地铁牵引供电直流设备框架保护系统改进

地铁牵引供电直流设备框架保护系统改进

任,超,蒋,莉

西咸新区轨道交通投资建设有限公司 710000

摘要：轨道客车股份有限公司获得284辆美国波士顿橙线和红线地铁订单，这是中国轨道交通装备首次进入美国市场。该项目牵引系统采用日本三菱电机产品，空气制动系统采用美国西屋产品。本文对地铁牵引供电直流设备框架保护系统改进进行分析，以供参考。

关键词：地铁牵引供电；直流设备；框架保护

引言

永磁牵引电机具有噪声低、可靠性高、故障率低等优点，采用永磁牵引电机的地铁列车与采用异步交流牵引电机的列车相比，能节能10%以上。目前，轨道交通行业把绿色、节能、环保型永磁牵引电机作为牵引传动系统技术升级与突破的核心之一。

1概述

随着我国经济建设飞速的发展，城市的规模不断扩大，城市人口在急剧增加。为了解决城市交通的供需矛盾，近年来我国大力发展城市轨道交通建设，在大城市中形成了复杂的城市轨道交通网络。地铁牵引供电系统采用直流供电，地铁运行中一部分回流电流通过钢轨与道床流入大地，在地铁沿线大地中形成直流偏置电位，通过与城市电网接地系统耦合，在电网变压器中形成直流偏磁电流。运行经验表明，只需要在变压器绕组中存在几安培的直流电流，就足以令大容量电力变压器出现直流偏磁危害，引起变压器磁致伸缩振动和绕组振动，使得振动噪声增加；严重时能造成铁芯半周饱和，引起励磁电流发生崎变，产生大量高次谐波，使得电能质量下降，无功损耗与铁芯损耗增大，并引起变压器内部局部过热，严重影响变压器安全。目前，我国多个省市的变电站中均监测到较严重的直流偏磁现象0[3]。南网科研院利用中性点直流偏磁电流在线监测系统对广东省变压器中性点进行监测，发现当地铁运行时总有较大的直流电流从中性点通过，造成变压器异响。广州、深圳、东莞和佛山地区共有62台主变（不含已装隔直装置的主变）受到地铁运行的影响，广州和深圳地区地铁杂散电流引起的直流偏磁电流的幅值大多在10~20A，东莞和佛山地区地铁杂散电流引起的直流偏磁电流大多为0~5A。因此，地铁牵引系统引起的交流系统直流偏磁问题不容忽视。与特高压直流输电系统产生极性与幅值稳定的直流偏磁电流不同，地铁牵引系统引起的直流偏磁电流的极性与幅值经常发生改变。大多数学者认为地铁杂散电流是引起直流偏磁的主要原因，目前国内外学者对地铁牵引系统引起直流偏磁的特征、原因、影响因素开展了一些仿真与实测研究。等效电阻网络是计算杂散电流分布的主要方法，其基本原理是建立钢轨、排流网、埋地金属及土壤的等效电阻网络并进行求解[4]-]，根据其模型分层又可以细分为“钢轨-大地”两层模型、“钢轨-埋地金属-大地”三层模型、“钢轨-排流网-埋地金属-大地”四层模型等。

2牵引系统与制动系统配合的原则

为保证系统方案的可靠性、可用性及合理性，牵引系统与制动系统配合的原则如下:(1)为保证快速的响应时间和系统的可靠性，采用硬线信号优先［1］、网络备份的原则，网络系统仅在牵引或制动系统故障时，才参与电空配合功能，保证故障情况整车的制动能力;(2)采用电制动优先原则，空气制动只有在电制动力不满足制动力需求时才介入，减少机械摩耗;(3)制动力需求由牵引系统和制动系统根据PWM列车线指令和载荷信息分别计算，但基于相同的公式进行计算，从而保证计算出的制动力的一致性。

3低速区的电空配合及保持制动缓解控制

低速区的电空配合，需保证电制动到空气制动的平滑过渡，以减小整车冲击率;同样，在列车起动时，牵引力的增加与保持制动的缓解也需匹配好，以保证整车小的冲击率，具体配合方案如下:(1)低速区的电空配合:在速度降到约8km/h时，PCU给出电制动退出信号，BCU收到该指令后，开始施加预压力，以减小响应时间。在300ms后，电制动力开始减小，空气制动力开始以同样的斜率(为冲击率限制值)增加，直到电制动完全退出。8km/h的退出速度是随制动请求级位变化的，制动级位越小，退出点速度越低，从而保证尽可能地利用电制动。(2)保持制动的缓解:在收到牵引指令后，BCU会先将保持制动力缓解到40‰左右(保证坡道不溜车的力)，并在牵引力建立过程中保持这个力值;随着牵引力的上升，PCU将电制动退出信号置0，BCU控制剩余保持制动力的缓解。在牵引力开始建立之前先对保持制动力的缓解，可以有效减小牵引力增加和空气制动力减少的重叠时间，从而使列车起动时的冲击率得到较好地控制。

4直流设备框架保护改进措施原理

4.1增加对框架电流方向的判断

当负极与框架间绝缘电阻降低时，流过Ki的电流方向由大地流向直流开关柜外壳。负极柜中负极母线通过回流电缆连接到钢轨。由于全线钢轨相连，因此，全线所有变电所负极柜的负极母线连通。负极母线和钢轨之间没有分断开关，即使本变电所直流进线开关、直流馈线开关、整流机组开关，以及相邻变电所直流馈线开关都跳闸，仍有泄漏电流流过Ki，故障无法被切除。由于直流设备负极与钢轨相连，设备外壳与大地相通，因此，当负极绝缘电阻下降时，负极和钢轨电位限制装置导通，使杂散电流增加，抬升其他区段的钢轨电位，直流框架保护系统发出报警信号。直流设备框架保护系统主要监测正极电流泄漏。负极绝缘电阻下降不属于直流框架的保护范围，因此，系统不动作。正极与直流开关柜外壳发生短路时，框架电流由Ki流向大地；负极与直流开关柜外壳发生短路时，框架电流由大地流向Ki。因此，为了便于在直流设备框架保护系统中判断电流方向，定义电流由框架继电器指向大地为正，由大地指向框架继电器为负。通过PLC判断框架泄漏电流方向，如果电流方向为正，则电流型框架保护系统正常动作；如果电流方向为负，则仅预警，系统不跳闸。增加电流型框架保护系统电流方向的判断，可以提高保护动作的可靠性，实现绝缘状况的在线监测预警，减少电流型框架保护系统出现错误动作的可能性。

4.2取消电压型框架保护

当牵引网与钢轨发生短路或牵引网与大地发生短路时，如果电流型框架保护系统因故未动作，则会造成钢轨对地电位升高，Ku检测到的电压也会升高。由于钢轨电位限制装置的电压整定值小于电压型框架保护的整定值，而且动作延时小，因此，钢轨电位升高时，钢轨电位限制装置先动作，将钢轨与大地连通，降低钢轨电位，则电压型框架保护系统不动作。负极接地后，短路电流骤增，此时，直流断路器的过流、速断保护动作，将故障点切除。因此，可以取消电压型框架保护系统。

结束语

综上所述，地铁牵引电机的噪声主要包括电磁噪声、机械振动噪声和同轴风扇引起的空气动力噪声，其中机械噪声所含比重较小。永磁电机采用全封闭结构，噪声更低，尤其是低速阶段，可有效提高乘客的乘坐舒适性。地铁作为市民出行的重要交通工具，需重点关注其安全性和舒适性。地铁列车在启停阶段，冲击率（加速度变化率）的大小直接影响乘客的乘坐舒适度，冲击率大了，乘客会有“站不稳”的感觉，因此降低列车冲击率对提高乘坐舒适性意义重大。

参考文献

[1]吴重熙,田野.接地环在地铁车辆牵引电机大修技术改造中的应用与验证[J].铁道机车与动车,2021(12):45-48+6.

[2]杜强.大数据地铁车辆牵引系统故障诊断技术分析[J].运输经理世界,2021(35):1-3.

[3]李婷婷,胡晓,刘川,杨静,葛兴来.基于虚拟正阻抗的地铁牵引传动系统直流侧振荡抑制策略[J].控制与信息技术,2021(06):65-70.

[4]林泽雄.地铁车辆永磁同步牵引系统与异步牵引系统选型分析[J].机电信息,2021(28):30-32.

[5]王永翔.基于冗余处理器结构地铁牵引变流器控制器设计[J].电子设计工程,2021,29(22):144-149+154.