三軌地鐵車輛過無電區控制策略研究

何濤

摘? 要：介紹了第三軌供電地鐵車輛特點，結合系統主電路分析了車輛過無電區電源中斷及中間電壓變化情況，提出了幾種過無電區控制策略，詳細闡述其原理及優勢。

關鍵詞：三軌;無電區;控制策略;微制動;延時充電

引言

地鐵作為城市軌道交通中運量大、速度快、舒適度高、綠色環保的主流軌道交通方式之一，深受大眾的喜歡，越來越多的城市都在加速地鐵線路建設。

目前地鐵車輛主流供電方式有受電弓受流和第三軌受流。受城市供電線路和區域等因素的限制，地鐵的運營線路上大多會出現長短不一的無電區，尤其是在由第三軌供電的列車線路上更加常見。車輛在通過無電區時，受流器集電靴與第三軌之間會產生拉弧，頻繁經過無電區域，常會出現諸如系統停機、欠壓、過壓、過流等故障。大大降低了設備的可靠性和乘坐舒適性。因此，采取必要措施提升第三軌供電方式下車輛通過無電區的能力、解決地鐵車輛過無電區的問題成了當前的迫切需求。

1第三軌供電地鐵特點

1.1車輛特點

第三軌供電地鐵車輛為6輛編組配置，基本編組形式為+TC1-M1-T+M2-M3-TC2+，其中TC1、TC2車為帶司機室拖車，T車為不帶司機室的拖車，M1/2/3車動車，列車編組示意圖如圖1所示。列車每個動車配置4個受流器，拖車配置2個受流器，全列車共計配置16個受流器。

1.2無電區特點

第三軌作為車輛的供電軌，通常需要連續鋪設，避免分斷。受到道岔、折返線或者變電所供電設計影響，導電軌需要設置電分斷區，因此產生了導電軌無電區。一般情況下，地鐵運營線路上的無電區長度在幾米至幾十米之間，部分線路條件下存在多個連續無電區。

2過無電區工況分析

第三軌供電的地鐵列車通過無電區時主要經歷三個階段，即投入工作、進入無電區和退出無電區。為保護主電路關鍵器件的安全，主電路前端設置有直流預充電回路，其簡化主電路如圖2所示。正常情況下，主電路經受流器將電能引到中間直流電路，給支撐電容C充電，為限制過大的充電電流，短接接觸器KM1斷開，預充電接觸器KM2閉合，電流依次通過充電電阻R、預充電接觸器KM2、濾波電抗器L，完成支撐電容C充電過程，充電完成之后閉合KM1接觸器，斷開KM2接觸器，斷開充電回路，直接向牽引逆變器供電。

當列車進入無電區時，受流器與供電軌斷開，牽引逆變器由支撐電容C供電，中間直流電壓Uc隨著牽引逆變器的消耗而迅速下降，此時短接接觸器處于閉合狀態。當Uc高于系統欠壓保護門檻值Uth時遇到有電區，過無電區持續時間小于系統保護時間，系統將繼續正常取電工作，若支撐電容端電壓比電網電壓小很多，電流直接涌入電容，充電保護電路相當于失效，Uc急劇上升，電抗器瞬間感應較大正向電壓，極易發生直流電流過流及直流電壓過壓等故障;當Uc高于牽引系統欠壓保護門檻值Uth時仍為無電區，牽引系統將上報欠壓故障，斷開短接接觸器，當再次遇到有電區時，系統將重新充電，逐步恢復牽引能力。

綜上，車輛過無電區主要關鍵在于如何維持中間電壓在可控范圍內，并盡量降低反復預充電過程。

3過無電區控制策略分析

3.1直流母線策略

該策略采用一根直流母線貫穿整列車，使得首尾兩個受流器距離大于無電區的長度，當車輛在通過無電區時便可以一直從電網取電。該方式雖簡單，但并不易實現和操作，主要有以下幾點原因：①為實現母線貫通，將新增許多高速斷路器，控制及保護復雜;②當車輛編組較少或者無電區過長，該方案將失效，靈活性較差;③過無電區時，直流母線極有可能把相鄰2個電網區間連接起來，若兩邊的電壓不平衡，則有很高的潛在風險。

3.2微制動策略

微制動[1]策略主要是通過電制動將車輛部分動能轉化成電能來維持中間直流電壓。其技術原理為：將牽引電機的電制動力作為控制目標，以中間直流電壓為反饋，結合電機控制手段和再生反饋電路，進行實時閉環控制，從而達到穩定中間直流電壓目的。當中間電壓變化率大于設計變化率門檻值、中間電壓大于最小電壓保護門檻值時，判定進入無電區，此時系統自動進入微制動模式;當中間電壓上升到大于微制動退出電壓門檻值時，系統自動退出微制動模式。

該方式能夠維持住中間電壓，無需額外增加硬件設備和維護成本，同時能夠在無電區維持輔助系統部分設備供電，但存在一些問題，如微制動需要列車一定的初始速度，通常為不低于15km/h[2]，當車輛從車輛段出來時，初速度很小，當遇到連續無電區時，微制動可能造成車輛停車;頻繁微制動將損失車輛速度，影響列車運營旅行速度。

3.3延遲充電策略

當車輛以較低速度從有電區轉向無電區時，在微制動模式無法發揮的情況下，中間電壓將不斷下降，達到欠壓門檻值后上報欠壓故障并斷開短路接觸器。車輛通過剩余速度繼續向前運動，遇到有電區時將進行充電。在充電時間內電容充電電壓達不到額定運行電壓的85%時，將上報充電超時故障，斷開充電接觸器。遇到過軌、折返或者特殊路段時，無電區和有電區往往會頻繁切換，往往會多次啟動預充電單元并報出充電超時，嚴重時將直接鎖死牽引逆變器。為避免充電接觸器頻繁動作，車輛檢測到從無電區恢復到有電區時，增加延時功能，判斷車輛是否持續處于有電區，滿足條件后再閉合充電接觸器。該方式可以有效增加系統可用性。

4結語

針對第三軌供電地鐵車輛過無電區的易發生的問題，詳細分析了車輛過無電區工況狀態，提出了三種過無電區控制策略并分析了各自特點及優劣勢，三種策略結合使用將能較好處理過無電區問題。

參考文獻：

[1] 徐紹龍，倪大成，劉良杰，等.地鐵列車無電區微制動技術的研究與應用[J].機車電傳動.2013（1）：30;

[2] 陳超錄，陳建校.城市軌道交通DC750V第三軌供電列車電氣牽引系統過無電區分析[J].科技資訊.2011（22）：143