城市轨道交通车辆牵引系统高速断路器应用研究

2019-09-10王清永李玉山姚文革齐鹏宇

铁道机车车辆 2019年4期

王清永, 李玉山, 姚文革, 齐鹏宇

(1 天津市地下铁道运营有限公司，天津 300222;2 北京纵横机电科技有限公司，北京 100094)

城市轨道交通是运量大、能耗低、污染少、快捷舒适、安全的绿色环保运输体系[1]。随着我国经济的高速发展，为缓解城市交通拥挤状况、改善人们出行条件、减少空气污染、促进城市可持续发展，国内部分大中城市相继提出建设轨道交通项目。城市轨道交通车辆是轨道交通系统中的核心装备，其牵引系统技术难点大、安全可靠性要求高，为保证车辆出现过流或短路等故障时不使故障蔓延至供电网络，牵引系统保护器件的选型应与供电网一级保护器件相互匹配，从而隔离故障车辆并保护车辆设备。主要对牵引系统中牵引变流器过流保护装置——高速断路器的功能、组成、工作原理等进行了阐述，通过1 km平直道启动、运行至停车仿真，分析主回路电流、车辆速度、车辆牵引力变化趋势，从而确定主回路电流范围。同时，建立牵引系统等效建模分析从而确定了牵引系统特殊工况下的电流值，为牵引系统参数选型提供工程计算依据。

1 牵引系统组成

城市轨道交通车辆受电主要以接触轨或架空线两种供电方式，电压制式以DC 750 V及DC 1 500 V为主[2]。以某地铁车辆线路牵引供电网及车辆供电系统组成为例，如图1所示。牵引变电站将电网电压转换为10 kV或35 kV中压交流电，再降压后作为整流装置的输入，整流装置输出DC 750 V或DC 1 500 V电压。直流电压通过接触轨或架空线将能量传递至车辆，车辆通过受流靴或受电弓从直流电网受电，并通过轮轨接触方式进行回流。

为保证车辆及电网运营安全,接入直流电网的设备应具有过电压及过电流保护。过压保护通过避雷器与受电弓或受流靴下级负载进行并联，当出现严重过电压时使负载旁路从而保护车辆设备。过电流保护以图1系统为例，主熔断器F0作为车辆上两个牵引逆变器及两个辅助逆变器负载的总过电流保护，其参数应与上级牵引变电站主断路器QF0参数匹配。同理，牵引变流器作为车辆核心部件，其过电流保护装置也应与上级主熔断器F0参数进行匹配。

2 高速断路器特点及组成

(1)高速断路器特点

牵引变流器主要由线路电抗器、功率半导体器件、功率电容器、直流高压开关、高压电缆等器件组成[3]。其组成器件价格昂贵，过流耐受电流小，过流耐受时间短等特点。当出现过流时应尽快切断故障电流，保护其主要部件，并隔离故障区域。

图1 城市轨道交通车辆供电网及车辆系统

图2 高速断路器故障分断时间曲线

(2)高速断路器组成

如图1系统架构，高速断路器QF2、QF3属于主熔断器F0下级、牵引变流器前级保护器件。高速断路器安装在车体底部，根据系统集成方式不同可集成在高压箱、牵引逆变器等箱体内。高速断路器组成主要包括绝缘框架、主电路、灭弧装置、跳闸装置、电控系统及辅助开关单元等。

(3)高速断路器脱扣原理

UR系列高速断路器分为闭合与断开两种状态，其中闭合主要由电控系统完成，断开又分为电控分断和过流脱扣分断。

电控闭合指当高速断路器电控系统得电后其线圈产生磁场，并使内部机械结构产生相关动作，可动触头与固定触头相连使主回路导通，闭合时产生的机械冲击通过内部缓冲装置进行吸收。

电控分断指高速断路器根据电控系统断开指令进行主触点的断开。过流脱扣分断指当高速断路器流经电流超出最大电流整定值时,主回路线圈在断路磁铁中产生磁场配合内部连锁装置使高速断路器分断,断开时的冲击由缓冲装置吸收，灭弧装置进行消弧，完成整个过流脱扣分断。

3 高速断路器应用分析

城市轨道交通车辆因车站间距短，线路站点多，牵引制动频繁，恒功区工作时间短等特点；车辆运行工况复杂，作为复杂大系统其电流及相关参数很难进行实测，因此在设计之初，仿真计算及系统等效模型分析尤为重要。

(1)高速断路器主回路电压

高速断路器选型与牵引系统运行环境、工况、主回路参数及控制回路接口匹配等相关。以图1车辆系统为例，其所在城市海拔小于1 400 m，电压制式为DC 1 500 V(+20%～-33%)额定电压可选择1 800 V等级的高速断路器。

(2)高速断路器控制回路设计

由于轨道交通辅助供电系统以380 V交流电及110 V直流电供电，高速断路器控制回路选择110 V直流控制电源。

高速断路器控制回路完成电控闭合后，其控制回路应转至节能控制回路从而保护电控系统线圈过热损坏。电控系统控制原理如图3所示。F1为高速断路器线圈保护断路器；K1高速断路器线圈控制接触器；K2为高速断路器节能电阻控制接触器；R1为节能电阻；K1、K2接触器在高电平时吸合。电控系统闭合命令与高速断路器主触点闭合延迟时间t0约为70 ms，t1为节能电阻接入延迟时间约为500 ms，节能电阻串联至电控回路后完成高速断路器整个电控闭合过程。电控分断时断开图3中K1接触器即可。

图3 电控系统控制原理

(3)高速断路器电流参数选择

为计算高速断路器整定值范围，以电机参数为基础，以满足车辆基本动力性能为目标，根据传动比和轮径值将列车特性曲线转换成电机特性曲线，通过建立计算模型，得到不同工况下能够满足车辆基本牵引、电制动特性的特性曲线[4]。

图4 牵引系统平直轨道仿真

(4)高速断路器整定值计算

由于城市轨道车辆为复杂大系统，对系统进行简化并建立其近似等效电路模型对车辆相关参数的计算意义重大。车辆牵引系统的等效模型可近似为RLC二阶等效电路如图6所示，其中R为线路电抗器等效电阻及线路等效电阻，L为线路电抗器，C为支撑电容。

U-直流电源；R-43 mΩ；L-4 mH；C-5.8 mF；M-电机。图5 牵引系统等效电路模型

UR系列高速断路器脱扣整定值可调，当车辆运行环境或线路变化时可通过整定值的改变适应当前系统。图1系统中最恶劣工况为车辆出现弓网离线时的供电短时中断[5]，且速度低无法通过电制动保持中间电压。根据图5中的模型进行分析，此时支撑电容C的电能通过电机完全释放，当恢复供电时支撑电容C通过线路电抗器等效电阻及线路等效电阻进行充电。由于线路电抗器等效电阻及线路等效电阻较小，充电电流较大，主回路保护器件如熔断器及HSCB阀值应避开此极限值。

弓网离线时波形如图6所示，根据图6波形可知，当弓网离线至弓网恢复时由于支撑电容C充电，导致回路电流较高。为便于仿真计算，对弓网离线工况进行分析可知，弓网离线至弓网恢复可等效为阶跃函数，其幅值为电网最大电压1 800 V。

图6 弓网离线电压曲线

弓网离线阶跃函数模型如式(1)所示[6]。

u(t)=1 800×ε(t)

(1)

其中u(t)为弓网离线电压；ε(t)为单位阶跃函数。其表达式如式(2)所示[6]。

(2)

弓网离线时，牵引系统电流响应即为牵引系统等效RLC二阶电路对电压激励的响应，为计算回路电流响应，列出牵引系统等效电路方程如式(3)。式中R为线路电抗器等效电阻及线路等效电阻，L为线路电抗器，C为支撑电容，uc(t)为支撑电容C两端电压，u(t)为弓网离线电压[6]。

(3)

当弓网离线激励时，支撑电容充电电流即为牵引系统回路电流响应，如式(4)。其中ic(t)为电容电流响应[6]：

(4)

(5)

由式(4)和式(5)可得线路电流函数为：

(6)

对牵引系统RLC等效电路模型，以弓网离线电压为激励对回路电流响应进行MATLAB仿真，其结果如图7所示。经计算电流峰值约为2 050 A，为正弦波衰减振荡，经过100 ms衰减电流峰值降至额定1 000 A以下，图中蓝色曲线代表激励电压u(t)、绿色曲线为牵引系统回路电流i(t)、紫色曲线为支撑电容C电压uc(t)：

图7 MATLAB仿真结果

根据仿真及计算高速断路器过流保护整定值可选择2 200 A，可避免弓网离线或过无电区时因支撑电容C快速充电引起过流跳闸。最大电流在100 ms后衰减至额定电流范围内， UR10满足系统在线路上使用要求。

(5)线路测试校验

为验证牵引系统RLC模型参数准确性，对实际线路当中的弓网离线时的牵引回路电流进行测量，其结果如图8所示。其中蓝线为弓网离线时牵引系统输入电压即u(t)，红线为牵引系统回路电流即i(t)。根据测量结果可知，当弓网离线并恢复时牵引系统回路电流约为1 900 A，考虑实际线路中电网电压为1 650 V左右，其测试结果与仿真计算结果基本一致。