地铁弹簧受电弓与高压电路的匹配优化措施

郝晓武，卢 俊

（1. 铁科院（北京）工程咨询有限公司，北京 100081；2. 株洲中车时代电气股份有限公司，湖南株洲 412001）

1 引言

目前，城市轨道交通蓬勃发展，地铁线路建设持续高位，国内地铁列车主要采用接触网受流方式，地下线路因空间限制供电网线普遍采用刚性接触网，受电弓是列车正常受流的关键设备。地铁受电弓根据结构原理，分为气囊型受电弓、弹簧型受电弓[1]。前者应用广泛、可靠，而弹簧型受电弓因其结构简单、成本低、维护工作量小，正受到越来越多用户的青睐。

与国内大多数接触网地铁项目采用的依靠气囊充风升弓、排风降弓的气囊弓运行方式恰恰相反，弹簧受电弓工作方式为弹簧升弓、空气降弓。弹簧升弓的结构方式决定了弹簧受电弓的主要特性为：升弓过程中，会存在较大幅度弹跳，震荡3～5 s后稳定接触接触网；运行过程中，受电弓弹跳频率相对较高，离线率亦相对较高。

基于这些特性，列车在大电流大电压环境下工作，弓网存在瞬间通断及震荡接触，非常容易导致高压设备产生过电压、拉弧，极端情况下甚至损坏高压设备。因此需对列车高压电路进行匹配设计，确保列车供电稳定性。本文针对某实际线路中该类受电弓与高压电路进行匹配性分析，同时针对正线运行中出现的故障问题进行分析与优化验证，对后续项目设计选型有一定指导意义。

2 电路匹配性分析

2.1 列车基本参数

列车采用4M2T的6辆编组A型车，分2个动力单元，最大运营速度80 km/h，采用DC1500V架空接触网受电方式。列车编组如图1所示。

图1 列车编组示意图

每个动力单元的高压电路原理图如图2所示。

图2 列车高压电路原理图

列车主要高压子系统分为以下3类系统，均需要从受电弓取电。

（1）牵引电传动系统（含高压电器箱、牵引逆变器、电机等，每列车4台，安装于Mp车，单台容量1 100 kVA）。

（2）辅助电源系统（含辅助电源箱等，每列车2台，安装于Tc车，单台容量240 kVA，其内含紧急供电电源模块，提供DC1500 / DC110V变换功能，容量400 W）。

（3）牵引蓄电池充电系统（含DC / DC等，每列车2台，安装于Tc车，单台容量30 kW）。

2.2 受电弓结构

受电弓采用单臂、轻型弹簧受电弓，受电弓结构如图3所示，主要由弓头、弓头支撑、上臂、下臂、平衡杆、联轴杆、主弹簧、降弓气缸、锁钩、空气管路等组成[2]。

图3 弹簧受电弓结构示意图

主要参数如下。

（1）工作方式为气动解锁、弹簧拉力升弓，气动降弓。

（2）臂杆形状为单臂弹簧式受电弓。

（3）静态接触力为80±10 N。

（4）额定工作电流1 600 A。

（5）升弓时间不大于8 s（可调）。

（6）降弓时间不大于8 s（可调）。

2.3 匹配分析

升弓过程中，由于受电弓会存在较大幅度弹跳，震荡3～5 s后方可稳定接触接触网，根据列车高压电路图可知，高压系统设备均有LC滤波器件、开关器件、功率变换模块，若有高压后立即启动，将使得设备短时间出现多次启停。因此，针对升弓阻尼进行合理优化，减小弹跳幅度，同时在升弓阶段各高压子系统延时5 s以上闭合高速断路器/接触器等开关器件，待网压稳定后开始启动。对于无延时启动，直接与弓网连接的高压设备（如紧急供电电源模块）增加输入限流电阻，增强抗冲击能力[3]。

运行过程中，受电弓弹跳频率相对较高，对此需在调试阶段优化受电弓接触力，减少弹跳频率与幅度，确保弓网离线率在标准范围。

3 故障问题与优化分析

即使针对应用弹簧受电弓的高压电路系统做了相关匹配性设计，仍难以完全规避未知的故障风险，下面将针对调试与运行中的常见故障进行优化分析。

3.1 故障问题

某项目弹簧受电弓在线路运行过程中，常见的故障为升弓过电压故障，主要损坏无延时启动直接与弓网连接的紧急供电电源模块（用于DC1500V转DC110V）。故障表现为：受电弓升弓过程中，瞬间过电压，高压设备报过压故障、模块损坏故障。

3.2 升弓故障原因分析

根据受电弓在升弓时的弹跳情况，分析故障数据发现，列车在升弓时弓网电压瞬时值可以达到2 400 ～2 850 V不等，持续时间超过10 ms，最低电压达到1 100 V，震荡后稳定，如表1所示。推测受电弓与高压电路间存在不匹配情况，需要对比测试，寻找升弓阶段导致电压冲击的来源。

表1 对比测试工况与数据

通过对比测试，确认在牵引蓄电池充电系统DC/DC接入高压回路时升弓将引起较大幅度过电压，此时仅DC/DC输入电路接入高压回路（输入电路由电压传感器、电磁干扰（EMI）滤波器组成，位于线路接触器前端）。

实验室内进行对比测试，模拟受电弓升弓网压变化，网压从0 到DC1500V跳变，测试不同输入滤波电路的升弓过电压情况。工况包括带EMI滤波器、不带 EMI滤波器、EMI滤波器替换为磁环、带EMI滤波器+磁环 4 种工况。测试结果如表2、图4、图5所示。

表2 DC/DC输入电路对比测试工况与数据 V

图4 优化前升弓电压波形

图5 优化后升弓电压波形

通过对DC/DC输入滤波电路进行对比测试，可以发现采用不同滤波电路时尖峰电压变化不一，EMI滤波器内含有电容，在电路瞬间接通又关断的瞬间对外放电，产生过电压。

4 解决措施

该项目首先在确保设备电磁兼容性（EMC）的同时，将充电机输入EMI滤波器调整为磁环，其次针对牵引蓄电池充电机预充电接触器开闭时间逻辑软件进行优化（预充电接触器在网压稳定前不得闭合，排除网压稳定前电容上有电导致高电压加在电容两端造成电容异常的情况），实际应用反馈，受电弓升弓过程中，高压设备不再报过压故障和模块损坏故障，可有效改善升弓过电压情况。如图6所示。后续类似弹簧受电弓应用项目，需避免在接触器/断路器前级电路采用LC滤波电路。

图6 改善后的升弓过程电压

5 结论

针对弹簧受电弓的结构与特性，设计阶段进行匹配性设计，可有效防止升弓时产生过电压情况，损伤电气设备。前文对某实际线路中该类受电弓与高压电路进行了匹配性分析，同时针对正线运行中出现的故障问题进行分析与优化验证，提出高压电器设备延时启动、输入滤波电路中EMI滤波器改为磁环的优化方案，并进行了充分测试验证，证明了有效性，可指导后续类似项目的选型及方案设计。

值得关注的是，列车工作在大电流大电压环境下，正线运行过程中弹簧受电弓相比气囊受电弓更易发生弹跳情况，拉弧检测率相对较高，故障时的电压瞬时值可以达到2 250～2 600 V不等，持续时间超过10 ms，将是后续优化分析的重点问题。