地鐵1500V制動(dòng)能量的消耗裝置

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摘要：隨著我國城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，國內(nèi)軌道交通主要采用電氣再生制動(dòng)方式。電氣再生制動(dòng)是城市軌道列車運(yùn)行中的一個(gè)關(guān)鍵、重要的技術(shù)，關(guān)系到列車能否安全、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地進(jìn)站、停車。目前，在國內(nèi)各大城市的地鐵列車均采用電氣再生制動(dòng)方式（簡稱制動(dòng)技術(shù)），在牽引變電所內(nèi)設(shè)置有一套制動(dòng)能量消耗裝置，文章重點(diǎn)介紹了制動(dòng)能耗裝置的工作原理和保護(hù)設(shè)置，針對在實(shí)際運(yùn)用中出現(xiàn)的一些問題進(jìn)行分析、總結(jié)，并提出合理化建議。

關(guān)鍵詞：再生制動(dòng)能耗；IGBT；溫度保護(hù)

1再生制動(dòng)能耗裝置簡介

至今，在我國城市軌道交通領(lǐng)域中，牽引交流變頻變壓調(diào)速（即VVVF系統(tǒng)）、牽引1500v再生電制動(dòng)系統(tǒng)是應(yīng)用得較為廣泛的調(diào)速技術(shù)。廣州地鐵4、5、6號線采用VVVF系統(tǒng)交流調(diào)速系統(tǒng)。再生制動(dòng)能耗裝置屬于車輛調(diào)速設(shè)備的范疇，其功能是作為車輛再生制動(dòng)時(shí)的總吸收裝置，為車輛提供再生制動(dòng)功能，并滿足車輛各種性能試驗(yàn)。廣州地鐵4、5、6號線吸收裝置采用恒壓電阻整定吸收裝置，即利用斬波器設(shè)置4會(huì)支路配合電阻吸收，根據(jù)列車再生制動(dòng)時(shí)1500v電壓的抬升狀態(tài)，吸收裝置內(nèi)的控制元件調(diào)節(jié)斬波器的導(dǎo)通時(shí)間，從而在短時(shí)間內(nèi)改變吸收功率大小，將列車制動(dòng)產(chǎn)生的線網(wǎng)高電壓恒定在某一設(shè)定值范圍內(nèi)波動(dòng)。在目前國內(nèi)各大城市應(yīng)用的電氣再生制動(dòng)或電氣再生-電阻吸收制動(dòng)模式，對于上線列車密度不大的線路，再生電制動(dòng)功能啟動(dòng)條件不滿足、啟動(dòng)比較少，電制動(dòng)方式得不到充分發(fā)揮，導(dǎo)致氣制動(dòng)投入頻繁，造成列車剎車系統(tǒng)的閘瓦磨耗較快，使得洞內(nèi)或沿線閘瓦灰塵較多，嚴(yán)重污染環(huán)境，而且也剎車摩擦造成熱能的增加，地鐵隧道內(nèi)溫度較高，影響隧道的使用壽命。而牽引變電所的再生制動(dòng)能量消耗裝置是裝設(shè)在牽引變電所的集中吸收設(shè)備裝置，使列車再生能量消耗在地面空間，大大降低工程建設(shè)費(fèi)用及運(yùn)營費(fèi)用。當(dāng)處于再生制動(dòng)狀況的列車回饋出去的電流不能完全被其他車輛和本車的用電設(shè)備所吸收時(shí)，能量消耗裝置立即投入工作，吸收掉多余的回饋電流，使車輛再生電流持續(xù)穩(wěn)定，最大限度的發(fā)揮電制動(dòng)功能。

2再生制動(dòng)能耗裝置的原理及組成

1500v制動(dòng)能耗消耗裝置組成含控制柜（隔離開關(guān)柜、斬波器柜）和電阻柜：（1）隔離開關(guān)柜：由電動(dòng)隔離開關(guān)（QS），線路接觸器（KM1），預(yù)充接觸器（KM2），濾波電容，濾波電抗，電流、電壓傳感器，避雷器等構(gòu)成。（2）1500v斬波器柜：由1500vIGBT四回?cái)夭ㄆ鳎╒T1～VT4）支路，1500v四回續(xù)流二極管（VD1～VD4）支路，微機(jī)控制系統(tǒng)，上位機(jī)，支路快速熔斷器、支路故障隔離開關(guān)（QS1-QS4）、溫度傳感器及避雷器等構(gòu)成。（3）吸收電阻柜：吸收電阻（RZ1～RZ4）。工作原理介紹：遠(yuǎn)程或當(dāng)?shù)夭僮骱仙想妱?dòng)隔離開關(guān)QS和直流1500v斷路器219，能消裝置在收到直流斷路器219合閘信號后，1500v制動(dòng)能耗裝置柜的微機(jī)上位機(jī)發(fā)指令合上預(yù)充接觸器KM2，給濾波電抗、電容充電至1500v，再發(fā)指令合上主回路接觸器（KM1）。此時(shí)，1500v制動(dòng)能耗裝置進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)：微機(jī)下位機(jī)不斷根據(jù)傳感器檢測線網(wǎng)1500v電壓的抬升變化，結(jié)合33kV電壓波動(dòng)和整定的吸收電壓值，判斷列車是否處于再生制動(dòng)狀態(tài)并需要吸收能量時(shí)，啟動(dòng)斬波器立即導(dǎo)通投入吸收工作。當(dāng)車輛制動(dòng)級數(shù)較低，電壓低時(shí)，即回饋電流較小時(shí)，微機(jī)通過自動(dòng)調(diào)節(jié)斬波器導(dǎo)通比和時(shí)間，使斬波器處于低開通或不導(dǎo)通狀態(tài)。隨著制動(dòng)級數(shù)增加，微機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)過判斷，快速調(diào)節(jié)斬波器導(dǎo)通比的大小，達(dá)到導(dǎo)通開和關(guān)的目的，等待車輛再次再生的出現(xiàn)，如此循環(huán)，實(shí)時(shí)控制，以維持1500v電網(wǎng)電壓維持在一定的范圍內(nèi)，確保列車能充分有效的實(shí)施電制動(dòng)。圖3是典型的運(yùn)行中牽引-制動(dòng)波形圖，我們可以清晰地看到列車在運(yùn)行時(shí)電網(wǎng)電壓、裝置電壓、電網(wǎng)電流、吸收電流的變化曲線。電網(wǎng)電流表示牽引電流，而裝置的吸收電流大小和時(shí)間長短反映了設(shè)備正在吸收工作，吸收列車對線網(wǎng)多余的回饋電流，使列車再生電流持續(xù)、穩(wěn)定。

3設(shè)置的保護(hù)類型

斬波器柜作為整套設(shè)備中的關(guān)鍵部分，起著控制、調(diào)節(jié)作用，其核心部件IGBT的狀態(tài)更是決定了設(shè)備能否正常運(yùn)行，因此，大部分保護(hù)是針對IGBT設(shè)置的。（1）過電壓保護(hù)：1500v直流側(cè)出現(xiàn)的過電壓包括操作過電壓、雷擊過電壓和來自列車上制動(dòng)產(chǎn)生的過電壓。當(dāng)1500v系統(tǒng)網(wǎng)壓超過設(shè)定值時(shí)，保護(hù)動(dòng)作，裝置退出運(yùn)行。（2）IGBT超溫保護(hù)：在IGBT散熱器上設(shè)置溫度傳感器元件，當(dāng)溫度超過保護(hù)設(shè)定值時(shí)，發(fā)出IGBT超溫故障信號，保護(hù)動(dòng)作，關(guān)閉系統(tǒng)，裝置退出運(yùn)行。（3）電阻柜溫度保護(hù)：電阻柜空氣出口溫度設(shè)定三檔，當(dāng)溫度超過150℃時(shí)，吸收功率自動(dòng)降低到最大設(shè)定功率的2/3；當(dāng)溫度超過170℃時(shí)，吸收功率自動(dòng)降低到最大設(shè)定功率的1/2；當(dāng)溫度超過200℃時(shí)，斬波器自動(dòng)關(guān)閉。（4）過流保護(hù)：IGBT斬波器為四相不重，針對四個(gè)IGBT支路，定義了每個(gè)支路的IGBT能承受1000A的過流。（5）熔斷器熔斷保護(hù)：也是為保護(hù)斬波器設(shè)計(jì)，當(dāng)一個(gè)支路的熔斷器熔斷時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，該支路退出運(yùn)行；當(dāng)兩個(gè)支路的熔斷器熔斷時(shí)，系統(tǒng)跳閘，能耗裝置退出運(yùn)行。（6）1500v回路短路保護(hù)：1500v短路保護(hù)在主回路上分為1500v斬波器前路徑的短路保護(hù)和1500v斬波器后路徑的短路保護(hù)。當(dāng)短路點(diǎn)發(fā)生在斬波器后一級，設(shè)備首先關(guān)斷斬波器，發(fā)出相應(yīng)支路短路保護(hù)信號；短路點(diǎn)發(fā)生在斬波器前一級（含斬波器本身），快速斷路器動(dòng)作。當(dāng)裝置出現(xiàn)1500v過流、短路、接地故障時(shí)，微機(jī)迅速向所內(nèi)的1500v直流斷路器發(fā)出故障跳閘信號。另外，作為對IGBT元件的保護(hù)，IGBT的控制回路還增加了RCD型緩沖吸收回路。

4運(yùn)行中的問題分析

廣州地鐵4、5、6號線采用的牽引所再生制動(dòng)能量消耗裝置，在國內(nèi)尚屬新興技術(shù)，此前應(yīng)用范例并不很多，再加上廣州地鐵4、5、6號線采用的是國內(nèi)很少見的DC1500V三軌供電及線性電機(jī)車輛技術(shù)，從這幾年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，還存在一些問題，下面就介紹運(yùn)行中出現(xiàn)的一些問題，并對其原因進(jìn)行簡要分析：自4、5、6號線開通后，HXXS9型制動(dòng)能耗裝置發(fā)生過幾次嚴(yán)重的短路，并都伴隨有IGBT被擊穿炸裂的情況發(fā)生。（1）發(fā)生在4號線萬勝圍牽引變電所，斬波柜吸收支路1和支路2的IGBT被炸裂，但支路快速熔斷器沒有及時(shí)動(dòng)作，而是由上一級直流快速斷路器的大電流脫扣保護(hù)動(dòng)作來切除故障，短路電流上升到4000A。另外，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)有主回路有對外殼放電現(xiàn)象，因?yàn)镠XXS9型制動(dòng)能耗裝置外殼對地為非絕緣安裝，在短路過程中有正極對地短路發(fā)生，從變電所鋼軌電位限制裝置的動(dòng)作也證實(shí)了這一點(diǎn)。（2）較嚴(yán)重的短路事故發(fā)生在4號線新造牽引降壓混合變電所，此次故障支路3和支路4IGBT被炸裂。與萬勝圍變電所不同的是，支路3和支路4快速熔斷器及時(shí)切除了故障，并聯(lián)跳上一級直流快速斷路器，但支路3和支路4的短路電流也分別超過了540A；經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)同樣伴有對地短路現(xiàn)象。（3）發(fā)生在5號線車陂南牽引變電所，斬波柜吸收支路1的IGBT被炸裂，但支路快速熔斷器沒有及時(shí)動(dòng)作，而是由上一級直流快速斷路器的大電流脫扣保護(hù)動(dòng)作來切除故障，短路電流上升到4250A。（4）發(fā)生在5號線口牽混所，斬波柜吸收支路2的IGBT已擊穿，導(dǎo)致制動(dòng)能耗裝置跳閘。其故障電流達(dá)到了3000A，制動(dòng)能耗裝置吸收電流檢測量程為3000A，其實(shí)際最大電流大于3000A，而219開關(guān)大電流脫扣保護(hù)動(dòng)作定值為4000A，所以導(dǎo)致了制動(dòng)能耗裝作內(nèi)部保護(hù)動(dòng)作的同時(shí)，219開關(guān)大電流保護(hù)動(dòng)作。（5）發(fā)生在6號線北京路牽混所，斬波柜吸收支路3和支路4的IGBT被炸裂，但支路快速熔斷器沒有及時(shí)動(dòng)作，而是由上一級直流快速斷路器的大電流脫扣保護(hù)動(dòng)作來切除故障，短路電流上升到4000A。通過對現(xiàn)象的分析判斷，可能性較大的原因有：IGBT在關(guān)斷的過程中，由于線路電感的原因產(chǎn)生了較大的關(guān)斷過電壓，將IGBT擊穿。擊穿的過程中，由于IGBT的炸裂碎片和電弧的作用導(dǎo)致主回路對地短路。分析IGBT的關(guān)斷過電壓就要分析IGBT的特性，包括IGBT的導(dǎo)通特性和IGBT的關(guān)斷特性。IGBT是電壓控制型元器件，它的開通和關(guān)斷由柵極和發(fā)射極之間的電壓差UGE決定的，當(dāng)UGE正電壓且大于開啟電壓UGE（th）時(shí)，內(nèi)部MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通。IGBT關(guān)斷過程是由IGBT的通態(tài)到阻態(tài)的過程，存在關(guān)斷的過電壓同電網(wǎng)電壓疊加后施加到IGBT集射兩極后，其值超過IGBT的最大允許過電壓Vces將IGBT擊穿的可能。廣州地鐵4、5、6號線在運(yùn)行初期存在電網(wǎng)電壓較高的現(xiàn)象，直流母線電壓經(jīng)常上到1700V左右，并且由于采用線性電機(jī)技術(shù)，造成線路電感的增加。針對幾次故障都是保護(hù)啟動(dòng)了，但是IGBT元件仍然損壞。問題分析：IGBT工作在較高的工作頻率下，所以IGBT只能承受很短時(shí)的短路電流。因此，對IGBT一般采用裝置內(nèi)部故障自我保護(hù)，當(dāng)微機(jī)判斷可能出現(xiàn)危機(jī)IGBT時(shí)，如吸收時(shí)間過長的溫度保護(hù)，就發(fā)相應(yīng)的跳閘信號給219開關(guān)分閘，實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)。

5在實(shí)際運(yùn)用中可以改進(jìn)的方法如下

（1）通過控制IGBT關(guān)斷時(shí)間來抑制關(guān)斷過壓。（2）針對制動(dòng)能耗裝置外殼對地非絕緣安裝的問題，目前說法不一，主要是制動(dòng)能耗裝置的定位問題，是否將制動(dòng)能耗裝置看為饋線柜。如果將其看作饋線柜就須絕緣安裝，如果不是就不必絕緣安裝。絕緣安裝可以解決正極對地短路的問題，但是絕緣安裝如果發(fā)生正極對地短路現(xiàn)象，則由直流系統(tǒng)的框架保護(hù)動(dòng)作，將會(huì)擴(kuò)大停電范圍。我們認(rèn)為，制動(dòng)能耗裝置柜內(nèi)一次元件已經(jīng)全部采用雙重絕緣安裝，帶電體與外殼發(fā)生電流泄漏的概率非常小。制動(dòng)電阻支路均串接于IGBT后方，當(dāng)電阻回路發(fā)生低于裝置整定電壓下的電流時(shí)，裝置將閉鎖IGBT并報(bào)警。IGBT控制回路對故障電流的限制能力非常靈敏且迅速，動(dòng)作時(shí)間比直流斷路器快得多。如果IGBT前發(fā)生帶電體與外殼間電流泄漏，由對應(yīng)的直流開關(guān)柜判斷故障并切除。短路電流幅值較大時(shí)直流斷路器動(dòng)作，短路電流幅值較小時(shí)，OVPD閉合后直流斷路器動(dòng)作，均能可靠切除故障設(shè)備。若設(shè)置框架保護(hù)，則必須單獨(dú)為制動(dòng)能耗裝置設(shè)置一套，否則發(fā)生泄漏時(shí)故障范圍將擴(kuò)大到直流開關(guān)柜設(shè)備。顯然，在泄漏概率極低的條件下，設(shè)置這樣一套單獨(dú)的框架保護(hù)是沒必要的，不但增加維護(hù)量、資金投入，也增加各種保護(hù)之間的配合難度。綜上所述，制動(dòng)能耗裝置發(fā)生直流泄漏的概率是極低的，采用非絕緣安裝方式完全適合，即使發(fā)生泄漏，也不會(huì)對值班員或操作人員的人身安全構(gòu)成威脅，不必設(shè)置框架保護(hù)。

6結(jié)束語

至今，牽引變電所再生制動(dòng)能量消耗裝置作為新技術(shù)的應(yīng)用，不可避免的存在一些問題，相信隨著時(shí)間的推移，在廠家與用戶的努力下，所有問題都會(huì)慢慢得到妥善解決。

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作者:陳炳培 單位:廣州地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營事業(yè)總部