地鐵彈簧受電弓與高壓電路的匹配優化措施

郝曉武，盧 俊

（1. 鐵科院（北京）工程咨詢有限公司，北京 100081；2. 株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南株洲 412001）

1 引言

目前，城市軌道交通蓬勃發展，地鐵線路建設持續高位，國內地鐵列車主要采用接觸網受流方式，地下線路因空間限制供電網線普遍采用剛性接觸網，受電弓是列車正常受流的關鍵設備。地鐵受電弓根據結構原理，分為氣囊型受電弓、彈簧型受電弓[1]。前者應用廣泛、可靠，而彈簧型受電弓因其結構簡單、成本低、維護工作量小，正受到越來越多用戶的青睞。

與國內大多數接觸網地鐵項目采用的依靠氣囊充風升弓、排風降弓的氣囊弓運行方式恰恰相反，彈簧受電弓工作方式為彈簧升弓、空氣降弓。彈簧升弓的結構方式決定了彈簧受電弓的主要特性為：升弓過程中，會存在較大幅度彈跳，震蕩3～5 s后穩定接觸接觸網；運行過程中，受電弓彈跳頻率相對較高，離線率亦相對較高。

基于這些特性，列車在大電流大電壓環境下工作，弓網存在瞬間通斷及震蕩接觸，非常容易導致高壓設備產生過電壓、拉弧，極端情況下甚至損壞高壓設備。因此需對列車高壓電路進行匹配設計，確保列車供電穩定性。本文針對某實際線路中該類受電弓與高壓電路進行匹配性分析，同時針對正線運行中出現的故障問題進行分析與優化驗證，對后續項目設計選型有一定指導意義。

2 電路匹配性分析

2.1 列車基本參數

列車采用4M2T的6輛編組A型車，分2個動力單元，最大運營速度80 km/h，采用DC1500V架空接觸網受電方式。列車編組如圖1所示。

圖1 列車編組示意圖

每個動力單元的高壓電路原理圖如圖2所示。

圖2 列車高壓電路原理圖

列車主要高壓子系統分為以下3類系統，均需要從受電弓取電。

（1）牽引電傳動系統（含高壓電器箱、牽引逆變器、電機等，每列車4臺，安裝于Mp車，單臺容量1 100 kVA）。

（2）輔助電源系統（含輔助電源箱等，每列車2臺，安裝于Tc車，單臺容量240 kVA，其內含緊急供電電源模塊，提供DC1500 / DC110V變換功能，容量400 W）。

（3）牽引蓄電池充電系統（含DC / DC等，每列車2臺，安裝于Tc車，單臺容量30 kW）。

2.2 受電弓結構

受電弓采用單臂、輕型彈簧受電弓，受電弓結構如圖3所示，主要由弓頭、弓頭支撐、上臂、下臂、平衡桿、聯軸桿、主彈簧、降弓氣缸、鎖鉤、空氣管路等組成[2]。

圖3 彈簧受電弓結構示意圖

主要參數如下。

（1）工作方式為氣動解鎖、彈簧拉力升弓，氣動降弓。

（2）臂桿形狀為單臂彈簧式受電弓。

（3）靜態接觸力為80±10 N。

（4）額定工作電流1 600 A。

（5）升弓時間不大于8 s（可調）。

（6）降弓時間不大于8 s（可調）。

2.3 匹配分析

升弓過程中，由于受電弓會存在較大幅度彈跳，震蕩3～5 s后方可穩定接觸接觸網，根據列車高壓電路圖可知，高壓系統設備均有LC濾波器件、開關器件、功率變換模塊，若有高壓后立即啟動，將使得設備短時間出現多次啟停。因此，針對升弓阻尼進行合理優化，減小彈跳幅度，同時在升弓階段各高壓子系統延時5 s以上閉合高速斷路器/接觸器等開關器件，待網壓穩定后開始啟動。對于無延時啟動，直接與弓網連接的高壓設備（如緊急供電電源模塊）增加輸入限流電阻，增強抗沖擊能力[3]。

運行過程中，受電弓彈跳頻率相對較高，對此需在調試階段優化受電弓接觸力，減少彈跳頻率與幅度，確保弓網離線率在標準范圍。

3 故障問題與優化分析

即使針對應用彈簧受電弓的高壓電路系統做了相關匹配性設計，仍難以完全規避未知的故障風險，下面將針對調試與運行中的常見故障進行優化分析。

3.1 故障問題

某項目彈簧受電弓在線路運行過程中，常見的故障為升弓過電壓故障，主要損壞無延時啟動直接與弓網連接的緊急供電電源模塊（用于DC1500V轉DC110V）。故障表現為：受電弓升弓過程中，瞬間過電壓，高壓設備報過壓故障、模塊損壞故障。

3.2 升弓故障原因分析

根據受電弓在升弓時的彈跳情況，分析故障數據發現，列車在升弓時弓網電壓瞬時值可以達到2 400 ～2 850 V不等，持續時間超過10 ms，最低電壓達到1 100 V，震蕩后穩定，如表1所示。推測受電弓與高壓電路間存在不匹配情況，需要對比測試，尋找升弓階段導致電壓沖擊的來源。

表1 對比測試工況與數據

通過對比測試，確認在牽引蓄電池充電系統DC/DC接入高壓回路時升弓將引起較大幅度過電壓，此時僅DC/DC輸入電路接入高壓回路（輸入電路由電壓傳感器、電磁干擾（EMI）濾波器組成，位于線路接觸器前端）。

實驗室內進行對比測試，模擬受電弓升弓網壓變化，網壓從0 到DC1500V跳變，測試不同輸入濾波電路的升弓過電壓情況。工況包括帶EMI濾波器、不帶 EMI濾波器、EMI濾波器替換為磁環、帶EMI濾波器+磁環 4 種工況。測試結果如表2、圖4、圖5所示。

表2 DC/DC輸入電路對比測試工況與數據 V

圖4 優化前升弓電壓波形

圖5 優化后升弓電壓波形

通過對DC/DC輸入濾波電路進行對比測試，可以發現采用不同濾波電路時尖峰電壓變化不一，EMI濾波器內含有電容，在電路瞬間接通又關斷的瞬間對外放電，產生過電壓。

4 解決措施

該項目首先在確保設備電磁兼容性（EMC）的同時，將充電機輸入EMI濾波器調整為磁環，其次針對牽引蓄電池充電機預充電接觸器開閉時間邏輯軟件進行優化（預充電接觸器在網壓穩定前不得閉合，排除網壓穩定前電容上有電導致高電壓加在電容兩端造成電容異常的情況），實際應用反饋，受電弓升弓過程中，高壓設備不再報過壓故障和模塊損壞故障，可有效改善升弓過電壓情況。如圖6所示。后續類似彈簧受電弓應用項目，需避免在接觸器/斷路器前級電路采用LC濾波電路。

圖6 改善后的升弓過程電壓

5 結論

針對彈簧受電弓的結構與特性，設計階段進行匹配性設計，可有效防止升弓時產生過電壓情況，損傷電氣設備。前文對某實際線路中該類受電弓與高壓電路進行了匹配性分析，同時針對正線運行中出現的故障問題進行分析與優化驗證，提出高壓電器設備延時啟動、輸入濾波電路中EMI濾波器改為磁環的優化方案，并進行了充分測試驗證，證明了有效性，可指導后續類似項目的選型及方案設計。

值得關注的是，列車工作在大電流大電壓環境下，正線運行過程中彈簧受電弓相比氣囊受電弓更易發生彈跳情況，拉弧檢測率相對較高，故障時的電壓瞬時值可以達到2 250～2 600 V不等，持續時間超過10 ms，將是后續優化分析的重點問題。