《城市軌道交通車(chē)輛牽引系統(tǒng)繼路器應(yīng)用探析（論文）》

城市軌道交通車(chē)輛牽引系統(tǒng)繼路器應(yīng)用探析作者：摘要：城市軌道交通車(chē)輛的牽引系統(tǒng)是一個(gè)非常龐大且復(fù)雜的系統(tǒng)，對(duì)其安全性、可靠性以及及時(shí)性都是有非常高的要求，對(duì)于主要回路保護(hù)器件選擇是要能夠保護(hù)系統(tǒng)安全、可靠的運(yùn)行，對(duì)其相關(guān)的設(shè)備也是能夠起到相應(yīng)的保護(hù)作用，所以說(shuō)保護(hù)器件工程計(jì)算是要能夠考慮到線路的工作情況，為了能夠得到各個(gè)工況非常準(zhǔn)確的主回路電流，對(duì)牽引系統(tǒng)的主要回路是進(jìn)行了簡(jiǎn)化，于是構(gòu)建了相近似的等效模型，通過(guò)相關(guān)計(jì)算能夠得到主回路在弓網(wǎng)離線時(shí)的最大電流，對(duì)牽引系統(tǒng)的選型以及主回路的保護(hù)器件斷路器的選擇提供了依據(jù)，最后通過(guò)仿真是檢驗(yàn)了模型計(jì)算的正確性。關(guān)鍵詞：城市軌道交通；弓網(wǎng)離線；斷路器城市軌道交通有很好的好處，其最大的特點(diǎn)就是運(yùn)量大，能源消耗方面很低，同時(shí)大大的減少了對(duì)環(huán)境的污染，最關(guān)鍵的是綠色環(huán)保的運(yùn)輸體系。當(dāng)前國(guó)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)在不斷地發(fā)展，為了能夠緩解城市交通擁擠的情況，能夠改善當(dāng)前城市擁堵的情況，使得城市綠色環(huán)保，促進(jìn)城市的可持續(xù)性的發(fā)展，國(guó)內(nèi)的很多一二線城市都建設(shè)了很多的軌道交通項(xiàng)目。城市軌道交通車(chē)輛就是軌道佳通系統(tǒng)當(dāng)中最為核心的裝備，在這個(gè)當(dāng)中牽引系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)是非常大，對(duì)于安全以及可靠性能的要求是很高，為了能夠保障車(chē)輛的出現(xiàn)過(guò)流又或者是短路等故障的時(shí)候，不是的故障延伸至供電系統(tǒng)，牽引系統(tǒng)的保護(hù)器件的型號(hào)應(yīng)該和供電網(wǎng)一級(jí)保護(hù)器進(jìn)行匹配，從而能夠?qū)收宪?chē)輛進(jìn)行隔離，還能夠?qū)ζ溥M(jìn)行保護(hù)車(chē)輛的其他設(shè)備。最主要的就是對(duì)牽引系統(tǒng)當(dāng)中的牽引變流器過(guò)流保護(hù)裝置，通過(guò)1KM的直道進(jìn)行啟動(dòng)，然后運(yùn)行到停車(chē)仿真，能夠分析主回路電路的整體范圍。同時(shí)還能夠構(gòu)建起牽引系統(tǒng)等效建模分析，又確定了牽引系統(tǒng)的特殊工作情況下的電流值，能夠?yàn)闋恳到y(tǒng)的參數(shù)選型很好的提供計(jì)算時(shí)數(shù)據(jù)支持。1引言1.1城市軌道交通發(fā)展概述地鐵已經(jīng)是現(xiàn)代化城市的標(biāo)志以及象征了，同時(shí)還意味著新的城市經(jīng)濟(jì)形態(tài)的產(chǎn)生，有了一個(gè)新的城市財(cái)富磁場(chǎng)的形成。在國(guó)內(nèi)的早期地鐵工程建設(shè)過(guò)程中，地鐵車(chē)輛以及重要的相關(guān)機(jī)電設(shè)備都是直接從國(guó)外進(jìn)口，這樣的一種采購(gòu)方式使得地鐵工程的投資耗費(fèi)非常巨大，極大的制約了城市軌道產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。一系列的政策扶持，不斷的推動(dòng)了國(guó)內(nèi)城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，極大的促進(jìn)了國(guó)內(nèi)軌道交通裝備制造產(chǎn)業(yè)的向前發(fā)展，降低了工程造價(jià)以及壽命周期成本，使得社會(huì)效益以及經(jīng)濟(jì)效益得到了巨大的發(fā)展，地鐵車(chē)輛技術(shù)已經(jīng)是經(jīng)過(guò)了十幾年的發(fā)展，有了非常顯著地成績(jī)以及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，比如說(shuō)車(chē)輛整車(chē)聲場(chǎng)已經(jīng)是完全具備產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計(jì)以及相應(yīng)制造能力，車(chē)輛的國(guó)產(chǎn)化率有了極大的提升。國(guó)內(nèi)的城軌車(chē)輛指導(dǎo)企業(yè)以及配套廠家的產(chǎn)品是能夠滿足國(guó)內(nèi)外的市場(chǎng)需求，大大的促進(jìn)了城軌交通事業(yè)的發(fā)展。1.2牽引系統(tǒng)的組成城市軌道交通車(chē)輛的受電最主要的就是以接觸軌或者是架空線這樣的兩種供電方式，其電壓制式就是DC75V以及1500V為主的?？梢砸阅硞€(gè)城市地鐵車(chē)輛線路牽引供電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為10kV中壓交流電，然后再降壓之后能夠作為整流裝置的輸入，整流裝置的輸出是DCDC75V或者是1500V的電壓。直流電壓是通過(guò)接觸軌或者架空線把能量傳遞到車(chē)輛上面，那么車(chē)輛能夠通過(guò)受流靴或者是受電弓從直流電網(wǎng)進(jìn)行受電，同時(shí)還能夠通過(guò)輪軌接觸方式進(jìn)行電壓的回流。為了能夠很好的保障車(chē)輛以及整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)安全，接入直流電網(wǎng)的相關(guān)設(shè)備一定是要有過(guò)電壓以及過(guò)電流的保護(hù)的。過(guò)壓保護(hù)就是通過(guò)避雷器與受電弓或者受流靴下級(jí)負(fù)載進(jìn)行一個(gè)并聯(lián)，那么這樣的話就算出現(xiàn)比較嚴(yán)重的過(guò)電壓，也能夠使負(fù)載旁路而起到保護(hù)車(chē)輛設(shè)備的作用。過(guò)電流保護(hù)能夠以圖1系統(tǒng)作為例子，當(dāng)中的朱熔斷器F，是作為車(chē)輛上兩個(gè)牽引逆變器以及兩個(gè)輔助器負(fù)載的總過(guò)電流保護(hù)，在參數(shù)上也是應(yīng)該和上級(jí)牽引變電站的主斷路器QF的參數(shù)是吻合的。同理，牽引變流器是車(chē)輛的當(dāng)中的核心部件，那么過(guò)電流的保護(hù)裝置也是要和上級(jí)朱熔斷器F的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的匹配。圖1城市軌道交通車(chē)輛電網(wǎng)及車(chē)輛系統(tǒng)圖1.3牽引系統(tǒng)控制技術(shù)的難點(diǎn)防滑以及防空轉(zhuǎn)控制技術(shù)。這種技術(shù)所采用的控制策略是包括空轉(zhuǎn)趨勢(shì)識(shí)別技術(shù)和蠕滑優(yōu)化控制技術(shù)?？辙D(zhuǎn)趨勢(shì)識(shí)別是運(yùn)用的無(wú)基準(zhǔn)速度的識(shí)別的方法，主要就是通過(guò)檢測(cè)輪周的加速度微分值來(lái)對(duì)空轉(zhuǎn)趨勢(shì)進(jìn)行識(shí)別。這種系統(tǒng)有非?？斓捻憫?yīng)速度，在完成粘著控制功能的前提之下，能夠減小牽引了的損失，極大的提高粘著的利用率，能夠很好的保證牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，使得車(chē)輛在各種氣候下都能夠發(fā)揮出可靠性能優(yōu)勢(shì)。2繼路器的特點(diǎn)及組成2.1繼路器的特點(diǎn)牽引變流器最主要是由五個(gè)部件組成的，也就是線路電抗器、電容器、直流高壓開(kāi)關(guān)、半導(dǎo)體器件以及最后的高壓電纜。在這個(gè)組成部件當(dāng)中，各個(gè)部件的價(jià)格都是非常昂貴的，但是特點(diǎn)就是過(guò)流耐受電流比較小，過(guò)流耐受時(shí)間也是非常短的。只要是出現(xiàn)了過(guò)流，就要立刻切斷故障電流，保護(hù)最主要的部件，然后是隔離發(fā)生了故障單額區(qū)域。UR系列直流高速斷路器是一種機(jī)械式的單相快速斷路器，其特點(diǎn)有很多，包括直接瞬時(shí)過(guò)流脫扣、間接快速脫扣以及電控分?jǐn)?，最關(guān)鍵的是能夠自然冷卻等等特性。只要是下級(jí)負(fù)載出現(xiàn)了故障超過(guò)了整定值的時(shí)候就會(huì)分?jǐn)?，積極的響應(yīng)時(shí)間的極端，只有幾毫秒。可以以UR9系列產(chǎn)品作為實(shí)際例子，它的電控系統(tǒng)脫扣的延遲就是非常短暫的，不會(huì)超過(guò)8ms，過(guò)流保護(hù)脫扣時(shí)間和故障電流的上升率有關(guān)的，在脫扣時(shí)間和故障電流上升率曲線如下圖2所示，根據(jù)相關(guān)的計(jì)算公式是能夠得到準(zhǔn)確的分?jǐn)鄷r(shí)間的。圖2高速斷路器故障分?jǐn)鄷r(shí)間曲線2.2繼路器的組成就如上圖1所示，其系統(tǒng)架構(gòu)，高速斷路器，是屬于朱熔斷器F。下級(jí)以及牽引變流器前級(jí)保護(hù)器件。高速斷路器一般是放置在車(chē)體的底部，是根據(jù)系統(tǒng)集成方式的不同是能夠集成在牽引逆變器以及高壓箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中。高速斷路器的組成部分主要就是包括了五個(gè)主要部件，也就是絕緣框架、電路、跳閘裝置、電控系統(tǒng)以及開(kāi)關(guān)這幾個(gè)。2.3繼路器脫扣原理UR系列的高速度斷路器是存在兩種狀態(tài)的，即閉合與斷開(kāi)，在這當(dāng)中電控系統(tǒng)是進(jìn)行閉合，斷開(kāi)又能夠分為電控分?jǐn)嘁约斑^(guò)流脫扣分?jǐn)?。那么電控閉合其實(shí)是指高速斷路器電控系統(tǒng)有了電之后，線圈就會(huì)有磁場(chǎng)，使得內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)有了一系列的動(dòng)作，能夠可動(dòng)觸頭與固定觸頭進(jìn)行相應(yīng)的鏈接，主回路的電路就通暢了，閉合的時(shí)候產(chǎn)生的機(jī)械沖擊是通過(guò)內(nèi)部的緩沖裝置進(jìn)行一個(gè)吸收。電控分?jǐn)嗍侵傅母咚贁嗦菲髂軌蚋鶕?jù)電控系統(tǒng)斷開(kāi)指令進(jìn)行主觸點(diǎn)的斷開(kāi)。那么過(guò)流脫扣的分?jǐn)嗑褪窃跀嗦菲鞯牧鞒鲭娏鞒^(guò)了最大電流整定值的時(shí)候，主要回路線圈在斷路器磁鐵當(dāng)中會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)配合內(nèi)部的連鎖裝置使得斷路器進(jìn)行分?jǐn)?，在斷開(kāi)的時(shí)候沖擊是緩沖裝置進(jìn)行吸收、滅弧裝置來(lái)進(jìn)行消弧，使得整個(gè)的過(guò)流脫扣分?jǐn)唷?繼路器的應(yīng)用分析城市軌道阿基通車(chē)輛因?yàn)檐?chē)站之間的距離短，各個(gè)線路之間的站點(diǎn)也是非常多，牽引制動(dòng)非常的頻繁，恒動(dòng)區(qū)工作時(shí)間也是很短等一些非常明顯特點(diǎn)；使得車(chē)輛在運(yùn)行的時(shí)候工作情況是很復(fù)雜的，這樣一個(gè)龐大的復(fù)雜系統(tǒng)其電流以及相關(guān)的參數(shù)是非常難進(jìn)行實(shí)際測(cè)試的，所以在設(shè)計(jì)之處，仿真計(jì)算以及系統(tǒng)等效模型分析就變得非常的重要了。3.1高速繼路器主回路電壓高速斷路器設(shè)備的選型是和整個(gè)牽引系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境、工作情況以及主要回路參數(shù)、電流控制回路接口匹配等相關(guān)的，從上面圖1車(chē)輛系統(tǒng)作為實(shí)際例子，城區(qū)的高度沒(méi)有超過(guò)300M，電壓制式是DC1500V，額定電壓能偶選擇1800V的高級(jí)斷路器。3.2高速繼路器控制回路設(shè)計(jì)因?yàn)槌鞘熊壍澜煌ǖ妮o助供電系統(tǒng)以380V交流電以及110V的直流電進(jìn)行供電，斷路器的控制回路是選擇110V的直流控制電源。高速斷路器的控制回路在完成了電控系統(tǒng)的閉合之后，那么控制回路是轉(zhuǎn)到了節(jié)能控制回路，這樣的話就保護(hù)了電控系統(tǒng)線圈因?yàn)檫^(guò)熱而損壞。整個(gè)電控系統(tǒng)的電路控制原理就如下圖3所示。F：是斷路器線圈保護(hù)斷路器；K:高速斷路器的線圈控制接觸器；就是高速斷路器節(jié)能電阻控制接觸器；R:是節(jié)能電阻；出現(xiàn)高壓的時(shí)候K、接觸點(diǎn)就會(huì)吸合。在電控系統(tǒng)當(dāng)中閉合命令和高速斷路器的主觸點(diǎn)閉合延遲時(shí)間就是，大約時(shí)間為60ms..t；這樣的話節(jié)能電阻接入延遲的時(shí)間就是在480ms左右，節(jié)能電阻的串聯(lián)一直帶電控回路后能夠完成高速斷路器整個(gè)電控閉合過(guò)程。那么電控分?jǐn)嗟臅r(shí)候只需要開(kāi)圖3中的K，接觸器就行了。圖3電控系統(tǒng)控制原理3.3高速繼路器電流參數(shù)選擇為了對(duì)高速路短期的整定值范圍進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，可以以電機(jī)的參數(shù)作為一個(gè)計(jì)算基礎(chǔ)，能夠滿足車(chē)輛基本的動(dòng)力性能，根據(jù)這個(gè)目標(biāo)要使得車(chē)輛的傳動(dòng)比和輪徑值把車(chē)輛特性曲線變成電機(jī)特性的曲線，然后是通過(guò)構(gòu)建計(jì)算模型，這樣的話能夠得到不同的工況下是能夠滿足車(chē)輛的基本牽引、電制動(dòng)特性的特性曲線。能夠以圖1當(dāng)中的動(dòng)車(chē)以及2輛拖車(chē)作為實(shí)際研究例子，在車(chē)輛超員載荷、牽引工況以及線路的電壓是DC1500V，制動(dòng)的時(shí)候線路電壓為1800V的時(shí)候，可以對(duì)整個(gè)車(chē)輛進(jìn)行千米的平直軌道仿真，那么牽引力以及整個(gè)線路電流及車(chē)輛速度對(duì)距離曲線如下圖4所示。牽引變流器在電機(jī)恒功區(qū)運(yùn)行的時(shí)間還是比較的短，如果把恒功區(qū)當(dāng)作是選型設(shè)計(jì)值的話，一定會(huì)造成的資源浪費(fèi)。在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候能夠根據(jù)全線路仿真曲線很好的計(jì)算出電路的有效值，對(duì)電流的積分值也是能夠根據(jù)熱積累進(jìn)行計(jì)算的，然后要對(duì)高速路短期進(jìn)行認(rèn)定的電流校核。還是以圖1的系統(tǒng)作為例子進(jìn)行研究，在城市線路上進(jìn)行仿真，能夠通過(guò)計(jì)算得到有效值的實(shí)際電流大小，牽引工況下最大的電流不會(huì)超過(guò)800A，在制動(dòng)的工況下最大的電流是不會(huì)超過(guò)1100A。這個(gè)UR系列的高速斷路器能夠選擇額定電流是在1000A，那么過(guò)載能力經(jīng)過(guò)計(jì)算能夠得出結(jié)果（3200A/10s），脫扣整定值范圍就是2200-6000A就可以了，是能夠滿足線路的要求。圖4牽引系統(tǒng)平直軌道仿真3.4高速繼路器整定值計(jì)算因?yàn)槌鞘熊壍澜煌ㄜ?chē)輛是一個(gè)非常復(fù)雜的大系統(tǒng)，對(duì)已系統(tǒng)進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)化，然后能夠構(gòu)建起近似的等效電流模型對(duì)車(chē)輛一些參數(shù)的計(jì)算是有著重要的幫助。車(chē)輛的牽引系統(tǒng)的等效模型是能夠運(yùn)用RLC二階等效電路來(lái)進(jìn)行代替的，如下圖所示，在這個(gè)模型當(dāng)中R就是線路電抗器等效電阻以及線路等效電阻，L是線路的電抗器，C是電容的支撐。直流電源、R-43mΩ、L-4mH、C-5.7mF，M-電機(jī)圖5牽引系統(tǒng)電路模型UR系列的高速斷路器脫扣整定值是能夠進(jìn)行調(diào)節(jié)的，在車(chē)輛運(yùn)行環(huán)境有了改變或者是線路有了變化的時(shí)候，能夠通過(guò)對(duì)整定值的改變來(lái)適應(yīng)當(dāng)前的系統(tǒng)。圖1的系統(tǒng)當(dāng)中最糟糕的工況就是車(chē)輛出現(xiàn)了弓網(wǎng)離線時(shí)的供電短時(shí)中斷，而且在速度方面也是沒(méi)有辦法通過(guò)電制動(dòng)來(lái)保持中間的電壓。根據(jù)圖5當(dāng)中的代替模型能夠分析得出，支撐電容C的電能是通過(guò)電機(jī)來(lái)得到完全釋放，只要是恢復(fù)了供電時(shí)候，那么支撐電容C就能夠通過(guò)電抗器等效電阻以及線路的等效電阻來(lái)進(jìn)行一個(gè)充電。因?yàn)榫€路的電抗器等效電阻以及線路等效電阻的值都是比較小的，但是充電的電流通常是非常大，主回路的保護(hù)器件比如熔斷器以及閥值就要避開(kāi)這個(gè)極限值。弓網(wǎng)離線的時(shí)候波形圖如下所示，但是根據(jù)圖6的波形能夠知道的是，當(dāng)弓網(wǎng)離線一直到弓網(wǎng)恢復(fù)的時(shí)候因?yàn)橹坞娙軨是在進(jìn)行充電，使得回路的電流還是比較的高。那么為了能夠更加方便的進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)弓網(wǎng)離線的工況進(jìn)行全面分析能夠知道的是，弓網(wǎng)離線至弓網(wǎng)恢復(fù)可等效是階躍函數(shù)，在幅值方面就是最大的電壓1800V。圖6弓網(wǎng)離線電壓曲線弓網(wǎng)離線階躍函數(shù)的模型的公式如下：在這個(gè)式子當(dāng)中u（t）就是弓網(wǎng)離線的電壓，就是單位的階躍函數(shù)，最為具體的表達(dá)式如下所示：弓網(wǎng)離線的時(shí)候，整個(gè)的牽引系統(tǒng)電流響應(yīng)就是這個(gè)牽引系統(tǒng)等效RLC二階電流對(duì)電壓的反應(yīng)，在計(jì)算方面能夠得出回路的電流值，具體的牽引系統(tǒng)等效電路公式應(yīng)如下式。在這個(gè)式子當(dāng)中的R就是線路電抗器等效電阻以及線路等效電阻，L就是線路的電抗器，C就是支撐電容，就是電容的兩端的電壓，是弓網(wǎng)離線電壓。當(dāng)這個(gè)弓網(wǎng)離線激勵(lì)的時(shí)候，支撐電容充電電流就是牽引系統(tǒng)的回路電流響應(yīng)，如下式，當(dāng)中的就是電容電流響應(yīng)。因?yàn)镽<電容電壓就是欠阻尼的振蕩過(guò)程，能夠根據(jù)已經(jīng)知道的激勵(lì)解式（3）的微分方程能夠直接的計(jì)算出支撐電容C電壓。對(duì)牽引系統(tǒng)RLC等效電路模型，以弓網(wǎng)離線電壓作為激勵(lì)對(duì)回路電流響應(yīng)進(jìn)行一個(gè)仿真，這樣的結(jié)果如下圖7所示。經(jīng)過(guò)了計(jì)算之后的電流峰值大約是2050A，能夠?yàn)檎ㄋp振蕩，只有經(jīng)過(guò)了100ms的衰減電流峰值一直降低到額定1000A之下，下圖的藍(lán)色曲線就是代表了激勵(lì)電壓u（t），藍(lán)色的曲線就是整個(gè)牽引系統(tǒng)的回路電流，紫色額曲線就是支撐電容C電壓。圖7具體的仿真結(jié)果通過(guò)仿真的結(jié)果以及計(jì)算的高速斷路器過(guò)流保護(hù)整定值是能夠選擇2200A，能夠很好的避免弓網(wǎng)離線或者是過(guò)無(wú)電區(qū)的時(shí)候因?yàn)橹坞娙軨的快速充電能夠引起過(guò)流跳閘。最大的電流就是在100ms之后就會(huì)衰減到額定電流的范圍之內(nèi)，UR這個(gè)系列是能夠滿足系統(tǒng)在線路上的使用要求。3.5線路測(cè)試校驗(yàn)為了能夠檢驗(yàn)牽引系統(tǒng)RLC模型參數(shù)的正確性，對(duì)于實(shí)際的線路當(dāng)中的弓網(wǎng)離線時(shí)候的牽引回路電流進(jìn)行直接的測(cè)量，得到的具體結(jié)果就如下圖8所示。在這其中的藍(lán)線就是弓網(wǎng)離線時(shí)候牽引系統(tǒng)輸入電壓即，當(dāng)中的紅線就是牽引系統(tǒng)回路電流大概是1900A，因?yàn)榭紤]到實(shí)際的線路當(dāng)中電壓為1650V左右，那么最后的測(cè)試結(jié)果和這個(gè)仿真計(jì)算的結(jié)果是保持了一致的。圖8弓網(wǎng)離線以及線路的電流測(cè)試結(jié)語(yǔ)本文是通過(guò)對(duì)城市軌道交通的牽引系統(tǒng)的供電網(wǎng)以及高速斷路器組成以及原理是進(jìn)行了詳細(xì)的分析以及介紹，還構(gòu)建了弓網(wǎng)離線電壓等效模型以及牽引系統(tǒng)的回路等效模型，這樣的兩個(gè)模型是對(duì)計(jì)算的極大簡(jiǎn)化，仿真就會(huì)比較簡(jiǎn)單。經(jīng)斷路器的實(shí)際應(yīng)用以及對(duì)型號(hào)選擇進(jìn)行詳細(xì)的分析，能夠?yàn)槌鞘熊壍澜煌ㄜ?chē)輛牽引系統(tǒng)的主要回路設(shè)備的選型提供一些仿真計(jì)算的實(shí)際依據(jù)。同時(shí)還能夠進(jìn)行線路測(cè)試然后來(lái)確定模型的準(zhǔn)確性，是能夠?yàn)橥笾骰芈凡考脑O(shè)計(jì)提供參考。參考文獻(xiàn)[1]王小飛.城市軌道交通能饋式牽引供電系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].建筑工程技術(shù)與