基于地鐵車輛牽引系統高壓保護設計分析

王紹新

摘要：本文主要針對地鐵車輛牽引系統高壓保護設計進行分析，首先分析地鐵牽引系統高壓保護研究現狀而后介紹牽引系統高壓保護方案研究及特性仿真計算，最后提出地鐵車輛高壓牽引系統高壓保護的回路的配置設計，希望能夠為相關人士提供幫助。

一、地鐵牽引系統高壓保護研究現狀分析

地鐵車輛牽引系統對于歐洲本土、日本、韓國等車輛或牽引系統供貨商來說已經非常成熟，而且基于成熟平臺的產品已經廣泛應用于世界各地的相關項目。在市場應用上因其供電制式、控制方式、功率等級及設備散熱形式各有不同，牽引系統產品形式也存在多樣化。地鐵車輛領域其國外代表公司主要有東芝公司、三菱、爾準、阿小斯趣、庇巴迪及西門子等幾家重要牽引系統供貨商;在 DC750V與 DC1500V供電制及不同功力率等級需求下，東芝、三菱、東洋等日本牽引系統供貨商系統設備主要采用分散式結構、散熱方式主要采用自然冷卻，其控制方式分為架控與車控;阿爾斯通、龐巴迪與西門子等歐美牽引系統供貨商系統設備主要采用集成式結構、散熱方式主要為強迫風冷，其控制方式同樣為架控與車控[1]。

二、牽引系統高壓保護方案研究及特性仿真計算

列車高壓電路見圖1，列車高壓電路原理圖，高壓保護電路主要分布在牽引逆變器前端，采用模式開關轉換、輸入熔斷器、高速斷路器及防反二極管等，牽引逆變器供電回路串聯濾波電抗器用于諧波含量控制。

線路濾波電抗器與直流回路支撐電容器組成濾波單元。輸入電抗器的參數選擇主要考慮諧振頻率與沖擊電流。線路濾波電抗器設計采充分考慮電流變化而導致電抗器飽和問題。

高速斷路器的保護動作由機械觸發裝置觸發或者控制單元控制觸發。當牽引控制單元檢測到牽引逆變器故障，并需要斷開高速斷路器，此時牽引控制單元發出斷開高速斷路器的指令;當牽引逆變器輸入端發生過流并達到高速斷路器過流保護的閥值時，高速斷路器機械觸發裝置觸發，自動斷開保護[2]。

熔斷器用于保護牽引逆變器在持續電流過大情況下的保護，比如后端接地、持續大電流負載工作等，相當于牽引系統異常工作時線路的保險絲。其熔斷器的選擇需與高速斷路器進行配合，同時根據線網供電條件，進行預期短路電流計算，才可選擇出更為適合系統的參數。

牽引系統高壓保護設備包括轉換開關、隔離開關、高速斷路器、濾波電抗器、熔斷器等設備。

三、高壓回路配置設計

（一）母線設計

根據列車牽引母線和輔助母線要求，牽引母線在兩個動力單元之間牽引供電母線完全隔離，動力單元采用一個受電弓單獨供電，全車輔助供電母線貫通;

整車輔助高壓回路通過列車輔助母線連為一體，當一個受電弓處于供電區段切換時，該單元輔助逆變器通過輔助高壓母線從另一個受電弓供電。

輔助母線設計一個防反的二極管，防止車輛過無電區時或者一端采用庫內供電情況下，一端的供電電源通過共用的母線，電流通過此母線流到另一個受電弓或者供電電源，形成環流，破壞供電系統。

（二）受電弓隔離裝置說明

高壓隔離開關通過輔助觸點提供以下3個狀態反饋給列車線電路（見圖2）：

高壓隔離開關在運行位（LO_IESP） ;

高壓隔離開關在車間電源位（LO_IESW） ;

高壓隔離開關二級互鎖手柄在鎖閉位（LO_SHR） ;4

“整車高壓隔離開關均在受電弓位”列車線信號串聯到受電弓控制指令線上，只有該信號為高電平，整車才允許升弓，否則受電弓不會升起;

“整車3個高壓隔離開關的在車間電源位”信號串聯在一起，給出“隔離開關在車間電源位”列車線信號（L_AIESW） ;

只有“隔離開關在車間電源位”時，車間電源才允許輸出閉合;

四、地鐵車輛高壓保護參數選型計算

（一）濾波電容與電感

電容器地鐵車輛的儲能裝置，能夠儲存能量，進行能量轉化和吸收，可以起到濾波作用。在高壓電路中，可以起到緩沖能量的作用，同時對直流電路的電壓波動，諧波含量等均由消除穩定作用。

已知兩極板的間距為d，正對面積為s，通過如下公式計算電容器容量：

上述公式中：表示：介電常數;k表示：靜電力常量。

濾波電抗器的額定電流一般選擇仿真計算的均值電流。濾波電抗器的需要與濾波電容氣的參數選擇進行匹配，同時根據牽引逆變器的設計容量進行選擇。

（二）濾波參數設計

地鐵車輛濾波電感和支撐電容諧振頻率一般在30HZ 以下，主要是為了抑制工作點在諧振頻率附近時差頻的低頻分量對力矩的影響以及逆變器在直流母線上的開關諧波所激發的LC振蕩，一旦電路發生共振，此時可能出現過電流或是過電壓現象，所以在己知電容量范圍的情況下，計算電感時還應考慮電感以及電容的諧振頻率對城市軌道信號的影響。

結束語：綜上，在本次研究中，從實際入手，分析地鐵車輛牽引系統高壓保護設計，提出仿真實驗理論，并進行一系列大量的驗算，希望能夠為地鐵車輛牽引系統的高壓保護設計提供更加充足的理論支持。

參考文獻：

[1]于昳琳.地鐵列車永磁牽引系統改造分析[J].交通世界，2021（12）：10-12.

[2]曹斌.地鐵車輛輔助和牽引系統重要部件典型故障研究[J].鐵道運營技術，2021，27（02）：32-34.

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