一种解决时速120km地铁列车跳弓导致过压过流问题的方法

许南南+廖云+曹俊+闫柏辉

摘 要：随着城市化进程加快，越来越多的城市采用120km/h甚至更高速度等级地铁车辆，高速地铁车辆在带来快速便捷高效的同时，也存在诸多潜在问题，本文就高速运行列车在出隧道时出现的弓网跳变所带来的过压过流问题进行了分析，同时提出了解决办法。

关键词：120km/h；地铁；跳弓；过压；过流

0引言

随着我国城市化进程加快，城市规模越来越大，同时城市骨干交通枢纽比如机场、高铁站大都分散在城郊地区，原有的80km/h速度等级车辆已经无法满足长远距离、快速旅行的要求，因此，120km/h速度等级地铁车辆应运而生，目前个别大城市正在规划140km/h甚至更高速度等级地铁车辆。高速地铁车辆为我们带来了快捷的同时，其自身也存在些新的问题，本文就地铁车辆在高速运行过程中出现跳弓问题，导致车辆牵引逆变器VVVF中间直流过压的问题进行了分析，并提出了新的解决办法。

1 地铁车辆受电情况简述

国内目前受电弓受电线路的供电普遍采用一下方式进行受电：

隧道内采用刚性悬挂，接触线至轨顶面的高度为4040mm，最小高度为4000mm；

隧道外采用柔性悬挂，接触线至轨顶面的高度一般为5000mm，暂定最小高度为4400mm，最大高度5700mm（月检库）。

可以看出当车辆在进出隧道的过程中，受电弓的弓头高度会至少有400mm左右的变化，特别是在出隧道时受电弓弓头会出现一个抬升，受电弓会与接触网有一个“撞击”的过程，这可能会导致接触网受力后震荡，最终出现弓网离线，也就是跳弓。这个过程在80km/h速度等级车辆上已经存在，但由于120km/h速度等级车辆的速度等级更高，出隧道时隧道内外的气压压差更大，因此弓网撞击过程更加剧烈，极端情况下，跳弓导致的弓网电压瞬间突变600V以上，远远高于80km/h速度等级的300V以下的电压突变。

如果出现其他车辆导致的电网震荡幅度更大，那么到车辆端的网压跳变就会更严重。

2 地铁车辆高压电路简介

以国内目前典型的高压电路进行说明，高压电路原理图如下图2-1所示。

2.1 母线设计说明

A车、B车和C车组成一个动力单元；另一个动力单元与之完全对称。两个动力单元之间牵引供电母线完全隔离，辅助供电母线互连，在辅助供电母线设置隔离二极管1D01，防止本动力单元牵引电源接入到另外动力单元的牵引回路。

HB1、HB2作为单元内受电弓高压送入B车、C车VVVF系统的牵引母线的短路接地保护。

2.2 高压辅助母线说明

高压辅助母线可保证列车在只有一个受电弓升弓或者跳弓时，辅助供电持续；车间电源供电时两端辅助电源同时得电。

因此，该高压主电路设计，能保证在出现跳弓时，使全列车辅助系统正常供电，弓网正常的动力单元牵引系统正常供电，也能保证列车安全通过线路上的任何一处接触网电分段区。

但一旦车辆出现跳弓，则个别牵引VVVF逆变器则会出现短暂的电压下降。

2.3 牵引VVVF主电路说明

每辆动车配置一台VVVF逆变器，逆变器内装有1个IGBT变流器模块，1个牵引控制单元（DCU），变流模块驱动2个转向架上的4台电机。

VVVF逆变器采用两电平电压型直-交逆变电路， 1500V直流电压经高压电器箱、滤波电抗器送入到VVVF逆变器，经逆变器输出三相变频变压的交流电，为异步牵引电动机（1M01～1M04）供电。电压传感器VH1检测直流网压Ud，VH2检测逆变器上的电容器中间电压Uc；电流传感器LH1、LH2检测直流回路电流Id，LH3、LH4检测逆变器输出电流，LH5、LH6检测斩波电流。

3 电容电感伏安特性

VVVF逆变器中设置电抗器L和电容器C来抑制电流和电压的突变，并且抑制VVVF逆变器再生时谐波对电网的干扰，因此现有的VVVF设备本身就可以抑制一部分电压和电流的突变。

但如果电网电压突变情况很严重，且此时在牵引工况时，则会出现网压和中间电压的同步降低，当跳弓结束后，弓网电压又恢复，此时，因为网压与中间电压之间存在压差，则此时直流电流是在增大的过程，因为电抗器L的限制，其有一个上升斜率，根据电路原理中，电抗器L会产生一个感应的反电动势。公式如下：

U=L*di/dt，可以看到由于阻碍电流变化，因此感应电动势加在电容C两端，这就使得电容上的电压快速上升，并达到牵引开通斩波降压的门槛，但由于受开通频率限制，每两次开通之间必须间隔2ms，这就会出现感应能量在这2ms内无法被消耗的问题，此时感应电压加在电容C上面，报出中间直流过压故障和逆变过流故障，牵引跳开高速断路器保护。

4 依据电压、电流变化趋势提前保护

由公式U=L*di/dt，因此，可以依据di/dt的值来在没有达到斩波开启门槛值之前提前开启斩波，以提前消耗掉此部分感应能量，来解决中间直流过压和逆变过流问题。以国内某项目的实际运营情况时所报故障为例进行分析：

可以看到网压（红色）出现了波动，中间电压（蓝色）也跟随网压进行波动，直到出现了网压瞬间抬升（从1000V抬升至1600V左右），此时中间直流电流正向变大，可以看到在中间电压上升至最大时，逆变电流（黄色）也最大。

中间电压增大的原因有两点：①电容充电过程；②电抗器L的感应作用。可以看到在网压比中间电压高时di/dt为正值；此后由于电抗器L的续流作用，di/dt为负值，根据U=L*di/dt，可以看出为了阻碍直流的变化，此时电抗器感应电压会加在电容器上；目前的牵引斩波控制理论是，在检测到中间电压Ud达到一个门槛值后再开启斩波，但由于牵引斩波门槛本身较高，再加上受斩波频率限制，中间电压持续升高，进而造成出现了中间电压过压和逆变过流保护。

既然故障原因已经明确，那就可以通过检测网压Ud、中间电压Uc、直流电流Id来进行一个综合的逻辑控制和诊断，来提前避免故障发生。

DCU目前的采样频率为40μs，1ms内可以采样25个点，以1ms为一个计算点，通过监测Ud、Uc和Id

假设在开始时刻，电流值为Id1，在1ms后，测量电流值为Id2，则di/dt=（Id2- Id1）；若di/dt>10A/ms，且持续10ms。中间电压值为Uc1，在1ms后，测量电流值为Uc2，则du/dt=（Uc2- Uc1），若du/dt>20V/ms，且持续10ms；

且检测到△U=Ud-Uc，△U在不断缩小时，直流电流Id在一个较大的绝对值，可以提前开启制动电阻进行斩波，以抑制电抗器L所带来的感应电压造成中间直流过压，最终实现对逆变过流的规避。

5、结语

本文结合国内地铁车辆典型高压电路和牵引主电路原理图，从电路原理中电容、电感储能原件的特性出发，提出了一种根据电压、电流变化率，并结合电压、电流绝对值的方法来解决车辆受电弓跳弓问题所带来的牵引中间直流过流跳高断的保护的问题。为后续更高速度地铁车辆出现弓网关系不匹配出现跳弓时，可能所带来的过压等问题提供了参考解决办法，同时也从电路原理角度提供了依据电压、电流变化率实施提前保护的方法。