基于地铁车辆牵引系统高压保护设计分析

2021-12-22 21:11:59王绍新
科学与生活 2021年8期
关键词:电弓电抗器断路器

王绍新

摘要:本文主要针对地铁车辆牵引系统高压保护设计进行分析,首先分析地铁牵引系统高压保护研究现状而后介绍牵引系统高压保护方案研究及特性仿真计算,最后提出地铁车辆高压牵引系统高压保护的回路的配置设计,希望能够为相关人士提供帮助。

一、地铁牵引系统高压保护研究现状分析

地铁车辆牵引系统对于欧洲本土、日本、韩国等车辆或牵引系统供货商来说已经非常成熟,而且基于成熟平台的产品已经广泛应用于世界各地的相关项目。在市场应用上因其供电制式、控制方式、功率等级及设备散热形式各有不同,牵引系统产品形式也存在多样化。地铁车辆领域其国外代表公司主要有东芝公司、三菱、尔准、阿小斯趣、庇巴迪及西门子等几家重要牵引系统供货商;在 DC750V与 DC1500V供电制及不同功力率等级需求下,东芝、三菱、东洋等日本牵引系统供货商系统设备主要采用分散式结构、散热方式主要采用自然冷却,其控制方式分为架控与车控;阿尔斯通、庞巴迪与西门子等欧美牵引系统供货商系统设备主要采用集成式结构、散热方式主要为强迫风冷,其控制方式同样为架控与车控[1]。

二、牵引系统高压保护方案研究及特性仿真计算

列车高压电路见图1,列车高压电路原理图,高压保护电路主要分布在牵引逆变器前端,采用模式开关转换、输入熔断器、高速断路器及防反二极管等,牵引逆变器供电回路串联滤波电抗器用于谐波含量控制。

线路滤波电抗器与直流回路支撑电容器组成滤波单元。输入电抗器的参数选择主要考虑谐振频率与冲击电流。线路滤波电抗器设计采充分考虑电流变化而导致电抗器饱和问题。

高速断路器的保护动作由机械触发装置触发或者控制单元控制触发。当牵引控制单元检测到牵引逆变器故障,并需要断开高速断路器,此时牵引控制单元发出断开高速断路器的指令;当牵引逆变器输入端发生过流并达到高速断路器过流保护的阀值时,高速断路器机械触发装置触发,自动断开保护[2]。

熔断器用于保护牵引逆变器在持续电流过大情况下的保护,比如后端接地、持续大电流负载工作等,相当于牵引系统异常工作时线路的保险丝。其熔断器的选择需与高速断路器进行配合,同时根据线网供电条件,进行预期短路电流计算,才可选择出更为适合系统的参数。

牵引系统高压保护设备包括转换开关、隔离开关、高速断路器、滤波电抗器、熔断器等设备。

三、高压回路配置设计

(一)母线设计

根据列车牵引母线和辅助母线要求,牵引母线在两个动力单元之间牵引供电母线完全隔离,动力单元采用一个受电弓单独供电,全车辅助供电母线贯通;

整车辅助高压回路通过列车辅助母线连为一体,当一个受电弓处于供电区段切换时,该单元辅助逆变器通过辅助高压母线从另一个受电弓供电。

辅助母线设计一个防反的二极管,防止车辆过无电区时或者一端采用库内供电情况下,一端的供电电源通过共用的母线,电流通过此母线流到另一个受电弓或者供电电源,形成环流,破坏供电系统。

(二)受电弓隔离装置说明

高压隔离开关通过辅助触点提供以下3个状态反馈给列车线电路(见图2):

高压隔离开关在运行位(LO_IESP) ;

高压隔离开关在车间电源位(LO_IESW) ;

高压隔离开关二级互锁手柄在锁闭位(LO_SHR) ;4

“整车高压隔离开关均在受电弓位”列车线信号串联到受电弓控制指令线上,只有该信号为高电平,整车才允许升弓,否則受电弓不会升起;

“整车3个高压隔离开关的在车间电源位”信号串联在一起,给出“隔离开关在车间电源位”列车线信号(L_AIESW) ;

只有“隔离开关在车间电源位”时,车间电源才允许输出闭合;

四、地铁车辆高压保护参数选型计算

(一)滤波电容与电感

电容器地铁车辆的储能装置,能够储存能量,进行能量转化和吸收,可以起到滤波作用。在高压电路中,可以起到缓冲能量的作用,同时对直流电路的电压波动,谐波含量等均由消除稳定作用。

已知两极板的间距为d,正对面积为s,通过如下公式计算电容器容量:

上述公式中:表示:介电常数;k表示:静电力常量。

滤波电抗器的额定电流一般选择仿真计算的均值电流。滤波电抗器的需要与滤波电容气的参数选择进行匹配,同时根据牵引逆变器的设计容量进行选择。

(二)滤波参数设计

地铁车辆滤波电感和支撑电容谐振频率一般在30HZ 以下,主要是为了抑制工作点在谐振频率附近时差频的低频分量对力矩的影响以及逆变器在直流母线上的开关谐波所激发的LC振荡,一旦电路发生共振,此时可能出现过电流或是过电压现象,所以在己知电容量范围的情况下,计算电感时还应考虑电感以及电容的谐振频率对城市轨道信号的影响。

结束语:综上,在本次研究中,从实际入手,分析地铁车辆牵引系统高压保护设计,提出仿真实验理论,并进行一系列大量的验算,希望能够为地铁车辆牵引系统的高压保护设计提供更加充足的理论支持。

参考文献:

[1]于昳琳.地铁列车永磁牵引系统改造分析[J].交通世界,2021(12):10-12.

[2]曹斌.地铁车辆辅助和牵引系统重要部件典型故障研究[J].铁道运营技术,2021,27(02):32-34.

无锡地铁集团有限公司运营分公司

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