第三軌供電方式下提高列車通過無電分區能力的方案

彭 飛 馬 力

(1. 昆明地鐵運營有限公司， 650504， 昆明； 2. 昆明鐵道職業技術學院， 650208， 昆明//第一作者，高級工程師)

受線路條件限制，采用第三軌供電方式時正線、折返線、存車線等有道岔的位置存在一定長度的無電區。列車在通過無電區時，受流器集電靴與第三軌之間會產生拉弧，進而灼傷第三軌端部彎頭；同時，列車也會發生欠壓、過壓、過流等故障。不僅維護保養費用高，而且存在安全隱患。因此，有必要采取技術措施，提高第三軌供電方式下列車通過無電分區的能力。

1 列車通過無電區時的工況分析

采用第三軌供電的地鐵列車通過無電區時的電路情況如圖1所示。列車主電路中設置了中間直流充電電路。正常情況下，列車從第三軌取流，短接接觸器KM1斷開，預充電接觸器KM2閉合，電流依次通過R1(充電電阻)、KM2、FL(電抗器)，向FC(支撐電容)充電。FC充電完成后，KM1閉合，KM2斷開，充電回路斷開，直接向牽引逆變器供電。當列車進入無電區時，集電靴與第三軌端部彎頭之間會劇烈拉弧燒傷，中間直流電壓UC隨著牽引逆變器的消耗而迅速下降。當UC低于牽引系統欠壓保護門檻值Uth時，牽引系統上報欠壓故障。

圖1 采用第三軌供電地鐵列車的電路示意圖

如列車進入無電區到牽引系統保護所需的時間tp小于或等于列車通過無電區的時間tf，則牽引系統啟動保護，斷開KM1，輔助系統充電機也因欠壓而停機，全車輔助系統及所有車載輔助設備均由XDC(蓄電池組)供電。列車重新進入有電區后，需完成消除電機磁場、主電路充電、建立電機磁場、建立電機轉矩等一系列工作，才能恢復牽引能力?？梢?，列車恢復牽引能力耗時較久，甚至直接影響列車進站對標停車。而且，牽引系統頻繁的保護動作也將損害相關電器元件的壽命, 降低系統的可靠性。

如果tp大于tf，則牽引系統不會進行保護，其各電器元件狀態保持不變。當列車再次進入有電區間時，UC比網壓U0小很多，電網電流將通過KM1、FL直接涌入FC，充電保護電路相當于失效，UC急劇上升，因LC振蕩，中間電壓可升至1 000 V以上。此時，牽引系統極易發生直流電流過流及直流電壓過壓等故障。一旦發生此類故障，高速斷路器將立即跳斷,輔助系統同樣會失電。

綜上所述，UC因網側失電和逆變側的消耗而快速下降，形成了較大壓差，從而使列車在通過無電區時存在諸多問題。所以，消除壓差是解決問題的關鍵。

2 提高列車通過無電分區能力的方案

2.1 方案比選

方案一：列車通過無電區時，司機手動分斷主斷路器。該方案增加了主斷路器的動作次數，縮短了主斷路器的使用周期，存在負載電路隔離不徹底，操作失誤等風險。

方案二：在列車上增加受流器，將全車主回路貫通。昆明地鐵3號線就采用了該方案。該方案會大幅增加生產及維修成本，不僅不能確保全車不會進入無電區，而且場內調車作業還存在竄電風險。

方案三：利用直接轉矩控制算法快速響應的特點，確定列車進入無電區的準確位置，及時將列車動能轉化為電能，產生預期的、恒定的、略低于網壓的UC，并且保持UC在以輔助電源系統為負載的條件下的穩定性。昆明地鐵1、2號線列車采用了直接轉矩控制方式，使問題得以解決。但受列車、軌道線路、第三軌等綜合條件的影響，列車進出無電區的具體位置是動態變化的，無法以某個具體位置來精確控制。

方案四：列車以自適應的方式進行恒定低電壓制動后通過無電區。該方案不需硬件設備費用及二次投入的人力費用，不受受流器安裝位置的限制，只需在對牽引主回路及邏輯控制上考慮電流涌入的保護，即可實時地自動調整，從而適應外部條件的變化。其在對列車及第三軌的保護上都具有很大優勢。

由上述分析可見，方案四(恒定低電壓制動控制方案)的優勢較為明顯，為最優方案。

2.2 恒定低電壓制動控制方案論證

當列車只有1個單元失電通過無電區時，有：

WSR+WTC=WSC+WXH

式中：

WSR——列車駛入無電區時的初始動能；

WTC——仍能提供動力的動車所輸出的能量；

WSC——列車通過無電區時輸出的能量；

WXH——整列列車在無電區中因各類阻力、機械損耗及轉換效率等消耗的能量。

此時，輔助系統能取電，不需能量補足，主要依靠WTC就能使列車正常通過無電區。

當列車全車失電通過無電區時：

WSR=WSC+WXH+WFZ

式中：

WFZ——整列列車輔助系統消耗的能量。

此時，只要保證WSR就能使列車正常通過無電區。

以上兩種情況，均可采樣UC作為反饋，利用列車再生制動的基礎條件和直接轉矩控制的優點來把控恒定低電壓制動投切的時機，通過控制牽引電機電制動力來獲得預設且穩定的UC。

首先，必須確定進入恒定低電壓制動狀態時電機的轉速、轉矩范圍以及電制動力的限制范圍。這是判斷列車進入和退出恒定低電壓制動模式的前提條件。

2.2.1 進入恒定低電壓制動模式的條件

恒定低電壓制動模式是為了讓列車可靠通過無電區。在實際運用中，條件最復雜、最困難的無電區就是在運營線兩端的折返線。因此，只要列車能可靠通過兩端折返線，就能滿足正線的需求。

經分析，列車進入恒定低電壓制動模式需滿足以下條件：

(1) 根據實際情況，確定UC的正常值，明確輔助系統對UC的需求。選取進入恒定低電壓制動模式的動作電壓門檻值Umin作為判斷依據之一。只有UC低于Umin時，才允許列車進入恒定低電壓制動模式。

(2) 根據實際情況，確定中間直流電流的最小變化量。選取進入恒定低電壓制動模式的動作電流門檻值Imin作為判斷依據之一。只有中間直流電流變化量在1個信號周期內大于Imin時，才允許列車進入恒定低電壓制動模式。

(3) 確定UC變化率的門檻值。只有UC變化率大于門檻值時，才允許列車進入恒定低電壓制動模式。

(4) 設列車2個單元都掉入無電區時的列車最小初速度為vmin。只有初速度大于vmin時，才允許列車進入恒定低電壓制動模式。

(5) 區分列車進入無電區時的工況。在制動工況下，首先應滿足制動需求，不疊加低電壓制動，確保沖擊值不超限；在惰行工況時，列車不進入恒定低電壓制動模式；列車僅在牽引工況時才能進入恒定低電壓制動模式。

只有當上述條件全部滿足時，列車才能進入恒定低電壓制動模式。此外，還要考慮再生制動對UC的反饋速度等諸多因素，以精準控制列車恒定低電壓制動模式的投切時機。

2.2.2 退出恒定低電壓制動模式的條件

(1) 恒定低電壓制動產生的UC低于第三軌電壓值。設定動作電壓Umax，當檢測到UC大于Umax時，列車退出恒定低電壓制動模式，恢復正常工作狀態。

(2) 為避免恒定低電壓制動時間過長導致列車停車，或是網側電壓不穩導致恒定低電壓制動不能及時退出，設定恒定低電壓制動模式的最長工作時間tmax。當恒定低電壓制動模式工作時間大于tmax時，列車自動回到正常狀態。

以上兩個條件，只要滿足其中一個，列車都必須退出恒定低電壓制動模式，以確保其及時回到正常狀態。

2.3 方案實施及驗證

按照恒定低電壓制動方案的思路，對牽引包的邏輯控制及列車網絡控制進行調整，并在昆明地鐵1、2號線多列列車上進行調試、試驗和參數比選，從而對方案的正確性、可行性和穩定性進行驗證。試驗列車的牽引電機為18邊型直接轉矩控制的交流異步電機。試驗的主要技術指標如表1所示。

表1 恒定低電壓制動方案試驗的主要技術指標

圖2是所測列車從有電區→無電區→有電區過程的完整實測電壓波形圖。由圖2可以看出：無電區內的中間直流電壓可以精確地穩定在680±5 V以內；從實際進入無電區到控制器完全進入恒定低電壓制動狀態用時20 ms，從實際進入無電區到中間直流電壓被控制到預設值用時100 ms，從實際進入有電區到控制器完全退出恒定低電壓制動狀態用時25 ms；進入恒定低電壓制動狀態的過程中，電壓波動幅度較小，快速穩定，速度平穩地略微變慢；退出恒定低電壓制動狀態的過程中，電壓無過沖等異常，快速穩定，速度能平穩地恢復。

圖2 列車實測電壓波形圖

3 結語

由上述分析及實例驗證結果可見，恒定低電壓制動技術穩定可靠、控制精度高，能夠適應復雜的實際工況，滿足列車技術需求，有效避免了列車通過無電區時易發生的欠壓、過壓、過流、第三軌端部彎頭燒損等故障。該技術已運用在昆明地鐵1、2號線共45列列車上。根據運營情況計算，可使每列列車節約上百萬元的新造和維修成本，還可為每條線路每年節約數十萬元的第三軌維修材料。

[1] 胡育文，黃文新，張蘭紅，等.異步電機直接轉矩控制系統[M].北京：機械工業出版社，2012.

[2] 徐紹龍，倪大成，劉良杰，等.地鐵列車無電區微制動技術的研究與應用[J].機車電傳動，2013(1)：30.

[3] 汪國梁.電機學[M].北京：機械工業出版社，2005.

[4] 彭飛，李家宇，韓春芳，等.電客列車檢修[M].成都：西南交通大學出版社，2015.

[5] 袁偉，楊振宇，王濤，等.變電檢修[M].成都：西南交通大學出版社，2015.

[6] 王桂梅，陳寶德，李建文，等.信號檢修[M].成都：西南交通大學出版社，2015.