靴軌受流的直線電機地鐵車輛直流過電壓現象分析及對策

陳曉亮， 唐 宋

(廣州地鐵集團有限公司， 廣州 510000)

隨著城市交通的快速發展，靴軌受流方式被越來越多的城市地鐵應用，目前國內已有十幾個城市近30%的城軌線路采用了靴軌受流模式，靴軌受流下列車高壓系統的運行狀態備受關注。與此同時，直線電機牽引系統隨著長沙磁懸浮線的開通、北京CBD線、上海崇明島線的投建再次成為城市軌道交通新發展的關注點之一。

相比弓網受流系統，靴軌受流系統施工簡單，日常維護量更小，故障率更低，同時對地鐵沿線的城市景觀起到很好的改善作用。但是靴軌受流的局限性在于存在斷電區，列車以一定的速度經過斷電區時，再生制動工況下電能無法通過集電靴及時回饋電網，則中間電壓可能出現強烈的振蕩，振蕩的峰值超過系統保護的范圍，則會報出直流過壓故障。

由于直線電機地鐵車輛使用了相比傳統地鐵更小的隧道斷面，大幅節約成本的同時使得車下空間更為狹窄，因此一般沒有配置車載制動電阻，列車的電制動主要通過再生制動將多余電能回饋到變電所的吸收電阻。列車在高速大載荷進行大級位制動時，為了輸出更大的制動電流，調制比可能達到峰值導致中間電壓振蕩偏高，進而報出直流過壓故障。

除上述兩種常見故障類型外，列車供電網絡網壓波動時的峰值超過直線電機列車高壓系統的保護值也會觸發直流過壓或網壓過壓故障。

針對上述3種常見的直流過壓故障源，文中將系統的從直線電機列車的硬件設計及軟件控制等方面進行分析，并對相應的解決措施展開論述。

1 直流過壓故障邏輯及高壓回路設計

1.1 直線電機直流過壓故障邏輯

城市軌道交通直線電機列車的高壓系統主要采用DC 1 500 V/DC 750 V直流電進行供電，并通過列車內部的牽引逆變器VVVF、輔助逆變器SIV將直流電逆變為變頻變壓的交流電驅動電機及供空調、空壓機使用的380 V交流電。當逆變器直流側的電壓過高時，為防止逆變器受損，列車將報出相關直流過壓故障，自動斷開高壓回路的斷路器及接觸器并關斷逆變器門極進行自我保護。

以廣州地鐵5號線高壓系統為例，直流過壓故障邏輯如表1所示。

表1 直線電機列車直流過壓相關故障邏輯

通過表1可知，直流過壓故障主要可分為網壓過壓及中間電壓(濾波電容)過壓兩種，通過網壓端及濾波電容端的檢測實現對逆變器前、后端的保護。

1.2 直線電機列車高壓電路特點

圖1為5號線列車高壓主回路，除車間電源供電回路及輔助系統供電回路貫通全車外，列車高壓系統可分為MC/M0、M1/M2、M3/MC3個獨立的高壓供電單元。6節編組的直線電機列車在正線受流時，3個供電回路的DC 1 500 V牽引高壓母線通過物理隔離獨立受流，這種設計最大的優點是當某一個單元出現高壓短路等故障時，不影響其他兩個單元的牽引系統正常工作。

直線電機列車一般采用全動車設計，同時出于車輛輕量化設計等考慮，取消了車載的制動電阻，因此直線電機列車的電制動主要以再生制動為主。

圖1 列車系統高壓主回路原理圖

由于直線電機列車取消了旋轉電機復雜的機械傳動機構，可采用更小輪徑轉向架，車輛高度和軸重降低，同時也使得直線電機列車相比傳統地鐵列車可使用更小截面面積的隧道運行。隧道空間小，直線電機列車更適宜采用靴軌受流方式，但由于剛性接觸軌的特性，在道岔、人防隔離門、牽引變電所等處必須設置斷口，尤其是在連續道岔區，可能出現連續斷口或者超長斷口，當接觸軌斷開的長度大于同一組單元車的兩個相鄰集電靴間距離，或同一單元的兩個集電靴分別運行在不同的斷口時，就形成了斷電區，即某單元車會完全失去高壓而造成牽引逆變器VVVF短時斷電的區域。雖然不同單元車高壓獨立保障了受流的安全性，但存在斷電區無法受流牽引及再生制動的局限。

2 直線電機列車直流過壓故障類型及對應解決措施

2.1 斷電區直流過壓故障

(1)斷電區直流過壓故障原因分析

如圖2的故障數據，列車在經過斷電區且為再生制動工況時，中間電壓為1 800 V左右，進入斷電區后，中間電壓(圖中綠色曲線)開始劇烈波動，當中間電壓傳感器檢測到電壓波動的峰值高于2 000 V時，列車報出直流過壓故障。

圖2 直流過壓故障SMC數據波形

(2)斷電區直流過壓故障解決措施

針對列車以再生制動工況經過斷電區時電流無法回饋電網導致列車出現直流過壓故障，可通過軟件調整列車在45～55k m/h再生制動時的斬波門檻值，由原來的1 900 V 調整為1 850 V，當中間電壓波動超過門檻值1 850 V 時，軟件控制VVVF對直流側進行斬波降壓。

經試驗驗證，當速度高于45 km/h時進行再生制動，逆變器電壓高于1 850 V時出現斬波動作，斬波信號開啟，電壓隨之下降。

圖3 軟件刷新后斬波圖

在設定的速度段45～55 km/h再生制動時，中間電壓超過門檻值1 850 V時即開始斬波，尤其在原斷電區電壓振蕩較大路段，新軟件控制下的中間電壓波動較之前明顯減弱，可以將中間電壓的波動抑制在1 850 V以下，表明程序驗證合格，對中間電壓的波動有起到抑制作用，在全線路運行均無異常。同時軟件增加了斷電區封鎖逆變的控制邏輯，當斷電區中間電壓出現異常振蕩時，將觸發逆變器封鎖，3 s后自動復位(見圖3～圖5)。

圖4 斬波開啟

圖5 過壓斬波過程

2.2 高速大載荷大級位制動導致的直流過壓故障

(1)高速大載荷大級位制動導致的直流過壓故障原因分析

由于直線電機列車無車載制動電阻，列車的電制動主要采用再生制動，當再生制動在特定條件下調制出現問題，也可能導致出現直流過壓故障。

以廣州地鐵5號線列車為例，自上線以來，多次在早晚高峰的非斷電區出現直流過壓故障。讀取系統數據分析，列車每次故障時都存在以下特征：高速(80 km/h以上)、大載荷(接近或達到AW3)，司機人工快速100%級位制動(1 s以內)。

如圖6所示，列車在高速大載荷情況下快速大級位制動使得中間電壓(圖中綠色曲線)出現了劇烈的波動，當中間電壓傳感器檢測到電壓波動的峰值高于2 000 V時，列車即報出直流過壓故障。

圖6 高速大載荷情況下大級位制動直流過壓波形

由于直線電機列車在高速、AW3大載荷、快速大級位制動的工況下需要較大的制動電流，當制動電流較大時，則需要匹配較大的逆變電壓。

根據控制理論計算，當直流側電壓達到DC 1 500 V時，逆變側理論最高輸出電壓為1 170 V(在實際工程應用中會低于理論值、且受直線電機模型誤差影響還會更低)，當網壓低于1 500 V時，逆變器要提供較大的逆變電壓滿足相應的大電流輸出，因此控制調制比就會上升，甚至達到滿調制的現象，此時系統動態調節能力較差，外部則會出現直流過壓、逆變過流等故障現象，因此該故障屬于DCU控制邏輯缺陷。

(2)高速大載荷大級位制動導致的直流過壓故障解決措施

傳統旋轉電機為避免此種情況的發生，會隨著網壓的降低，逆變器在控制上動態減小對外電流輸出(即降功運行)。

參考旋轉電機的控制，根據直線電機控制理論，當列車在制動工況，速度大于50 km/h，網壓小于1 500 V時，電流給定做以下動態調整，實現電流給定隨著網壓減小線性下降。

I1=I0×Unet/1 500

其中：

I1為網壓低于1 500 V時的電流給定；

I0為網壓高于1 500 V時的電流給定；

Unet為運行時的網壓；

通過修改牽引系統控制程序，可以避免長時間出現調制比滿調制，解決電壓電流波動引起的過流或過壓問題。

2.3 網壓波動導致的直流過壓故障

(1)網壓波動導致的直流過壓故障分析

對于直流側的電壓檢測，列車的故障保護邏輯中包含了網壓檢測的前端保護，當第3軌供電的網壓出現異常波動時，DCU也會進行相應的保護。

如圖7，列車在故障時刻檢測到了網壓有一個2 ms的瞬間波動，其中網壓最高達到2 200 V，中間電壓(濾波電容電壓)檢測無異常，當DCU檢測到網壓大于2 000 V 時，會自動跳開高速斷路器、短接接觸器、封鎖逆變脈沖。

圖7 網壓過壓故障波形

這種網壓過壓故障保護設計為硬件保護，當網壓或濾波電容電壓過高時，通過運放電路，無延時直接輸出保護指令，牽引系統VVVF故障數據網壓過壓的數據采集周期僅為50 μs，因此保護動作非常迅速，對設備壽命的延長有積極的意義，但是其對于網壓的穩定性要求也相對苛刻。

(2)網壓波動導致的直流過壓故障應對措施

網壓波動導致的網壓過壓或濾波電容過壓故障非列車自身原因導致，出于對列車設備的保護，建議保留現有的故障檢測邏輯。為了避免故障對正線運營造成影響，制定相應的故障處理流程和故障提示信息，當網壓過壓故障出現后，及時復位以消除故障影響。

同時，可以根據當地電網的穩定性，在保證設備性能的前提下，適當提高直流過壓邏輯的硬件保護值(如2 200～2 400 V)以降低故障對正線運行的影響。

3 結束語

通過以上分析可知基于城市軌道交通直線電機列車靴軌受流，無拖車，無車載制動電阻的特殊設計，列車高壓系統直流過壓故障原因主要分為斷電區電壓振蕩、高速大載荷情況下進行快速大級位制動及正線網壓波動3種。針對斷電區電壓振蕩故障因素，可通過軟件修訂斬波門檻值抑制電壓振蕩進行解決；針對高速大載荷情況下進行快速大級位制動故障因素，通過軟件對電流進行動態調整以避免出現滿調制的情況；針對城市電網帶來的網壓波動因素，通過清晰的故障提示信息和復位操作及時恢復，保障列車運行。