地鐵牽引供電系統雙向變流裝置直流短路研究

孫仁盛，侯欣延，呂瀟涵

（中車大連電力牽引研發中心有限公司，遼寧 大連 116000）

地鐵系統作為一種重要的城市交通工具，其可靠性和安全性至關重要。地鐵牽引供電系統中的雙向變流裝置起著關鍵作用，它將交流電源轉換為直流以供牽引系統使用。然而，在地鐵系統運行中，直流短路事件難免會發生，嚴重威脅系統的穩定性和設備的安全。

1 地鐵牽引供電系統

1.1 電源接入點

電源接入點是地鐵牽引供電系統的起始關鍵環節，通常是通過連接到城市的電力網絡來獲取電能。電力網絡通常提供來自電站的高壓交流電源，以確保足夠的電能供應地鐵系統。為適應地鐵系統的要求，電源必須經過變壓器降壓處理，將高壓電源轉換為適用于地鐵牽引系統的低壓電能。這個降壓過程不僅確保了電壓的安全性，還有助于滿足列車牽引系統所需的電能規格，從而為地鐵列車的安全、高效運行提供了可靠的電源基礎。

1.2 整流器

整流器在地鐵牽引供電系統中扮演著關鍵的角色。它是電力系統的第二步，負責將來自電力網絡的交流電源轉換為列車驅動系統所需的直流電源。這一轉換過程通常依賴于半導體二極管或可控整流器等電子元件，以確保電能以可控、可靠的方式被轉化。在整流器中，交流電源經過二極管或可控整流器，其負責將電流方向從正負交替的交流狀態轉換為單一方向的直流電流。這個過程涉及將電流波形的負半周或正半周去掉，得到了穩定的直流電源。這個直流電源將在后續的階段中繼續被平滑、穩壓和分配，以供應地鐵列車的牽引系統。整流器通常使用半導體器件，如硅控整流器（SCR）或可控整流橋（IGBT），來將交流電源轉換為直流電源。這些器件可以控制電流參數，確保直流電的穩定性。此外，整流器包括電流傳感器、保護電路和冷卻系統等，以維護其正常運行并確保安全性[1]。

1.3 電容器和濾波器

電容器在地鐵牽引供電系統中具有關鍵的功能。它們主要用于電能的儲存和電壓的平滑，具體表現如下。

1.3.1 電壓平滑

電容器能夠有效吸收電源中的電壓波動，如來自電網的瞬時電壓變化，這使得它們能夠輸出更為穩定的電壓給列車驅動系統。這種穩定性對于列車駕駛和設備運行至關重要，因為它防止了電壓波動對系統產生不利影響，有助于確保列車平穩運行。

1.3.2 峰值電流吸收

地鐵列車在運行中需要瞬間大量電能，尤其是在加速和制動等操作中。電容器具備儲存電能并快速釋放的能力，以滿足這些瞬間的功率需求。這有助于確保列車在需要時獲得足夠的電流，以支持運行操作的順利執行[2-3]。

濾波器在地鐵牽引供電系統中扮演著至關重要的角色。它們的主要任務是減少電磁干擾（EMI）和諧波，以確保電能的質量和穩定性。

綜上所述，電容器和濾波器的設計需要考慮電流、電壓、頻率和諧波的特性，以滿足地鐵牽引供電系統的需求。它們的合理配置和維護對于確保供電系統的高效穩定運行至關重要，有助于提高地鐵列車的牽引性能和乘客的出行舒適性。

1.4 逆變器

逆變器是地鐵牽引供電系統中的重要組件，其任務是將直流電源再次轉換為可控的交流電源，以滿足地鐵列車的牽引需求。通常，地鐵列車的電動機需要交流電源才能運行，而地鐵系統的電源是以直流形式提供的，因此逆變器在中間起到了橋梁的作用。逆變器通過使用半導體開關器件來控制電流的方向和大小，將直流電源轉換為可調節的交流電源。這可以實現對電流的頻率和電壓進行精確調整，以適應列車在不同速度和牽引需求下的變化。逆變器的控制系統可以根據列車的操作指令動態調整輸出電流的參數，確保列車在加速、減速和保持穩定速度等情況下都能夠得到適當的電力供應。逆變器的設計和性能對地鐵系統的牽引效率和響應速度至關重要。它們不僅允許列車以可控的方式運行，還有助于提高能源利用效率，減少能源浪費。

因此，逆變器在地鐵牽引供電系統中扮演著至關重要的角色，確保列車能夠以安全、高效的方式在軌道上運行。

2 地鐵牽引供電系統雙向變流裝置

雙向變流裝置是地鐵牽引供電系統中的核心組件，它擔負著關鍵的任務，即實現交流電源到直流電源和直流電源到交流電源的雙向轉換。這一功能使地鐵牽引供電系統更加靈活多樣，能夠適應不同的操作模式和電力需求。在地鐵系統中，列車需要直流電源來驅動牽引電動機以推動列車行駛。然而，來自電力網絡的供電通常是交流電源。這就需要雙向變流裝置發揮作用，將交流電源轉換為直流電源，以供應列車的牽引系統。同時，在列車制動時，電動機產生的電能可以通過反饋系統回饋到電網中，這就需要將直流電能轉換為交流電能，以實現能源的回饋和再利用。雙向變流裝置通過半導體開關器件和控制系統實現這一雙向轉換過程。它能夠確保電能在不同形式之間高效地轉換，以滿足列車系統的動力需求，并實現能源的回饋和再分配。這種靈活性使地鐵系統能夠更好地適應不同操作情景和電力網絡的變化，從而提高了系統的可靠性和效率。

總的來說，雙向變流裝置是地鐵牽引供電系統中的關鍵組件，其雙向轉換功能使地鐵系統更加靈活，能夠適應不同的電能需求和運行模式。它為地鐵系統的可靠性、效率和可持續性提供了關鍵支持。

3 雙向變流裝置直流短路特性

3.1 直流電容放電階段

在直流電容放電階段，當發生直流短路事件時，地鐵牽引供電系統中的電容開始釋放儲存的電能，導致電容器電壓急劇下降。這一過程的發生是由于電容器內儲存了一定數量的電荷，當直流電路突然短路時，電容器迅速釋放其中的電荷以滿足電路的需求，這導致了電壓迅速下降的現象。直流電容放電階段的時間非常短暫，通常只有幾毫秒到數十毫秒，但在這短暫的時間內，電容器釋放的電能是相當巨大的。這種短時高能量釋放可能對系統內的電子元件和設備造成嚴重的電壓和電流沖擊，因此需要采取措施來保護系統，防止損壞或故障的發生。為此，通常需要在電路中設計一些保護裝置，以限制電容器放電引起的電壓峰值，確保系統的穩定性和安全性[4]。

3.2 反并聯二極管放電階段

在反并聯二極管放電階段，當直流短路事件發生時，系統中的反并聯二極管迅速導通，允許電流繼續流動，以有效地防止過大的電流沖擊。這一過程的關鍵在于反并聯二極管的作用，它們被設計成具有低電壓降的特性，以確保在直流電容放電導致電壓急劇下降時，電流仍能夠順利流動而不受阻礙。反并聯二極管的導通實際上提供了一條“繞道”路徑，使電流能夠繞過直流電容器，從而減輕了電容放電引起的電壓下降。這種二極管導通的速度非?？欤ǔＴ谖⒚爰墑e內完成，因此迅速地響應了直流短路事件。通過這一機制，系統能夠有效地限制電流的上升速度，防止電流沖擊對電子元件和設備產生損害，同時保持系統的穩定性。反并聯二極管在地鐵牽引供電系統中扮演著非常重要的保護角色，確保了系統在直流短路事件發生時的安全和可靠運行。這個階段的操作是系統中電路保護的關鍵組成部分，有助于維護系統的穩定性和設備的完整性。

3.3 不控整流階段

在不控整流階段，當電容放電完成后，電流繼續由不控整流器流動。這個階段的關鍵任務是采取措施來限制電流，確保它在可控范圍內，以防止電流超過系統和設備的額定值而引發潛在的損害。不控整流器通常是半導體電子元件，其導電性質受到電壓和電流的影響，因此需要對其進行控制以維持穩定的電流輸出。在這個階段，可能會采用一些電流限制器或電流調節器來確保電流保持在合適的水平。這可以通過監測電流并在需要時調整不控整流器的導通狀態來實現。這種控制可以幫助防止電流過大，從而保護系統免受潛在的損害。不控整流階段的目標是在電容放電后維持電流的穩定性，以確保系統的正常運行并防止不必要的壓力和電流沖擊。通過這種方式，地鐵牽引供電系統可以更好地管理電能的流動，確保電流在可控范圍內，并維護系統的安全性和穩定性。

4 仿真分析

4.1 不同工況下的直流短路仿真

通過進行不同工況下的直流短路仿真分析，我們可以深入了解地鐵牽引供電系統在各種情況下對直流短路事件的響應以及可能發生的損壞程度。這種仿真分析是至關重要的，因為它可以為我們提供關于系統行為的寶貴見解，幫助我們識別潛在的問題，并為改進系統的設計和保護措施提供基礎。在仿真中，我們可以模擬不同的工況，如系統負載變化、電壓波動、設備故障等，然后觀察直流短路事件的發生和演化。我們可以分析系統中各個關鍵組件的響應，包括電容器、反并聯二極管、不控整流器等，以了解它們在直流短路情況下的工作狀態和性能。此外，仿真還可以幫助我們量化電流、電壓和功率等參數的變化，從而評估系統中可能發生的電壓陡升、電流超額等問題，以及它們對設備和電子元件的潛在損害。這種仿真分析可以為我們提供有關如何改進系統保護措施、優化電容容量、增加反并聯二極管數量等方面的建議，以增強系統的抗干擾性和安全性。總的來說，不同工況下的直流短路仿真分析是一種有力的工具，有助于深入理解系統的行為和性能，并為系統的設計和維護提供寶貴的指導和建議，以確保地鐵牽引供電系統的可靠性和安全性。

4.2 雙向變流裝置直流短路保護配置方案

為了有效保護雙向變流裝置免受直流短路的潛在損害，我們提出以下配置方案，即增加橋臂二極管和增大直流側電抗。這兩項措施旨在提高系統的穩定性和安全性，減輕直流短路事件可能對設備和電子元件造成的不利影響。

首先，增加橋臂二極管的數量或容量可以顯著改善系統的電流路徑。這些二極管在直流短路事件發生時迅速導通，為電流提供了可控的通道，降低了電容放電引起的電壓下降速率。通過增加二極管的數量或容量，我們可以更有效地分散電流負載，減輕二極管的負擔，從而提高了系統的抗電流沖擊能力。這可以減少設備受損的可能性，同時維護系統的運行穩定性。

其次，增大直流側電抗有助于限制直流電流的增長。電抗器在直流電路中的作用類似于電阻，它們通過提供電阻性反抗，限制了電流的快速增加。通過增大電抗器的大小，我們可以有效地減少電流在直流短路事件期間的劇烈波動，防止電流超過設備的承受能力。這個配置方案可以降低系統的潛在風險，保護設備免受電流過載的威脅[5]。

綜上所述，增加橋臂二極管和增大直流側電抗是有效地保護雙向變流裝置免受直流短路事件損害的配置方案。它們協同作用，提高了系統的抗干擾性和穩定性，確保了地鐵牽引供電系統在各種工況下的可靠運行，從而維護城市交通的安全和效率。

5 結語

通過對地鐵牽引供電系統中雙向變流裝置直流短路問題的研究和分析，我們不僅深入了解了直流短路事件的特性，還提出了有效的保護配置方案，包括增加橋臂二極管和增大直流側電抗。這些方案有助于提高系統的穩定性、可靠性，保障地鐵系統的安全運行。地鐵系統作為現代城市交通的支柱，其可靠性和安全性對城市居民的出行至關重要。通過我們的研究和工程改進，可以進一步提高地鐵牽引供電系統的性能，減少直流短路事件對系統的影響。這將有助于確保城市交通的可持續性，為乘客提供更安全、更高效的出行體驗。未來，我們將繼續努力，不斷優化系統設計和保護機制，以適應不斷變化的城市交通需求，為城市的可持續發展和乘客的出行提供更好的支持。