《城市軌道交通車輛牽引系統(tǒng)繼路器應(yīng)用探析（論文）》

城市軌道交通車輛牽引系統(tǒng)繼路器應(yīng)用探析作者：摘要：城市軌道交通車輛的牽引系統(tǒng)是一個非常龐大且復(fù)雜的系統(tǒng)，對其安全性、可靠性以及及時性都是有非常高的要求，對于主要回路保護器件選擇是要能夠保護系統(tǒng)安全、可靠的運行，對其相關(guān)的設(shè)備也是能夠起到相應(yīng)的保護作用，所以說保護器件工程計算是要能夠考慮到線路的工作情況，為了能夠得到各個工況非常準確的主回路電流，對牽引系統(tǒng)的主要回路是進行了簡化，于是構(gòu)建了相近似的等效模型，通過相關(guān)計算能夠得到主回路在弓網(wǎng)離線時的最大電流，對牽引系統(tǒng)的選型以及主回路的保護器件斷路器的選擇提供了依據(jù)，最后通過仿真是檢驗了模型計算的正確性。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，其最大的特點就是運量大，能源消耗方面很低，同時大大的減少了對環(huán)境的污染，最關(guān)鍵的是綠色環(huán)保的運輸體系。當(dāng)前國內(nèi)的經(jīng)濟在不斷地發(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，促進城市的可持續(xù)性的發(fā)展，國內(nèi)的很多一二線城市都建設(shè)了很多的軌道交通項目。城市軌道交通車輛就是軌道佳通系統(tǒng)當(dāng)中最為核心的裝備，在這個當(dāng)中牽引系統(tǒng)的技術(shù)難點是非常大，對于安全以及可靠性能的要求是很高，為了能夠保障車輛的出現(xiàn)過流又或者是短路等故障的時候，不是的故障延伸至供電系統(tǒng)，牽引系統(tǒng)的保護器件的型號應(yīng)該和供電網(wǎng)一級保護器進行匹配，從而能夠?qū)收宪囕v進行隔離，還能夠?qū)ζ溥M行保護車輛的其他設(shè)備。最主要的就是對牽引系統(tǒng)當(dāng)中的牽引變流器過流保護裝置，通過1KM的直道進行啟動，然后運行到停車仿真，能夠分析主回路電路的整體范圍。同時還能夠構(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，能夠為牽引系統(tǒng)的參數(shù)選型很好的提供計算時數(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)代化城市的標志以及象征了，同時還意味著新的城市經(jīng)濟形態(tài)的產(chǎn)生，有了一個新的城市財富磁場的形成。在國內(nèi)的早期地鐵工程建設(shè)過程中，地鐵車輛以及重要的相關(guān)機電設(shè)備都是直接從國外進口，這樣的一種采購方式使得地鐵工程的投資耗費非常巨大，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，不斷的推動了國內(nèi)城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，極大的促進了國內(nèi)軌道交通裝備制造產(chǎn)業(yè)的向前發(fā)展，降低了工程造價以及壽命周期成本，使得社會效益以及經(jīng)濟效益得到了巨大的發(fā)展，地鐵車輛技術(shù)已經(jīng)是經(jīng)過了十幾年的發(fā)展，有了非常顯著地成績以及相關(guān)經(jīng)驗，比如說車輛整車聲場已經(jīng)是完全具備產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計以及相應(yīng)制造能力，車輛的國產(chǎn)化率有了極大的提升。國內(nèi)的城軌車輛指導(dǎo)企業(yè)以及配套廠家的產(chǎn)品是能夠滿足國內(nèi)外的市場需求，大大的促進了城軌交通事業(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€城市地鐵車輛線路牽引供電網(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。直流電壓是通過接觸軌或者架空線把能量傳遞到車輛上面，那么車輛能夠通過受流靴或者是受電弓從直流電網(wǎng)進行受電，同時還能夠通過輪軌接觸方式進行電壓的回流。為了能夠很好的保障車輛以及整個電網(wǎng)的運營安全，接入直流電網(wǎng)的相關(guān)設(shè)備一定是要有過電壓以及過電流的保護的。過壓保護就是通過避雷器與受電弓或者受流靴下級負載進行一個并聯(lián)，那么這樣的話就算出現(xiàn)比較嚴重的過電壓，也能夠使負載旁路而起到保護車輛設(shè)備的作用。過電流保護能夠以圖1系統(tǒng)作為例子，當(dāng)中的朱熔斷器F，是作為車輛上兩個牽引逆變器以及兩個輔助器負載的總過電流保護，在參數(shù)上也是應(yīng)該和上級牽引變電站的主斷路器QF的參數(shù)是吻合的。同理，牽引變流器是車輛的當(dāng)中的核心部件，那么過電流的保護裝置也是要和上級朱熔斷器F的參數(shù)進行相應(yīng)的匹配。圖1城市軌道交通車輛電網(wǎng)及車輛系統(tǒng)圖1.3牽引系統(tǒng)控制技術(shù)的難點防滑以及防空轉(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)趨勢識別技術(shù)和蠕滑優(yōu)化控制技術(shù)。空轉(zhuǎn)趨勢識別是運用的無基準速度的識別的方法，主要就是通過檢測輪周的加速度微分值來對空轉(zhuǎn)趨勢進行識別。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)定運行，使得車輛在各種氣候下都能夠發(fā)揮出可靠性能優(yōu)勢。2繼路器的特點及組成2.1繼路器的特點牽引變流器最主要是由五個部件組成的，也就是線路電抗器、電容器、直流高壓開關(guān)、半導(dǎo)體器件以及最后的高壓電纜。在這個組成部件當(dāng)中，各個部件的價格都是非常昂貴的，但是特點就是過流耐受電流比較小，過流耐受時間也是非常短的。只要是出現(xiàn)了過流，就要立刻切斷故障電流，保護最主要的部件，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械式的單相快速斷路器，其特點有很多，包括直接瞬時過流脫扣、間接快速脫扣以及電控分斷，最關(guān)鍵的是能夠自然冷卻等等特性。只要是下級負載出現(xiàn)了故障超過了整定值的時候就會分斷，積極的響應(yīng)時間的極端，只有幾毫秒?？梢砸訳R9系列產(chǎn)品作為實際例子，它的電控系統(tǒng)脫扣的延遲就是非常短暫的，不會超過8ms，過流保護脫扣時間和故障電流的上升率有關(guān)的，在脫扣時間和故障電流上升率曲線如下圖2所示，根據(jù)相關(guān)的計算公式是能夠得到準確的分斷時間的。圖2高速斷路器故障分斷時間曲線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。下級以及牽引變流器前級保護器件。高速斷路器一般是放置在車體的底部，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)以及開關(guān)這幾個。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，在這當(dāng)中電控系統(tǒng)是進行閉合，斷開又能夠分為電控分斷以及過流脫扣分斷。那么電控閉合其實是指高速斷路器電控系統(tǒng)有了電之后，線圈就會有磁場，使得內(nèi)部的機械結(jié)構(gòu)有了一系列的動作，能夠可動觸頭與固定觸頭進行相應(yīng)的鏈接，主回路的電路就通暢了，閉合的時候產(chǎn)生的機械沖擊是通過內(nèi)部的緩沖裝置進行一個吸收。電控分斷是指的高速斷路器能夠根據(jù)電控系統(tǒng)斷開指令進行主觸點的斷開。那么過流脫扣的分斷就是在斷路器的流出電流超過了最大電流整定值的時候，主要回路線圈在斷路器磁鐵當(dāng)中會產(chǎn)生磁場配合內(nèi)部的連鎖裝置使得斷路器進行分斷，在斷開的時候沖擊是緩沖裝置進行吸收、滅弧裝置來進行消弧，使得整個的過流脫扣分斷。3繼路器的應(yīng)用分析城市軌道阿基通車輛因為車站之間的距離短，各個線路之間的站點也是非常多，牽引制動非常的頻繁，恒動區(qū)工作時間也是很短等一些非常明顯特點；使得車輛在運行的時候工作情況是很復(fù)雜的，這樣一個龐大的復(fù)雜系統(tǒng)其電流以及相關(guān)的參數(shù)是非常難進行實際測試的，所以在設(shè)計之處，仿真計算以及系統(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)備的選型是和整個牽引系統(tǒng)的運行環(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車輛系統(tǒng)作為實際例子，城區(qū)的高度沒有超過300M，電壓制式是DC1500V，額定電壓能偶選擇1800V的高級斷路器。3.2高速繼路器控制回路設(shè)計因為城市軌道交通的輔助供電系統(tǒng)以380V交流電以及110V的直流電進行供電，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，這樣的話就保護了電控系統(tǒng)線圈因為過熱而損壞。整個電控系統(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)高壓的時候K、接觸點就會吸合。在電控系統(tǒng)當(dāng)中閉合命令和高速斷路器的主觸點閉合延遲時間就是，大約時間為60ms..t；這樣的話節(jié)能電阻接入延遲的時間就是在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電控閉合過程。那么電控分斷的時候只需要開圖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)選擇為了對高速路短期的整定值范圍進行準確的計算，可以以電機的參數(shù)作為一個計算基礎(chǔ)，能夠滿足車輛基本的動力性能，根據(jù)這個目標要使得車輛的傳動比和輪徑值把車輛特性曲線變成電機特性的曲線，然后是通過構(gòu)建計算模型，這樣的話能夠得到不同的工況下是能夠滿足車輛的基本牽引、電制動特性的特性曲線。能夠以圖1當(dāng)中的動車以及2輛拖車作為實際研究例子，在車輛超員載荷、牽引工況以及線路的電壓是DC1500V，制動的時候線路電壓為1800V的時候，可以對整個車輛進行千米的平直軌道仿真，那么牽引力以及整個線路電流及車輛速度對距離曲線如下圖4所示。牽引變流器在電機恒功區(qū)運行的時間還是比較的短，如果把恒功區(qū)當(dāng)作是選型設(shè)計值的話，一定會造成的資源浪費。在進行設(shè)計的時候能夠根據(jù)全線路仿真曲線很好的計算出電路的有效值，對電流的積分值也是能夠根據(jù)熱積累進行計算的，然后要對高速路短期進行認定的電流校核。還是以圖1的系統(tǒng)作為例子進行研究，在城市線路上進行仿真，能夠通過計算得到有效值的實際電流大小，牽引工況下最大的電流不會超過800A，在制動的工況下最大的電流是不會超過1100A。這個UR系列的高速斷路器能夠選擇額定電流是在1000A，那么過載能力經(jīng)過計算能夠得出結(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算因為城市軌道交通車輛是一個非常復(fù)雜的大系統(tǒng)，對已系統(tǒng)進行一個簡化，然后能夠構(gòu)建起近似的等效電流模型對車輛一些參數(shù)的計算是有著重要的幫助。車輛的牽引系統(tǒng)的等效模型是能夠運用RLC二階等效電路來進行代替的，如下圖所示，在這個模型當(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行調(diào)節(jié)的，在車輛運行環(huán)境有了改變或者是線路有了變化的時候，能夠通過對整定值的改變來適應(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輛出現(xiàn)了弓網(wǎng)離線時的供電短時中斷，而且在速度方面也是沒有辦法通過電制動來保持中間的電壓。根據(jù)圖5當(dāng)中的代替模型能夠分析得出，支撐電容C的電能是通過電機來得到完全釋放，只要是恢復(fù)了供電時候，那么支撐電容C就能夠通過電抗器等效電阻以及線路的等效電阻來進行一個充電。因為線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，主回路的保護器件比如熔斷器以及閥值就要避開這個極限值。弓網(wǎng)離線的時候波形圖如下所示，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)的時候因為支撐電容C是在進行充電，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行仿真計算，對弓網(wǎng)離線的工況進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)，最為具體的表達式如下所示：弓網(wǎng)離線的時候，整個的牽引系統(tǒng)電流響應(yīng)就是這個牽引系統(tǒng)等效RLC二階電流對電壓的反應(yīng)，在計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)這個弓網(wǎng)離線激勵的時候，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)。因為R<電容電壓就是欠阻尼的振蕩過程，能夠根據(jù)已經(jīng)知道的激勵解式（3）的微分方程能夠直接的計算出支撐電容C電壓。對牽引系統(tǒng)RLC等效電路模型，以弓網(wǎng)離線電壓作為激勵對回路電流響應(yīng)進行一個仿真，這樣的結(jié)果如下圖7所示。經(jīng)過了計算之后的電流峰值大約是2050A，能夠為正旋波衰減振蕩，只有經(jīng)過了100ms的衰減電流峰值一直降低到額定1000A之下，下圖的藍色曲線就是代表了激勵電壓u（t），藍色的曲線就是整個牽引系統(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)果通過仿真的結(jié)果以及計算的高速斷路器過流保護整定值是能夠選擇2200A，能夠很好的避免弓網(wǎng)離線或者是過無電區(qū)的時候因為支撐電容C的快速充電能夠引起過流跳閘。最大的電流就是在100ms之后就會衰減到額定電流的范圍之內(nèi)，UR這個系列是能夠滿足系統(tǒng)在線路上的使用要求。3.5線路測試校驗為了能夠檢驗牽引系統(tǒng)RLC模型參數(shù)的正確性，對于實際的線路當(dāng)中的弓網(wǎng)離線時候的牽引回路電流進行直接的測量，得到的具體結(jié)果就如下圖8所示。在這其中的藍線就是弓網(wǎng)離線時候牽引系統(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，因為考慮到實際的線路當(dāng)中電壓為1650V左右，那么最后的測試結(jié)果和這個仿真計算的結(jié)果是保持了一致的。圖8弓網(wǎng)離線以及線路的電流測試結(jié)語本文是通過對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行了詳細的分析以及介紹，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，這樣的兩個模型是對計算的極大簡化，仿真就會比較簡單。經(jīng)斷路器的實際應(yīng)用以及對型號選擇進行詳細的分析，能夠為城市軌道交通車輛牽引系統(tǒng)的主要回路設(shè)備的選型提供一些仿真計算的實際依據(jù)。同時還能夠進行線路測試然后來確定模型的準確性，是能夠為往后主回路部件的設(shè)計提供參考。參考文獻[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