第三軌受流地鐵車輛牽引系統(tǒng)若干問(wèn)題探討

張佳波 葛航奇 馬升潘 高 瀚 張新宇 邸 峰

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司，266111，青島；2.青島地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，266031，青島；3.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，266111，青島∥第一作者，工程師)

采用第三軌供電的地鐵線路，第三軌沿軌道兩側(cè)近地面架設(shè)，出于安全考慮，在折返線、車輛段內(nèi)難免有無(wú)電區(qū)存在[1]。車輛在牽引工況下通過(guò)無(wú)電區(qū)時(shí)，牽引系統(tǒng)會(huì)短時(shí)失電，F(xiàn)C(支撐電容)電壓跌落。當(dāng)車輛所有集電靴失電時(shí)間較短時(shí)，可能存在FC電壓未跌落至欠壓保護(hù)值以下、主接觸器未斷開的情況。此時(shí)若車輛剛好再進(jìn)入有電區(qū)，由于第三軌網(wǎng)壓與FC電壓存在較大壓差，網(wǎng)壓通過(guò)電抗器直接對(duì)支撐電容進(jìn)行充電。當(dāng)壓差較大時(shí)，輕則引起牽引系統(tǒng)過(guò)壓、過(guò)流故障，重則引起變電所跳閘、線路癱瘓，且長(zhǎng)時(shí)間直沖對(duì)支撐電容壽命也會(huì)造成一定影響。

如果檢修線設(shè)有第三軌，當(dāng)車輛檢修人員進(jìn)行車下作業(yè)時(shí)，第三軌會(huì)給檢修人員帶來(lái)一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此檢修線內(nèi)通常不架設(shè)第三軌[2-3]。若不采用其他受流方式，就只能依靠機(jī)車提供動(dòng)力進(jìn)行挪動(dòng)，移車效率極低。

在洗車庫(kù)內(nèi)的第三軌受流線路上可能存在第三軌分?jǐn)鄥^(qū)。洗車過(guò)程中車速較低，BLB(母線接觸器)未閉合，會(huì)存在部分牽引逆變器失電又得電的情況，導(dǎo)致整車牽引力隨之波動(dòng)，使得洗車模式下的恒速控制精度不足。

本文針對(duì)上述第三軌受流中存在的問(wèn)題進(jìn)行了深入探討。在青島地鐵11號(hào)線上進(jìn)行的試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證了本文所選方法的可行性。

1 第三軌供電線路的無(wú)電區(qū)控制方式

1.1 無(wú)電區(qū)檢測(cè)

因?yàn)闆](méi)有提示信號(hào)，無(wú)電區(qū)檢測(cè)只能通過(guò)網(wǎng)壓信息來(lái)識(shí)別。但網(wǎng)壓在1 000～1 900 V之間均認(rèn)為在正常供電范圍，因此不能簡(jiǎn)單通過(guò)網(wǎng)壓低于某固定閾值的方法來(lái)檢測(cè)無(wú)電區(qū)。然而進(jìn)入無(wú)電區(qū)時(shí)，由于負(fù)載消耗FC電容能量，網(wǎng)壓會(huì)存在一定的快速跌落。因此，可以通過(guò)網(wǎng)壓下降斜率來(lái)識(shí)別無(wú)電區(qū)，無(wú)電區(qū)檢測(cè)原理圖如圖1所示。

圖1 第三軌供電線路無(wú)電區(qū)檢測(cè)原理圖

網(wǎng)壓信號(hào)包含較大諧波，直接進(jìn)行斜率計(jì)算會(huì)引起誤判斷，因此采集到的網(wǎng)壓需進(jìn)行濾波處理。對(duì)網(wǎng)壓濾波值求導(dǎo)即為網(wǎng)壓下降斜率k。為避免誤判斷，當(dāng)k小于網(wǎng)壓下降斜率閾值kth時(shí)，對(duì)無(wú)電區(qū)判斷計(jì)數(shù)值n進(jìn)行連續(xù)累積計(jì)數(shù)，當(dāng)累積計(jì)數(shù)值大于無(wú)電區(qū)判斷設(shè)定計(jì)數(shù)值nth時(shí)，認(rèn)為檢測(cè)到無(wú)電區(qū)。其中無(wú)電區(qū)判斷計(jì)數(shù)值閾值隨斜率改變，斜率絕對(duì)值大則閾值小，斜率絕對(duì)值小則閾值大，以確保在FC電壓跌落到系統(tǒng)耐受臨界值以上時(shí)正確識(shí)別無(wú)電區(qū)。

1.2 無(wú)電區(qū)控制及保護(hù)

無(wú)電區(qū)控制的主要目的在于防止車輛再次進(jìn)入有電區(qū)時(shí)，因壓差太大而引起故障。目前無(wú)電區(qū)控制方法有兩種：一是識(shí)別到無(wú)電區(qū)后快速封鎖變流器，在無(wú)負(fù)載消耗能量下，可將FC電壓維持在系統(tǒng)可接受值以上；二是識(shí)別到無(wú)電區(qū)后迅速轉(zhuǎn)換為微電制動(dòng)模式，牽引電機(jī)制動(dòng)能量與輔助負(fù)載消耗能量平衡，可將FC電壓控制在目標(biāo)值附近，此種控制方式與動(dòng)車組過(guò)分相控制相類似。兩種無(wú)電區(qū)控制方式電壓波形示意圖如圖2所示。

圖2 第三軌供電線路無(wú)電區(qū)控制電壓波形示意圖

無(wú)電區(qū)分為失電時(shí)間較長(zhǎng)無(wú)電區(qū)(以下簡(jiǎn)稱“長(zhǎng)無(wú)電區(qū)”)和失電時(shí)間較短無(wú)電區(qū)(以下簡(jiǎn)稱“短無(wú)電區(qū)”)。對(duì)于長(zhǎng)無(wú)電區(qū)，可斷開接觸器。當(dāng)再次檢測(cè)到有電區(qū)時(shí)，再依次閉合接觸器進(jìn)行預(yù)充電；亦可進(jìn)行微電制動(dòng)，進(jìn)入有電區(qū)后再退出微電制動(dòng)模式。在無(wú)電區(qū)較多時(shí)，反復(fù)進(jìn)行預(yù)充電，需對(duì)預(yù)充電電阻溫度進(jìn)行溫度估算保護(hù)，防止溫度過(guò)高而燒毀。微電制動(dòng)方式雖可避免反復(fù)預(yù)充電，但該方式對(duì)車輛速度有要求，速度太低時(shí)制動(dòng)功率小不足以維持電壓，且車輛滑行距離縮短，一旦停到無(wú)電區(qū)中，車輛將無(wú)法移動(dòng)。

對(duì)于短無(wú)電區(qū)，則來(lái)不及斷開接觸器，當(dāng)檢測(cè)到無(wú)電區(qū)后，快速封鎖變流器，可將電壓基本維持在封鎖變流器時(shí)刻的電壓，當(dāng)再次進(jìn)入有電區(qū)時(shí)，因壓差在可接受范圍之內(nèi)，造成的沖擊則較小。此種方式牽引力階躍到0，車輛有一定沖動(dòng)感。在車輛速度較高時(shí)，可采用微電制動(dòng)方式，輔助設(shè)備不停機(jī)，空調(diào)及照明運(yùn)行正常。但該方式在大牽引模式下，牽引力下降過(guò)程中，電壓會(huì)被拉到檢測(cè)到無(wú)電區(qū)時(shí)刻的電壓以下。若無(wú)電區(qū)足夠短，在轉(zhuǎn)換到微電制動(dòng)前再進(jìn)入有電區(qū)，電流沖擊則會(huì)增大。需注意的是，應(yīng)將微電制動(dòng)的網(wǎng)壓控制值與線路正常網(wǎng)壓值區(qū)分開，以避免無(wú)法識(shí)別車輛再次進(jìn)入有電區(qū)。

2 檢修線受流方式

2.1 第三軌加架空接觸網(wǎng)供電方式

第三軌加架空接觸網(wǎng)供電方式是指在正線采用第三軌受流，在正線到車輛段入口處轉(zhuǎn)換為架空接觸網(wǎng)受流，在車輛段內(nèi)停車線、檢修線等均采用架空接觸網(wǎng)受流。此種方式可避免車輛段內(nèi)存在無(wú)電區(qū)，在段內(nèi)可隨意移車。但由于一條線路上存在兩種供電方式，會(huì)給線路日常檢修帶來(lái)不便；而且車輛主電路較復(fù)雜，司機(jī)還需在進(jìn)出段位置處進(jìn)行受流方式切換，影響進(jìn)出段效率。第三軌加架空接觸網(wǎng)受流方式車輛電氣原理圖如圖3所示。

圖3 第三軌加架空接觸網(wǎng)受流方式車輛電氣原理圖

在車輛由正線回段入庫(kù)時(shí)，斷開接觸器KM2，落下集電靴，然后升起受電弓，閉合接觸器KM1，完成第三軌到架空接觸網(wǎng)受流方式切換。車輛出庫(kù)時(shí)則降下受電弓，斷開接觸器KM1，收起集電靴，閉合接觸器KM2，完成架空接觸網(wǎng)到第三軌受流方式切換。為避免這兩種受流方式同時(shí)供電，應(yīng)在兩者之間設(shè)置互鎖功能。

2.2 滑觸線方式

除檢修線外，在車輛段其他線路上通常不進(jìn)行車下作業(yè)。因此，也可在檢修線上采用滑觸線，其他線如出入車輛段線及停車線仍然采用第三軌供電。滑觸線由靜止的滑線導(dǎo)軌、移動(dòng)的集電器、供電線纜及插頭組成。集電器可在滑線軌道上來(lái)回滑動(dòng)，通過(guò)高壓電纜與車輛相連，為移動(dòng)的車輛供電[3-4]。供電模式轉(zhuǎn)換時(shí)，需工作人員下車開箱操作，檢修效率不高，操作非常繁瑣。

如果采用滑觸線供電方式，車輛牽引出入庫(kù)可分為以下幾步：車輛進(jìn)入轉(zhuǎn)換區(qū)；人工插拔插頭及操作轉(zhuǎn)換供電模式；車輛由第三軌供電牽引出庫(kù)或由滑觸線供電牽引入庫(kù)。因此，需在牽引系統(tǒng)中配置專用裝置進(jìn)行安全可靠的供電切換。車輛供電模式切換原理圖如圖4所示。

圖4 滑觸線車輛供電模式切換原理圖

車輛首尾兩端的拖車設(shè)置有模式轉(zhuǎn)換開關(guān)箱，當(dāng)車輛需第三軌受流時(shí)，供電模式切換刀閘MS的1位閉合，2位和3位斷開。當(dāng)車輛需要滑觸線受流時(shí)，則要將集電器插頭接入車輛車間電源插座VPD1和VPD2，同時(shí)刀閘MS的2位和3位閉合，1位斷開，將直流電源引入到靠近該拖車的牽引逆變器中，此時(shí)車輛只有1個(gè)動(dòng)車提供牽引力。

2.3 蓄電池自牽引方式

在外部無(wú)法正常供電或車輛通過(guò)無(wú)電區(qū)時(shí)，蓄電池自牽引采用車載DC 110 V蓄電池給牽引逆變器供電，實(shí)現(xiàn)車輛自行牽引移車。采用蓄電池自牽引可以杜絕列車進(jìn)出庫(kù)的安全隱患，減輕司機(jī)和地面人員操作復(fù)雜、檢修效率低的弊端。當(dāng)蓄電池容量足夠大還可實(shí)現(xiàn)正線自救，使車輛安全行駛至附近站點(diǎn)疏散乘客，避免造成人身傷害和經(jīng)濟(jì)損失。

當(dāng)滿足進(jìn)入蓄電池自牽引模式時(shí)，司機(jī)只需在車上按下蓄電池牽引按鈕，即可進(jìn)行自牽引移車，操作簡(jiǎn)單、安全可靠。但是，如果采用該方式，車輛需集成蓄電池自牽引所需相關(guān)器件，并對(duì)蓄電池的放電倍率、充放電次數(shù)等有更高的要求，同時(shí)需開發(fā)針對(duì)蓄電池牽引的專用控制算法。其中，蓄電池自牽引所需器件包含接觸器KMB及二極管D。接觸器用于連接蓄電池電源和牽引逆變器，二極管則是為防止?fàn)恳孀兤鱾?cè)可能出現(xiàn)的高壓影響蓄電池組。蓄電池自牽引高壓原理如圖5所示。

圖5 蓄電池牽引高壓原理圖

進(jìn)入蓄電池自牽引必須具備以下條件：當(dāng)前車速為0；支撐電容電壓已降到蓄電池電壓以下；高速斷路器已斷開，避免第三軌上高壓接入牽引逆變器。若滿足上述條件，按下蓄電池牽引按鈕即可進(jìn)入蓄電池自牽引模式。牽引控制器降低欠壓保護(hù)值，同時(shí)依次閉合蓄電池自牽引接觸器、預(yù)充電接觸器及主接觸器完成預(yù)充電。推動(dòng)手柄，牽引逆變器按照修改后的電機(jī)磁鏈及蓄電池牽引特性輸出牽引力。為了簡(jiǎn)化主電路及提高系統(tǒng)效率，在蓄電池自牽引模式下只有部分牽引逆變器工作。由于輸出牽引力較正常模式小，因此在該模式下需同時(shí)修改保持制動(dòng)緩解閾值，保證車輛可正常起動(dòng)。蓄電池自牽引控制流程圖如圖6所示。

圖6 蓄電池牽引控制流程圖

3 洗車模式控制方式

當(dāng)車輛運(yùn)行速度大于5 km/h時(shí)閉合BLB(母線接觸器)，以防止不同供電區(qū)段通過(guò)車輛橋接引起供電跳閘保護(hù)[5]。洗車模式下車輛的限定速度約為3 km/h,未達(dá)到閉合BLB條件。車輛段內(nèi)屬于同一個(gè)供電所供電，網(wǎng)壓基本一致，即使不同第三軌區(qū)段通過(guò)車輛橋接時(shí)也不會(huì)有太大電流沖擊。因此，在洗車模式下可閉合BLB，即使只有1臺(tái)集電靴受流，所有逆變器也可得電工作。洗車模式下電機(jī)輸出功率較小，長(zhǎng)時(shí)間只有一只集電靴搭接，也不會(huì)燒壞熔斷器。

洗車模式下，應(yīng)輸出連續(xù)平滑的牽引力，牽引特性可按照?qǐng)D7所示給定。車輛運(yùn)行速度在1.5 km/h以下時(shí)，輸出恒定牽引力；車輛運(yùn)行速度在1.5～3.5 km/h時(shí)，不響應(yīng)牽引級(jí)位，線性降低牽引力。車輛運(yùn)行速度在3 km/h左右時(shí)，行車阻力與車輛牽引力平衡，車輛可以3 km/h左右速度勻速前行。由此可見，洗車模式控制方式簡(jiǎn)單可靠，整車牽引力平滑。

圖7 洗車模式下的牽引特性圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在青島地鐵11號(hào)線上對(duì)本文提出的方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。該線路僅在車輛段存在較短的無(wú)電區(qū)，采用檢測(cè)到無(wú)電區(qū)后即封鎖變流器的方式維持電壓。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)波形圖如圖8所示。

圖8 過(guò)無(wú)電區(qū)試驗(yàn)波形

在進(jìn)入無(wú)電區(qū)前網(wǎng)壓約為DC 1 630 V。識(shí)別到無(wú)電區(qū)后立刻封鎖變流器，將電壓維持在DC1 400 V左右。再次進(jìn)入有電區(qū)后，由于受濾波電抗器對(duì)沖擊電流限制，最大沖擊電流約為320 A，F(xiàn)C最高電壓為1 725 V，均在可接受范圍之內(nèi)。

青島地鐵11號(hào)線車輛具有蓄電池自牽引功能，在檢修線采用蓄電池自牽引方式進(jìn)行移車，試驗(yàn)波形如圖9所示。

圖9 蓄電池自牽引試驗(yàn)波形

蓄電池自牽引模式下，車輛運(yùn)行速度小于等于1.5 km/h時(shí)，輸出牽引力為恒定值；車輛運(yùn)行速度大于1.5 km/h時(shí)，牽引力隨速度值反比例下降，同時(shí)進(jìn)行5 km/h限速控制。車輛加速過(guò)程中電機(jī)電流平滑，輸出牽引力平穩(wěn)，最后以5 km/h恒速前行。

青島地鐵11號(hào)線洗車庫(kù)只在進(jìn)出庫(kù)端有第三軌，庫(kù)內(nèi)未架設(shè)第三軌。因此，在洗車模式下閉合BLB，車輛進(jìn)庫(kù)時(shí)主要依靠尾車上的集電靴取電，出庫(kù)時(shí)靠頭車上的集電靴取電，整個(gè)洗車過(guò)程中所有牽引逆變器均正常得電工作。洗車模式下試驗(yàn)波形如圖10所示。

圖10 洗車模式下的試驗(yàn)波形

洗車模式下，車輛運(yùn)行速度加速到3 km/h左右后，車輛加速度趨于0，證明車輛輸出總牽引力平穩(wěn)。車輛運(yùn)行速度在±0.5 km/h以內(nèi)波動(dòng)，滿足3 km/h恒速控制要求。

5 結(jié)語(yǔ)

目前應(yīng)用第三軌的地鐵線路逐漸增多，在進(jìn)行車輛及牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)時(shí)，應(yīng)充分了解線路條件及用戶需求，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)主電路及箱體。在地面試驗(yàn)階段，應(yīng)模擬線路遇到的各種工況，完善相關(guān)功能，提前做好充分準(zhǔn)備，避免在裝車試驗(yàn)和初期運(yùn)營(yíng)階段遇到問(wèn)題后反復(fù)調(diào)試。

本文以牽引系統(tǒng)為對(duì)象，對(duì)第三軌受流下無(wú)電區(qū)檢測(cè)及控制方法、檢修線可采用的幾種受流方式、洗車模式控制進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比分析。并以青島地鐵11號(hào)線為應(yīng)用案例進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。