牽引主電路中取消壓敏電阻及續(xù)流回路的可行性分析

陳 雷　伍 星

（長沙市軌道交通運營有限公司，410014，長沙∥第一作者，工程師）

牽引主電路中取消壓敏電阻及續(xù)流回路的可行性分析

陳 雷伍 星

（長沙市軌道交通運營有限公司，410014，長沙∥第一作者，工程師）

摘 要長沙市軌道交通2號線列車在設計初期為考慮牽引傳動控制的可靠性風險，在牽引系統(tǒng)主電路中設置了壓敏電阻和續(xù)流回路，但在實際運用中發(fā)現(xiàn)，其效果并不明顯。現(xiàn)通過試驗，并對比國外主要牽引系統(tǒng)供應商的設計，對牽引系統(tǒng)主電路中設置壓敏電阻及續(xù)流回路的必要性進行了驗證。

關鍵詞城市軌道交通車輛；牽引主電路；壓敏電阻；續(xù)流回路

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

長沙市軌道交通2號線采用中車株洲電力機車有限公司及株洲南車時代電氣股份有限公司所設計的B型車。在設計初期，考慮到系統(tǒng)的可靠性，在牽引主電路中設置了壓敏電阻及續(xù)流回路。但運用中發(fā)現(xiàn)，其效果并不明顯，且存在一定的故障風險。本文通過試驗和對比其他供應商的設計，對取消壓敏電阻和續(xù)流回路的可行性進行了分析論證。

1　長沙市軌道交通2號線牽引系統(tǒng)主電路

1.1牽引系統(tǒng)主電路的組成

長沙市軌道交通2號線牽引系統(tǒng)主電路由高壓電器（MQS、HB）、電容器充放電單元（KM1、KM2、MQS1、R1）、濾波單元（L、C）、斬波及過電壓抑制單元（斬波IGBT（絕緣柵雙極晶體管）模塊、1R01∕1R02）、逆變器單元（INVMK1、INVMK2）、交流牽引電機（1M01—1M04）及檢測單元（LH2、LH13、LH14∕LH23、LH24、LH16∕LH26、VH2、VH1）等組成。牽引系統(tǒng)主電路原理如圖1所示。

1.2牽引系統(tǒng)的功能及控制

在牽引過程中，牽引系統(tǒng)充分利用輪軌粘著條件，按列車載重量從空車到超員載荷范圍內自動調整牽引力的大小，并保證一定的牽引力冗余量，使列車在空車至超員載荷范圍內保持起動加速度基本不變，并具有反應迅速、有效可靠的粘著利用控制和空轉保護。在制動過程中，列車充分利用輪軌粘著條件，按列車載重量從空車到超員載荷范圍內自動調整電制動力的大小及補充空氣制動，使列車在空車至超員范圍內保持制動減速度基本不變，并具有反應迅速、有效可靠的粘著利用控制和滑行保護。

2　壓敏電阻及續(xù)流回路的技術參數(shù)和作用

2.1壓敏電阻的技術參數(shù)及作用

長沙市軌道交通2號線列車牽引系統(tǒng)主電路選用的壓敏電阻型號為MYG-L-2 600 V-25 kJ。株洲南車時代電氣股份有限公司在DC 1 500 V城市軌道交通項目采用的壓敏電阻均為該型號。其技術參數(shù)如下：

（1）型號：MYG-L-2 600 V-25 kJ；

（2）直流參考電流：（1±0.2）mA；

圖1　長沙市軌道交通2號線牽引系統(tǒng)主電路圖

（3）標稱動作電壓（直流參考電壓、壓敏電壓）：2 600 V；

（4）動作電壓允許偏差：±10﹪；

（5）漏電流：≤40μA（在0.75倍標稱動作電壓下）。

長沙市軌道交通2號線列車設置壓敏電阻的初衷，是用來吸收主回路中故障保護過程中的過電壓。如圖1所示，當列車再生電制動產生大電流時，若傳動控制失效引起高速斷路器大電流分斷（此時逆變未封鎖，而正常情況下是先封鎖逆變后跳高速斷路器），在電抗器L（額定參數(shù)為5 m H∕450 A）前端可能會產生一個大的浪涌尖峰電壓（左正右負），此時可通過壓敏電阻對此尖峰電壓能量進行吸收。

2.2續(xù)流回路（V1／R2）的技術參數(shù)及作用

續(xù)流二極管V1的技術參數(shù)如下：

（1）型號：09 c 557-33；

（2）正向壓降：1.34 V；

（3）反向重復峰值電壓：6 500 V；

（4）漏電流：13 m A。

續(xù)流電阻R2的技術參數(shù)如下：

（1）型號：RZN-1∕DC 2 000 V∕0.229Ω；

（2）額定工作電壓：2 000 V；

（3）額定電阻：0.229Ω；

（4）瞬時功率：4 k W；

（5）平均功率：0.3 k W；

（6）瞬時能量：11.5 kJ；

（7）最高允許工作溫度：600℃。

續(xù)流二極管及續(xù)流電阻的作用為：當列車在大電流牽引工況時，若傳動控制失效且高速斷路器大電流分斷（此時逆變未封鎖，而正常情況下是先封鎖逆變后跳高斷），電抗器感應的能量（左負右正）可通過續(xù)流回路進行續(xù)流釋放，有利于中間直流環(huán)節(jié)的穩(wěn)定工作。

3　取消壓敏電阻及續(xù)流回路的必要性分析

GB∕T 16927.1—2011《高電壓試驗技術第1部分：一般定義及試驗要求》規(guī)定：直接與電網相連（如避雷器）的過壓等級為OV 4等級，最高需承受18 k V過電壓；前端有隔離緩沖的為OV 3等級，最高需承受12 k V過電壓。根據(jù)該標準，壓敏電阻FS和續(xù)流回路V1∕R2設置在目前主電路的位置是不安全的（需要承受最高至12 k V的外部過電壓）。

取消壓敏電阻后，當大級位再生電制動時，若傳動控制失效導致高速斷路器大電流分斷時，由于高速斷路器大電流分斷時的拉弧，濾波電抗器感應的能量（左正右負）可通過高速斷路器弧、受電弓到弓網，通過地面的整流設備進行回流。

2.7 果實采收 根據(jù)市場要求及果實成熟度適時采收，為保證果實品質可以適當晚采。采收后嚴格分級，統(tǒng)一果個、顏色、果形，及時入庫貯藏。

現(xiàn)對續(xù)流回路進行分析。如圖1所示，在正常工況時，二極管V1始終承受反壓（上正下負），二極管不會導通。當列車在大電流牽引工況時，若傳動控制失效導致高速斷路器斷開（此時逆變未封鎖，而正常情況下是先封鎖逆變后跳高斷）時，電抗器兩端感應出一個左負右正的反電勢E，E=-L d i∕d t（L為電感線圈的電感量，i為電流，t為時間）。若將L、V1∕R2和R4看成一個回路，V1∕R2視為一個組件，組件兩端電壓用UR表示，根據(jù)基爾霍夫第二定律，回路導通時，該回路電壓為0（將R4兩端電壓電容端看成1 500 V），即UR-L d i∕d t＋1 500 V=0。L為5 mH，UR=0，則可得出，d i∕d t=3×108A∕s才會使續(xù)流回路導通。即電流變化率大于300 A∕ms時續(xù)流回路才會導通。此類工況極少發(fā)生，即續(xù)流回路中在極少工況下會有電流通過。

根據(jù)以上分析，壓敏電阻及續(xù)流回路的功能完全可通過其他通路完成，取消該設備對整個電路的功能無影響，能滿足電路的使用要求。

4　取消壓敏電阻及續(xù)流回路后的驗證

4.1試驗驗證

為驗證在外部沖擊能量輸入時，有、無壓敏電阻及續(xù)流回路兩種情況對牽引系統(tǒng)的影響，根據(jù)GB∕T 16927.1—2011《高電壓試驗技術》第1部分（一般定義及試驗要求）的規(guī)定，按不同電壓等級（最高至12 k V）對牽引系統(tǒng)進行沖擊電壓試驗。在圖2的①位置處施加1.2∕50μs標準雷擊沖擊電壓波，同時，模擬傳動控制失效，在有、無壓敏電阻及續(xù)流回路兩種情況下，進行先跳高斷后封脈沖的試驗，測量相關的電流∕電壓動態(tài)波形。

圖2　試驗用牽引系統(tǒng)主電路簡化圖

4.1.1沖擊電壓試驗

在沖擊電壓分別為3 000 V、5 000 V、12 k V時，裝壓敏電阻和不裝壓敏電阻兩種情況下，通道1 ～4的輸出如圖3～圖5所示。其中，通道1（40 A∕格）為電流通道，測量壓敏電阻的電流；通道2（50 A∕格）為電流通道，測量避雷器的電流；通道3（100 V∕格）為電壓通道，測量電抗器輸出端電壓；通道4 （1 000 V∕格）為電壓通道，測量電抗器輸入端沖擊電壓。

從圖3中可以看出，沖擊電壓為3 000 V時，壓敏電阻先開始動作（動作電壓為2 600 V），避雷器未動作（動作電壓為4 800 V）。

從圖4可以看出，沖擊電壓為5 000 V時，避雷器開始動作（動作電壓為4 800 V），但壓敏電阻中流過的電流比避雷器中流過的電流大很多。

從圖5可以看出，在12 k V雷擊沖擊電壓時，取消壓敏電阻與安裝壓敏電阻的沖擊電壓殘壓（在沖擊電流下流過避雷器的壓降）峰值差在300 V左右，說明如果只是針對外部雷擊過電壓的保護，避雷器足夠，無須使用壓敏電阻。

4.1.2先跳高斷后封脈沖對比試驗

（1）牽引工況下，安裝、取消壓敏電阻及續(xù)流回路時先跳高斷后封脈沖對比試驗如圖6所示。

（2）制動工況下，安裝、取消壓敏電阻及續(xù)流回路時先跳高斷后封脈沖對比試驗如圖7所示。

4.1.3試驗結論

通過以上試驗數(shù)據(jù)分析可知：

圖3　沖擊電壓為3 000 V時通道1～4的輸出

圖4　沖擊電壓為5 000 V時通道1～4的輸出

圖5　沖擊電壓為12 k V時通道1～4的輸出

（1）在DC 6 000 V以下的沖擊電壓試驗中，取消壓敏電阻后沖擊能量由避雷器及線路濾波器吸收，在取消壓敏電阻及安裝壓敏電阻兩種情況下輸入電壓的吸收時間基本相同，說明線路濾波器對雷擊電壓具有較好的抑制作用。

（2）在12 k V雷擊沖擊電壓時，取消壓敏電阻與安裝壓敏電阻的沖擊電壓殘壓峰值差在300 V左右，說明如果只是針對外部雷擊過電壓的保護，避雷器足夠，無須使用壓敏電阻。

（3）在模擬傳動控制失效（即先跳高斷后封脈沖的工況）時，無論是牽引還是制動，壓敏電阻及續(xù)流回路都沒有電流流過。

4.2裝車試驗

在長沙市軌道交通2號線運用列車中選取1列車，拆除牽引系統(tǒng)主電路壓敏電阻及續(xù)流回路，并跟蹤運行狀態(tài)。

2號線于2014年11月15日組織拆除15 B車、15 C車的牽引系統(tǒng)主電路壓敏電阻及續(xù)流回路，跟蹤3個月以來，運行狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)15 B、15 C車牽引系統(tǒng)異常，且未對其它設備造成影響。

圖6　牽引工況下，先跳高斷后封脈沖對比試驗

圖7　制動工況下，先跳高斷后封脈沖對比試驗

5　結語

通過對取消列車牽引系統(tǒng)主電路壓敏電阻及續(xù)流回路的可行性分析、取消后的試驗數(shù)據(jù)論證及跟蹤列車拆除試驗表明，牽引系統(tǒng)主電路取消壓敏電阻及續(xù)流回路是可行的。此外，對目前國際上西門子、龐巴迪等主要牽引系統(tǒng)供應商的主電路（DC 1 500 V）分析后可知，其主電路中均未設置壓敏電阻和續(xù)流回路，且并未對牽引系統(tǒng)設備及其它相關接口設備造成影響。這進一步驗證了牽引系統(tǒng)主電路取消壓敏電阻和續(xù)流回路的必要性。為防止壓敏電阻及續(xù)流回路自身失效而引發(fā)嚴重故障，從降低故障率及故障導向安全考慮，長沙市軌道交通2號線牽引主電路中可取消壓敏電阻及續(xù)流回路。

參考文獻

［1］ 宋文勝，馮曉云.電力牽引交流傳動與調制技術［M］.北京：科學出版社，2014.

［2］ 劉耀元.電工與電子技術［M］.北京：北京工業(yè)大學出版社，2006.

［3］ 張仁豫.高壓電實驗技術［M］.北京：清華大學出版社，2003.

［4］ 劉雨棣.電力電子技術［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2014.

［5］ 張海根.機電傳動控制［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

中圖分類號U 224.4

DOI：10.16037∕j.1007-869x.2016.01.019

收稿日期：（2015-01-13）