压达到DC 1 500 V时，逆变侧理论最高输出电压为1 170 V(在实际工程应用中会低于理论值、且受直线电机模型误差影响还会更低)，当网压低于1 500 V时，逆变器要提供较大的逆变电压满足相应的大电流输出，因此控制调制比就会上升，甚至达到满调制的现象，此时系统动态调节能力较差，外部则会出现直流过压、逆变过流等故障现象，因此该故障属于DCU控制逻辑缺陷。

(2)高速大载荷大级位制动导致的直流过压故障解决措施

传统旋转电机为避免此种情况的发生，会随着网压的降低，逆变器在控制上动态减小对外电流输出(即降功运行)。

参考旋转电机的控制，根据直线电机控制理论，当列车在制动工况，速度大于50 km/h，网压小于1 500 V时，电流给定做以下动态调整，实现电流给定随着网压减小线性下降。

I1=I0×Unet/1 500

其中：

I1为网压低于1 500 V时的电流给定；

I0为网压高于1 500 V时的电流给定；

Unet为运行时的网压；

通过修改牵引系统控制程序，可以避免长时间出现调制比满调制，解决电压电流波动引起的过流或过压问题。

2.3 网压波动导致的直流过压故障

(1)网压波动导致的直流过压故障分析

对于直流侧的电压检测，列车的故障保护逻辑中包含了网压检测的前端保护，当第3轨供电的网压出现异常波动时，DCU也会进行相应的保护。

如图7，列车在故障时刻检测到了网压有一个2 ms的瞬间波动，其中网压最高达到2 200 V，中间电压(滤波电容电压)检测无异常，当DCU检测到网压大于2 000 V 时，会自动跳开高速断路器、短接接触器、封锁逆变脉冲。

图7 网压过压故障波形

这种网压过压故障保护设计为硬件保护，当网压或滤波电容电压过高时，通过运放电路，无延时直接输出保护指令，牵引系统VVVF故障数据网压过压的数据采集周期仅为50 μs，因此保护动作非常迅速，对设备寿命的延长有积极的意义，但是其对于网压的稳定性要求也相对苛刻。

(2)网压波动导致的直流过压故障应对措施

网压波动导致的网压过压或滤波电容过压故障非列车自身原因导致，出于对列车设备的保护，建议保留现有的故障检测逻辑。为了避免故障对正线运营造成影响，制定相应的故障处理流程和故障提示信息，当网压过压故障出现后，及时复位以消除故障影响。

同时，可以根据当地电网的稳定性，在保证设备性能的前提下，适当提高直流过压逻辑的硬件保护值(如2 200～2 400 V)以降低故障对正线运行的影响。

3 结束语

通过以上分析可知基于城市轨道交通直线电机列车靴轨受流，无拖车，无车载制动电阻的特殊设计，列车高压系统直流过压故障原因主要分为断电区电压振荡、高速大载荷情况下进行快速大级位制动及正线网压波动3种。针对断电区电压振荡故障因素，可通过软件修订斩波门槛值抑制电压振荡进行解决；针对高速大载荷情况下进行快速大级位制动故障因素，通过软件对电流进行动态调整以避免出现满调制的情况；针对城市电网带来的网压波动因素，通过清晰的故障提示信息和复位操作及时恢复，保障列车运行。