北京地鐵房山線第三軌供電斷軌區的車輛過壓故障原因分析及解決措施

高利華

(北京市地鐵運營有限公司運營二分公司， 100043， 北京∥高級工程師)

基于第三軌供電方式的城市軌道交通線路特點，供電軌斷軌區的存在往往不可避免，尤其是在線路折返段及車輛段入庫段，此種情況更為常見。而斷軌區的長度與車輛受流器跨度的匹配關系，可能會導致車輛欠壓故障，乃至過壓故障的發生。

北京地鐵房山線(以下簡稱“房山線”)閻村東站開通后，車輛在上行ATO(列車自動運行)模式進站過程中，頻繁出現主電路直流過壓、HB(高速斷路器)異常分斷故障，造成牽引逆變器停止工作而影響列車牽引性能。現對其故障原因進行分析，并提出解決措施。

1 房山線基本概況

房山線列車為4動2拖6輛編組，DC 750 V第三軌供電，采用列車單元內牽引母線貫穿的方式。房山線車輛受流器跨度示意圖如圖1所示。M0車和M3車設有BHB(母線高速斷路器)，當列車速度高于5 km/h時，由繼電器控制BHB閉合。當列車速度低于5 km/h時，本車的受流器中心跨度為12.6 m；當列車速度大于5 km/h時，1個單元的受流器跨度為32.12 m。

如圖2所示，列車HB閉合后， 充電接觸器(KM2)在牽引控制單元(DCU)控制下閉合，網壓經充電電阻(CHRe、R)向電容(FC)進行充電。當FC充電至一定值后，線路接觸器(KM1)閉合，KM2斷開。牽引工況時，DC 750 V直流電由受流器從供電軌接入，經線路主隔離開關(MQS)、主熔斷器(MF)、HB、KM1和濾波電抗器(FL)，向牽引逆變器供電。牽引逆變器輸出電壓、頻率可調的三相交流電，供給牽引電動機(IM1、IM2)，以驅動列車運行。

當網壓或中間電壓高于1 000 V或低于500 V時，DCU通過控制HB、KM1、KM2等分斷，以實現隔離保護。

2 房山線車輛牽引主電路過壓故障原因

2.1 故障記錄分析

房山線車輛主電路過壓問題頻繁發生在閻村東站上行進站過程中。其發生故障時，運行模式為ATO模式，牽引級位在1級，車速約為25 km/h，故障代碼為主電路直流過壓，HB被異常分斷。

圖3為房山線車輛牽引主電路發生故障時中間電壓、網壓及牽引電流波動情況。故障記錄顯示：房山線車輛牽引主電路欠壓故障發生前的150 ms至故障發生后的75 ms，中間電壓和網壓同步由800V下降至400 V；當主電路欠壓發生約75 ms后，網壓瞬間恢復到750 V，牽引電流升高，隨后中間電壓由400 V提高至1 000 V以上，致HB分斷。

2.2 故障原因分析

房山線閻村東站折返方式為站后折返。其折返作業時，由閻村東站下行站臺經直線進入折返線，車輛變換操作端后再經折返道岔，從下行方向運行至上行方向，駛入閻村東站上行站臺。折返過程中，房山線途徑3個斷軌區段，長度分別為9.2 m(斷軌區①)、34.8 m(斷軌區②)和19.2 m(斷軌區③)，如圖4所示。

當列車的M1車第二組受流器駛入斷軌區②時，M0車第一組受流器還未能進入下一個供電段，無電區長度約為2.68 m(未計算受流器寬度)，如圖5所示。

通過對車輛牽引主電路原理進行分析發現：中間電壓過壓的直接原因為車輛通過無電區時，在FC較低時進行了牽引操作，再次搭接供電軌后，電網直接對FC充電，致使電流變化率(di/dt)激增，FL產生較大感應電動勢，使FC超過1 000 V過壓保護門檻值，才造成主電路直流過壓故障。電網直接對FC充電的原因是由于車輛通過無電區的時間較短，約為390 ms(按車輛速度約25 km/h、無電區長度為2.68 m計算)，未能達到牽引系統欠壓保護時間，又再次受流導致。根據欠壓保護邏輯，當中間電壓低于500 V，并持續50 ms時，DCU控制接觸器分斷，實施欠壓保護。DCU控制接觸器接收指令后，需435～455 ms的機械動作時間，才能確保電路有效分斷，而整個欠壓保護動作時間長于無電區通過時間。

綜上所述，房山線閻村東站車輛牽引主電路直流過壓而使HB分斷的原因為閻村東站折返區段存在34.8 m長的大斷軌區，較車輛的一個牽引單元略長。房山線車輛在無電區牽引操作，使中間電壓降至較低的水平，短暫時間后再次恢復供電，此時牽引系統未能有效進行欠壓保護，較大電流直接對濾波電容進行充電，因而發生主電路過壓保護。

3 房山線閻村東站過壓故障解決措施

根據房山線閻村東站過壓故障原因的分析，從縮短車軌間無電區、緩解中間電壓下降等角度考慮解決方案的可行性，現提出以下4種解決方案。

3.1 采用全列牽引母線貫穿的接線方式

原房山線采用單元內牽引母線貫穿的接線方式，改為全列牽引母線貫穿的接線方式可提高車輛通過斷軌區能力。如圖6所示，更改后的車輛最大受流器跨度可由32.12 m提升至71.16 m，遠大于34.8 m斷軌區，以消除車軌間無電區的存在。

采用全列牽引母線貫穿的接線方式需對車輛牽引母線進行局部改造，同時需考慮HB的選型問題。根據既有車輛單元牽引母線貫穿的接線方式，最大電流約為2 000 A(包括單組車牽引電流和輔助電源電流)，當變更為全列牽引母線貫穿的接線方式時，如有2個動車落入斷軌區，則牽引母線最大電流約為 3 600 A ；如有3個動車落入斷軌區時，牽引母線最大電流約為5 400 A。因目前DC 750 V的地鐵使用HB的最大電流整定值為3 200 A，故改造可能存在風險；且綜合考慮最大電流對母線截面、受流器截面要求的影響及整改的施工難度，認為此改造方案不可取。

3.2 增加牽引系統微制動功能

牽引系統增加微制動功能，即當車輛檢測到進入無電區時，若列車處于惰行工況或低級位牽引工況，則使逆變器進入微制動工況。該工況工作原理與電制動的類似。此功能通過抑制車輛通過無電區時中間電壓的降低，從而避免過壓問題發生。

增加微制動功能需對牽引控制軟件程序進行優化：為了保障微制動功能精準應用，需對其觸發條件和退出條件進行限定。牽引控制軟件程序觸發時，需先通過電壓變換率、中間電壓值等對進入無電區時機進行判斷，然后通過級位和速度對車輛運行狀態進行判斷，以避免微制動功能的誤觸發。經試驗，增加微制動功能可有效控制中間電壓的波動，并同時可避免主電路過壓和欠壓問題的發生。

3.3 改善ATO模式下的通過狀態

根據本文可知，房山線閻村東站車輛主電路過壓故障原因為中間電壓較低時，高級位牽引操作導致。由于房山線閻村東站最大斷軌區位于通過折返道岔后的區段，長度約34.8 m，此時ATO駕駛曲線設置為牽引工況。如優化ATO牽引曲線，采用惰行或制動工況通過該斷軌區，避免因牽引造成中間電壓快速降低，使中間電壓與網壓差值較小，可避免過壓問題發生。

為驗證方案的可行性，采用人工惰行駕駛通過該斷軌區的方式進行試驗，未再出現車輛主電路過壓故障，因而證明優化ATO牽引曲線同樣可避免過壓故障發生，但對運營全周轉時間存在1～2 s的影響。此方案實施需要對信號系統控制軟件進行優化。

3.4 改變車輛折返時的進出方式

房山線閻村東站下行折返時，采用的是“直進彎出 ”的方式，經分析，無電區出現在折返道岔剛剛通過區段，且為保證折返時間，此區段ATO模式時采用牽引工況，故造成過壓問題發生；如將折返路徑變更為“彎進直出 ”的方式(如圖7所示)，由于斷軌區位置緊鄰折返端頭，故ATO模式通過此區段時采用惰行或制動工況，可有效避免過斷軌區時進行牽引操作。

此方案經現場試驗驗證，可避免車輛主電路過壓問題發生，但欠壓現象依然存在。

4 結語

房山線閻村東站折返時車輛牽引主電路過壓，HB分斷的原因為車輛在無電區牽引操作時產生較大電流直接對濾波電容充電，致使中間電壓抬升，造成主電路過壓保護。

針對房山線閻村東站車輛牽引主電路過壓問題，本文提出了母線形式改為全列牽引母線貫穿的接線方式、增加牽引系統微制動功能、改善ATO模式下的通過狀態、改變車輛折返時的進出方式等4種解決方案。

通過對4種解決方案研究發現，車輛牽引系統增加微制動功能的方案更適合房山線的具體情況，能有效解決閻村東站車輛牽引主電路直流過壓問題。