牵引主电路中取消压敏电阻及续流回路的可行性分析

陈 雷　伍 星

（长沙市轨道交通运营有限公司，410014，长沙∥第一作者，工程师）

牵引主电路中取消压敏电阻及续流回路的可行性分析

陈 雷伍 星

（长沙市轨道交通运营有限公司，410014，长沙∥第一作者，工程师）

摘 要长沙市轨道交通2号线列车在设计初期为考虑牵引传动控制的可靠性风险，在牵引系统主电路中设置了压敏电阻和续流回路，但在实际运用中发现，其效果并不明显。现通过试验，并对比国外主要牵引系统供应商的设计，对牵引系统主电路中设置压敏电阻及续流回路的必要性进行了验证。

关键词城市轨道交通车辆；牵引主电路；压敏电阻；续流回路

Author＇s address Changsha Rail Transit Operation Co.，Ltd.，410014，Changsha，China

长沙市轨道交通2号线采用中车株洲电力机车有限公司及株洲南车时代电气股份有限公司所设计的B型车。在设计初期，考虑到系统的可靠性，在牵引主电路中设置了压敏电阻及续流回路。但运用中发现，其效果并不明显，且存在一定的故障风险。本文通过试验和对比其他供应商的设计，对取消压敏电阻和续流回路的可行性进行了分析论证。

1　长沙市轨道交通2号线牵引系统主电路

1.1牵引系统主电路的组成

长沙市轨道交通2号线牵引系统主电路由高压电器（MQS、HB）、电容器充放电单元（KM1、KM2、MQS1、R1）、滤波单元（L、C）、斩波及过电压抑制单元（斩波IGBT（绝缘栅双极晶体管）模块、1R01∕1R02）、逆变器单元（INVMK1、INVMK2）、交流牵引电机（1M01—1M04）及检测单元（LH2、LH13、LH14∕LH23、LH24、LH16∕LH26、VH2、VH1）等组成。牵引系统主电路原理如图1所示。

1.2牵引系统的功能及控制

在牵引过程中，牵引系统充分利用轮轨粘着条件，按列车载重量从空车到超员载荷范围内自动调整牵引力的大小，并保证一定的牵引力冗余量，使列车在空车至超员载荷范围内保持起动加速度基本不变，并具有反应迅速、有效可靠的粘着利用控制和空转保护。在制动过程中，列车充分利用轮轨粘着条件，按列车载重量从空车到超员载荷范围内自动调整电制动力的大小及补充空气制动，使列车在空车至超员范围内保持制动减速度基本不变，并具有反应迅速、有效可靠的粘着利用控制和滑行保护。

2　压敏电阻及续流回路的技术参数和作用

2.1压敏电阻的技术参数及作用

长沙市轨道交通2号线列车牵引系统主电路选用的压敏电阻型号为MYG-L-2 600 V-25 kJ。株洲南车时代电气股份有限公司在DC 1 500 V城市轨道交通项目采用的压敏电阻均为该型号。其技术参数如下：

（1）型号：MYG-L-2 600 V-25 kJ；

（2）直流参考电流：（1±0.2）mA；

图1　长沙市轨道交通2号线牵引系统主电路图

（3）标称动作电压（直流参考电压、压敏电压）：2 600 V；

（4）动作电压允许偏差：±10﹪；

（5）漏电流：≤40μA（在0.75倍标称动作电压下）。

长沙市轨道交通2号线列车设置压敏电阻的初衷，是用来吸收主回路中故障保护过程中的过电压。如图1所示，当列车再生电制动产生大电流时，若传动控制失效引起高速断路器大电流分断（此时逆变未封锁，而正常情况下是先封锁逆变后跳高速断路器），在电抗器L（额定参数为5 m H∕450 A）前端可能会产生一个大的浪涌尖峰电压（左正右负），此时可通过压敏电阻对此尖峰电压能量进行吸收。

2.2续流回路（V1／R2）的技术参数及作用

续流二极管V1的技术参数如下：

（1）型号：09 c 557-33；

（2）正向压降：1.34 V；

（3）反向重复峰值电压：6 500 V；

（4）漏电流：13 m A。

续流电阻R2的技术参数如下：

（1）型号：RZN-1∕DC 2 000 V∕0.229Ω；

（2）额定工作电压：2 000 V；

（3）额定电阻：0.229Ω；

（4）瞬时功率：4 k W；

（5）平均功率：0.3 k W；

（6）瞬时能量：11.5 kJ；

（7）最高允许工作温度：600℃。

续流二极管及续流电阻的作用为：当列车在大电流牵引工况时，若传动控制失效且高速断路器大电流分断（此时逆变未封锁，而正常情况下是先封锁逆变后跳高断），电抗器感应的能量（左负右正）可通过续流回路进行续流释放，有利于中间直流环节的稳定工作。

3　取消压敏电阻及续流回路的必要性分析

GB∕T 16927.1—2011《高电压试验技术第1部分：一般定义及试验要求》规定：直接与电网相连（如避雷器）的过压等级为OV 4等级，最高需承受18 k V过电压；前端有隔离缓冲的为OV 3等级，最高需承受12 k V过电压。根据该标准，压敏电阻FS和续流回路V1∕R2设置在目前主电路的位置是不安全的（需要承受最高至12 k V的外部过电压）。

取消压敏电阻后，当大级位再生电制动时，若传动控制失效导致高速断路器大电流分断时，由于高速断路器大电流分断时的拉弧，滤波电抗器感应的能量（左正右负）可通过高速断路器弧、受电弓到弓网，通过地面的整流设备进行回流。

2.7 果实采收 根据市场要求及果实成熟度适时采收，为保证果实品质可以适当晚采。采收后严格分级，统一果个、颜色、果形，及时入库贮藏。

现对续流回路进行分析。如图1所示，在正常工况时，二极管V1始终承受反压（上正下负），二极管不会导通。当列车在大电流牵引工况时，若传动控制失效导致高速断路器断开（此时逆变未封锁，而正常情况下是先封锁逆变后跳高断）时，电抗器两端感应出一个左负右正的反电势E，E=-L d i∕d t（L为电感线圈的电感量，i为电流，t为时间）。若将L、V1∕R2和R4看成一个回路，V1∕R2视为一个组件，组件两端电压用UR表示，根据基尔霍夫第二定律，回路导通时，该回路电压为0（将R4两端电压电容端看成1 500 V），即UR-L d i∕d t＋1 500 V=0。L为5 mH，UR=0，则可得出，d i∕d t=3×108A∕s才会使续流回路导通。即电流变化率大于300 A∕ms时续流回路才会导通。此类工况极少发生，即续流回路中在极少工况下会有电流通过。

根据以上分析，压敏电阻及续流回路的功能完全可通过其他通路完成，取消该设备对整个电路的功能无影响，能满足电路的使用要求。

4　取消压敏电阻及续流回路后的验证

4.1试验验证

为验证在外部冲击能量输入时，有、无压敏电阻及续流回路两种情况对牵引系统的影响，根据GB∕T 16927.1—2011《高电压试验技术》第1部分（一般定义及试验要求）的规定，按不同电压等级（最高至12 k V）对牵引系统进行冲击电压试验。在图2的①位置处施加1.2∕50μs标准雷击冲击电压波，同时，模拟传动控制失效，在有、无压敏电阻及续流回路两种情况下，进行先跳高断后封脉冲的试验，测量相关的电流∕电压动态波形。

图2　试验用牵引系统主电路简化图

4.1.1冲击电压试验

在冲击电压分别为3 000 V、5 000 V、12 k V时，装压敏电阻和不装压敏电阻两种情况下，通道1 ～4的输出如图3～图5所示。其中，通道1（40 A∕格）为电流通道，测量压敏电阻的电流；通道2（50 A∕格）为电流通道，测量避雷器的电流；通道3（100 V∕格）为电压通道，测量电抗器输出端电压；通道4 （1 000 V∕格）为电压通道，测量电抗器输入端冲击电压。

从图3中可以看出，冲击电压为3 000 V时，压敏电阻先开始动作（动作电压为2 600 V），避雷器未动作（动作电压为4 800 V）。

从图4可以看出，冲击电压为5 000 V时，避雷器开始动作（动作电压为4 800 V），但压敏电阻中流过的电流比避雷器中流过的电流大很多。

从图5可以看出，在12 k V雷击冲击电压时，取消压敏电阻与安装压敏电阻的冲击电压残压（在冲击电流下流过避雷器的压降）峰值差在300 V左右，说明如果只是针对外部雷击过电压的保护，避雷器足够，无须使用压敏电阻。

4.1.2先跳高断后封脉冲对比试验

（1）牵引工况下，安装、取消压敏电阻及续流回路时先跳高断后封脉冲对比试验如图6所示。

（2）制动工况下，安装、取消压敏电阻及续流回路时先跳高断后封脉冲对比试验如图7所示。

4.1.3试验结论

通过以上试验数据分析可知：

图3　冲击电压为3 000 V时通道1～4的输出

图4　冲击电压为5 000 V时通道1～4的输出

图5　冲击电压为12 k V时通道1～4的输出

（1）在DC 6 000 V以下的冲击电压试验中，取消压敏电阻后冲击能量由避雷器及线路滤波器吸收，在取消压敏电阻及安装压敏电阻两种情况下输入电压的吸收时间基本相同，说明线路滤波器对雷击电压具有较好的抑制作用。

（2）在12 k V雷击冲击电压时，取消压敏电阻与安装压敏电阻的冲击电压残压峰值差在300 V左右，说明如果只是针对外部雷击过电压的保护，避雷器足够，无须使用压敏电阻。

（3）在模拟传动控制失效（即先跳高断后封脉冲的工况）时，无论是牵引还是制动，压敏电阻及续流回路都没有电流流过。

4.2装车试验

在长沙市轨道交通2号线运用列车中选取1列车，拆除牵引系统主电路压敏电阻及续流回路，并跟踪运行状态。

2号线于2014年11月15日组织拆除15 B车、15 C车的牵引系统主电路压敏电阻及续流回路，跟踪3个月以来，运行状态良好，未发现15 B、15 C车牵引系统异常，且未对其它设备造成影响。

图6　牵引工况下，先跳高断后封脉冲对比试验

图7　制动工况下，先跳高断后封脉冲对比试验

5　结语

通过对取消列车牵引系统主电路压敏电阻及续流回路的可行性分析、取消后的试验数据论证及跟踪列车拆除试验表明，牵引系统主电路取消压敏电阻及续流回路是可行的。此外，对目前国际上西门子、庞巴迪等主要牵引系统供应商的主电路（DC 1 500 V）分析后可知，其主电路中均未设置压敏电阻和续流回路，且并未对牵引系统设备及其它相关接口设备造成影响。这进一步验证了牵引系统主电路取消压敏电阻和续流回路的必要性。为防止压敏电阻及续流回路自身失效而引发严重故障，从降低故障率及故障导向安全考虑，长沙市轨道交通2号线牵引主电路中可取消压敏电阻及续流回路。

参考文献

［1］ 宋文胜，冯晓云.电力牵引交流传动与调制技术［M］.北京：科学出版社，2014.

［2］ 刘耀元.电工与电子技术［M］.北京：北京工业大学出版社，2006.

［3］ 张仁豫.高压电实验技术［M］.北京：清华大学出版社，2003.

［4］ 刘雨棣.电力电子技术［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2014.

［5］ 张海根.机电传动控制［M］.北京：高等教育出版社，2001.

Feasibility of the Removal of Voltage Dependent Resistor and Continuous Current Circuit from the Traction Main Circuit

Chen Lei，Wu Xing

AbstractConsidering the reliability risk of the traction system in the initial design of metro vehicle for Changsha Metro line 2，voltage dependent resistor and continuous current circuit are installed in the traction main circuit，but the effect is not obvious in actually operation.Through experiment and compared to the vehicle design of international suppliers，the necessity verification for the installation of voltage dependent resistor and continuous current circuit in the traction main circuit is believed to be important.

Key wordsurban rail transit；traction main circuit；voltage dependent resistor；continuous current circuit

中图分类号U 224.4

DOI：10.16037∕j.1007-869x.2016.01.019

收稿日期：（2015-01-13）