三轨地铁车辆过无电区控制策略研究

何涛

摘  要：介绍了第三轨供电地铁车辆特点，结合系统主电路分析了车辆过无电区电源中断及中间电压变化情况，提出了几种过无电区控制策略，详细阐述其原理及优势。

关键词：三轨;无电区;控制策略;微制动;延时充电

引言

地铁作为城市轨道交通中运量大、速度快、舒适度高、绿色环保的主流轨道交通方式之一，深受大众的喜欢，越来越多的城市都在加速地铁线路建设。

目前地铁车辆主流供电方式有受电弓受流和第三轨受流。受城市供电线路和区域等因素的限制，地铁的运营线路上大多会出现长短不一的无电区，尤其是在由第三轨供电的列车线路上更加常见。车辆在通过无电区时，受流器集电靴与第三轨之间会产生拉弧，频繁经过无电区域，常会出现诸如系统停机、欠压、过压、过流等故障。大大降低了设备的可靠性和乘坐舒适性。因此，采取必要措施提升第三轨供电方式下车辆通过无电区的能力、解决地铁车辆过无电区的问题成了当前的迫切需求。

1第三轨供电地铁特点

1.1车辆特点

第三轨供电地铁车辆为6辆编组配置，基本编组形式为+TC1-M1-T+M2-M3-TC2+，其中TC1、TC2车为带司机室拖车，T车为不带司机室的拖车，M1/2/3车动车，列车编组示意图如图1所示。列车每个动车配置4个受流器，拖车配置2个受流器，全列车共计配置16个受流器。

1.2无电区特点

第三轨作为车辆的供电轨，通常需要连续铺设，避免分断。受到道岔、折返线或者变电所供电设计影响，导电轨需要设置电分断区，因此产生了导电轨无电区。一般情况下，地铁运营线路上的无电区长度在几米至几十米之间，部分线路条件下存在多个连续无电区。

2过无电区工况分析

第三轨供电的地铁列车通过无电区时主要经历三个阶段，即投入工作、进入无电区和退出无电区。为保护主电路关键器件的安全，主电路前端设置有直流预充电回路，其简化主电路如图2所示。正常情况下，主电路经受流器将电能引到中间直流电路，给支撑电容C充电，为限制过大的充电电流，短接接触器KM1断开，预充电接触器KM2闭合，电流依次通过充电电阻R、预充电接触器KM2、滤波电抗器L，完成支撑电容C充电过程，充电完成之后闭合KM1接触器，断开KM2接触器，断开充电回路，直接向牵引逆变器供电。

当列车进入无电区时，受流器与供电轨断开，牵引逆变器由支撑电容C供电，中间直流电压Uc随着牵引逆变器的消耗而迅速下降，此时短接接触器处于闭合状态。当Uc高于系统欠压保护门槛值Uth时遇到有电区，过无电区持续时间小于系统保护时间，系统将继续正常取电工作，若支撑电容端电压比电网电压小很多，电流直接涌入电容，充电保护电路相当于失效，Uc急剧上升，电抗器瞬间感应较大正向电压，极易发生直流电流过流及直流电压过压等故障;当Uc高于牵引系统欠压保护门槛值Uth时仍为无电区，牵引系统将上报欠压故障，断开短接接触器，当再次遇到有电区时，系统将重新充电，逐步恢复牵引能力。

综上，车辆过无电区主要关键在于如何维持中间电压在可控范围内，并尽量降低反复预充电过程。

3过无电区控制策略分析

3.1直流母线策略

该策略采用一根直流母线贯穿整列车，使得首尾两个受流器距离大于无电区的长度，当车辆在通过无电区时便可以一直从电网取电。该方式虽简单，但并不易实现和操作，主要有以下几点原因：①为实现母线贯通，将新增许多高速断路器，控制及保护复杂;②当车辆编组较少或者无电区过长，该方案将失效，灵活性较差;③过无电区时，直流母线极有可能把相邻2个电网区间连接起来，若两边的电压不平衡，则有很高的潜在风险。

3.2微制動策略

微制动[1]策略主要是通过电制动将车辆部分动能转化成电能来维持中间直流电压。其技术原理为：将牵引电机的电制动力作为控制目标，以中间直流电压为反馈，结合电机控制手段和再生反馈电路，进行实时闭环控制，从而达到稳定中间直流电压目的。当中间电压变化率大于设计变化率门槛值、中间电压大于最小电压保护门槛值时，判定进入无电区，此时系统自动进入微制动模式;当中间电压上升到大于微制动退出电压门槛值时，系统自动退出微制动模式。

该方式能够维持住中间电压，无需额外增加硬件设备和维护成本，同时能够在无电区维持辅助系统部分设备供电，但存在一些问题，如微制动需要列车一定的初始速度，通常为不低于15km/h[2]，当车辆从车辆段出来时，初速度很小，当遇到连续无电区时，微制动可能造成车辆停车;频繁微制动将损失车辆速度，影响列车运营旅行速度。

3.3延迟充电策略

当车辆以较低速度从有电区转向无电区时，在微制动模式无法发挥的情况下，中间电压将不断下降，达到欠压门槛值后上报欠压故障并断开短路接触器。车辆通过剩余速度继续向前运动，遇到有电区时将进行充电。在充电时间内电容充电电压达不到额定运行电压的85%时，将上报充电超时故障，断开充电接触器。遇到过轨、折返或者特殊路段时，无电区和有电区往往会频繁切换，往往会多次启动预充电单元并报出充电超时，严重时将直接锁死牵引逆变器。为避免充电接触器频繁动作，车辆检测到从无电区恢复到有电区时，增加延时功能，判断车辆是否持续处于有电区，满足条件后再闭合充电接触器。该方式可以有效增加系统可用性。

4结语

针对第三轨供电地铁车辆过无电区的易发生的问题，详细分析了车辆过无电区工况状态，提出了三种过无电区控制策略并分析了各自特点及优劣势，三种策略结合使用将能较好处理过无电区问题。

参考文献：

[1] 徐绍龙，倪大成，刘良杰，等.地铁列车无电区微制动技术的研究与应用[J].机车电传动.2013（1）：30;

[2] 陈超录，陈建校.城市轨道交通DC750V第三轨供电列车电气牵引系统过无电区分析[J].科技资讯.2011（22）：143