一种无轨架线车辆制动安全解决方案的设计

阎志伟

（中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

高效高产的矿井近些年得到迅猛发展， 防爆柴油机驱动的无轨胶轮运输车辆在煤矿中被大量投入使用，总数已经远超6000 辆。车辆使用矿用防爆柴油机目前主要使用机械泵供油， 经防爆改造后的柴油机油耗高、 效率低，而且尾气和噪声污染严重，由于煤矿井下空间密闭狭小，非常不利于污染物扩散，从而严重危害井下工作人员身心健康[1]。在此基础上，借鉴高铁的模式，采用电机和柴油机牵引方式的双驱车辆。 该运行系统将架线接触网铺设于煤矿辅运巷道中，当双驱架线车辆运行至此巷道时，将集电弓与接触网贴合受电， 车辆将采用电机驱动模式运行，大大降低巷道里的有害尾气排放，对矿井的工作环境改善有着重大作用。 然而，目前无轨胶轮车辆的制动方式主要为机械湿式制动，制动效率较低，尤其是长距离下坡时，运行过程中可能频繁地起、制动，制动过程产生的能量主要以摩擦发热的形式消耗[2]，所以会造成车辆制动器摩擦片损坏严重，存在着较大安全隐患，是当前迫切需要解决的问题。

1 再生电能利用装置技术选择

目前再生电能利用装置主要有以下几种类型： 电阻消耗型；电容储能型；逆变回馈型等。 表1 对常用再生电能利用装置技术进行比较分析[3]。

综合表1 分析：电阻吸收和电阻-逆变吸收技术并不能真正实现电能的再利用，且电阻装置发热量高，浪费能源严重。

表1 再生电能利用装置技术比较

电容储能是以超级电容为储能介质的牵引电能储能装置，既可节能、又可起到稳压的作用，目前在欧洲部分城市的轨道交通中有采用，维护工作量少，但投资相对较高，且技术基本集中在国外公司手中。

逆变回馈型技术在国内应用比较成熟， 已有多家供应商可以提供逆变回馈型再生电能利用装置并具有一定的研发、生产、服务实力[4]。

考虑到无轨架线车辆运行时存在接触网仅靠当无轨架线车辆在斜井坡道重载运行时处于再生制动状态，会产生很大的能量，因此，车辆运行中产生的多余能量不应该仅仅以制动器摩擦发热的方式进行消耗， 而应该在架线车辆的接触网供电系统中设计能量回馈利用装置，综合比较，本次设计采用逆变回馈型再生电能利用方案，从而变害为利。

2 回馈方案的设计

如图1 所示，在某架线巷道设置A、B、C 三座牵引变电所。 牵引变电所A 为地面所，设置在井口房附近；牵引变电B、C 所为井下所，其中B 所设置在2-2 煤辅运大巷交叉口，C 所设置在离B 所3km 处。 从图1 分析可知，2号辅运平硐为2.8km 长距离连续下坡路段， 无轨架线车辆电制动产生的能量的主要集中在该路段， 因此再生电能利用装置设置在A、B 所比较合适。

逆变回馈通常分低压能馈型 （将电能回馈至低压0.4kV 动力照明网络系统）和中压能馈型（将电能回馈至10kV）。 根据本项目工况，在牵引所A、B 的之间的供电区间内，如果发生两个最大工况的车辆运行制动的情况，瞬时制动功率将达到2.1MW，低压能馈型设备目前单套设备容量可达1.2MW， 不能满足本项目的要求，且能量回馈到0.4kV 低压电网可能会导致网压存在较大波动，进而影响0.4kV 低压电网上设备的稳定运行。中压能馈型设备相对于低压能馈型设备具有较大的技术优势，容量可以达到4MW，10kV 系统的容量要远大于0.4kV 系统，因此中压能馈装置相对于低压能馈装置的系统稳定性更好。因此逆变回馈方案选择中压能馈型较为合理。

按照最大工况，双边供电模式，各所一半进行回馈估算，A 所额定回馈容量800kW，短时回馈容量1600kW；B 所额定回馈容量1600kW，短时回馈容量3000kW。 本次设计主要做了三种方案比选。

图1 牵引变电所分布示意图

2.1 牵引/回馈双向变流（方案1）

整套系统直流侧通过DC1500V 开关柜接入接触网，再接入隔离开关柜、 牵引回馈双向变流器柜和整流变压器， 交流端通过整流变压器原边连接到12kV 中压开关柜，最后接入中压供电网，原理如图2 所示。

该方案利用多电平整流/逆变技术，整流、回馈装置二合一，系统简单可靠， 是城市地铁、轻轨变流技术的发展方向，输出波形平滑、谐波含量低、机组效率高、占地少，系统设备费用最低[5]，已有产品投入市场， 即将在宁波、长沙、乌鲁木齐等地铁工程中投入使用。

图2 牵引/回馈双向变流原理图

2.2 整流加单独回馈（方案2）

即采用回馈柜及回馈变压器回馈至10kV 侧方案， 整套系统直流侧通过DC1500V 开关柜接入接触网， 再接入隔离开关柜、 回馈变流器柜和回馈变压器， 交流端通过变压器连接到12kV 中压开关柜，最后接入中压供电网。

地面牵引变电所A所： 额定回馈容量800kW； 短时回馈容量1600kW；短时回馈时间30s，周期120s，原理如图3 所示。

图3 单独回馈原理图

2.3 回馈至整流变压器二次侧（方案3）

方案整流系统配置如方案2， 回馈接入点在在整流变压器的二次侧，原理如图4 所示。

图4 回馈至整流变压器二次侧原理图

3 设计方案对比分析和选择

根据上述的三种设计方案， 进行各自优缺点对比分析如下：

3.1 牵引/回馈双向变流方案

优点： 牵引回馈功能合二为一，无需另外单独加装回馈装置， 需要设备及占地均有很大节约，降低投资成本。 牵引时通过PWM 变流器整流，稳压效果好，接触网电压稳定，电压波动小[6]。缺点：牵引回馈功能合二为一，对装置可靠性要求高。

3.2 整流加单独回馈方案

优点：牵引回馈功能独立，无相互干扰，系统可靠性高。 缺点：设备及占地较多，投资成本大。

3.3 回馈至整流变压器二次侧方案

优点：利用原整流变，不再单独增加中压变压器及中压开关柜， 提高系统安全性且成本相对较低。 装置体积小，便于安装，放置。缺点：二极管整流器与回馈装置之间存在固有环流；回馈能量受限于牵引变容量，当回馈出线故障时，容易对整流系统造成影响[7]。针对本项目，整流系统同时对上行和下行牵引网络供电，如果回馈系统故障，可能会同时影响上行和下行双向通行。

根据以上论述， 考虑到实际应用于上行和下行两个双向， 且该系统架线车动力源， 可靠性和稳定性尤为重要。因此采用方案1 和方案2 结合的办法，即二极管整流加双向变流的方案。

4 能馈系统设计介绍

工作系统原理示意图如图5 所示， 等效电路模型如图6 所示，能馈系统主要由隔离开关柜、牵引/回馈双向变流器柜及整流变压器柜组成， 双向变流器位于直流接触网和AC10kV 之间，装置采用基于PWM 控制的双向变流器， 既可用来将车辆运行过程中多余制动能量转换后回馈到10kV 电网，也可以牵引整流器运行，向直流电网提供牵引供能[8]。

图5 工作系统原理图

图6 系统等效电路模型

车辆主要分为以下3 种工作状态。

4.1 牵引状态

车辆牵引运行时，由整流器通过接触网向车辆供电，能馈装置不投入工作。

变电所出口电压：Us=Uo-It×Rs

车辆变频器电压：

当列车牵引时会使直流网电压降低，待机状态下双向变流器检测到直流端口电压≤牵引电压阈值时，装置将立刻打开脉冲进行牵引控制，直流网电压也会维持稳定。

4.2 回馈状态

车辆电驱制动时，牵引电机运行在发电机状态，通过接触网将制动能量反馈到变电所， 由能馈装置吸收后回馈到10kV 电网，整流器不投入工作。

变电所出口电压：Us=1700V（使用能馈装置时）

车辆变频器电压：Ut=Us+Ib×（R1+R2）+Ib×Rt

当列车制动时会使直流网电压升高， 双向变流器检测到直流端口电压≥回馈电压阈值时， 装置将立刻打开脉冲进行回馈控制，将多余制动能量转换后回馈到10kV电网，保持直流网电压稳定[9-10]。

4.3 待机状态

双向变流器工作于回馈或牵引过程中实时检测直流电流，当列车制动或牵引过程中直流电流≤待机电流时，持续5s 后装置封锁脉冲转入待机状态（待机电流下的回馈能量小于变流器自身损耗，不需要进行回馈）

本能量回馈装置通过检测直流母线电压来控制回馈装置工作， 可将车辆运行过程中产生的多余能量由直流电逆变为交流电，回馈至10kV 交流电网。

按最大运行工况时考虑能量回馈容量： 额定回馈容量800kW；短时回馈容量1600kW；短时回馈时间30s，周期120s。 装置回馈电能时，回馈至10kV 交流电网的电能功率因数接近于1。

双向变流器的开关频率为1500Hz， 开关周期666.7μs，启动后处于待机状态，实时检测双向变流器直流端口电压， 当检测到双向变流器直流端口电压大于回馈阈值或小于牵引阈值时， 能够在1 个开关周期 （即666.7μs）内打开脉冲进行回馈或牵引运行，保持接触网网电压稳定[11]。

5 系统试验验证

煤矿变电A 所双向变流器在现场回馈功能测试中，通过调节车辆的输出速率来测试双向变流器的直流电压超调。 测试结果如图7 所示，由图分析可见：双向变流器回馈阈值为1700V， 车辆按照5MW/s 的速度出功率使直流电压快速升高，从0 到短时运行满功率（2MW）过程中，直流母线电压最大超调为1740V， 直流电压超调量为2.35%，小于一般要求的5%，通过控制很快恢复到1700V。

图7 煤矿现场直流母线电压动态超调测试结果

另外，系统经过现场试验运行，虽然采用了牵引/回馈双向变流器设计，且运用了比较先进的控制算法，可大大减小架线车辆上的变频器出现过压风险， 但受现场环境和弓网接触性能时而不良的影响， 偶尔会出现无法及时吸收车辆多余能量的情况， 此时接触网压会迅速上升超过车辆变频器的过压保护设定值， 因此架线车上还应该配置过压吸收电阻[12]，用于迅速吸收回馈过程中的瞬时过电压， 防止车辆变频器回馈时出现过压保护而造成停机。

6 结论

综合来看，此种能馈系统的设计方式，可收集无轨胶

轮运输车辆运行中产生的多余能量， 进而回馈到高压电

网用来供其他设备使用， 以便使直流牵引网电压维持在

稳定的范围， 达到满足车辆重载情况下的上坡牵引和下

坡回馈运行的需求， 对于解决无轨架线车辆在长距离的坡道上运行时制动系统容易发热失效的安全问题起着重要意义。