北京地铁房山线第三轨供电断轨区的车辆过压故障原因分析及解决措施

2022-12-13高利华

城市轨道交通研究 2022年10期

关键词：东站房山电路

高利华

(北京市地铁运营有限公司运营二分公司， 100043，北京∥高级工程师)

基于第三轨供电方式的城市轨道交通线路特点，供电轨断轨区的存在往往不可避免，尤其是在线路折返段及车辆段入库段，此种情况更为常见。而断轨区的长度与车辆受流器跨度的匹配关系，可能会导致车辆欠压故障，乃至过压故障的发生。

北京地铁房山线(以下简称“房山线”)阎村东站开通后，车辆在上行ATO(列车自动运行)模式进站过程中，频繁出现主电路直流过压、HB(高速断路器)异常分断故障，造成牵引逆变器停止工作而影响列车牵引性能。现对其故障原因进行分析，并提出解决措施。

1 房山线基本概况

房山线列车为4动2拖6辆编组，DC 750 V第三轨供电，采用列车单元内牵引母线贯穿的方式。房山线车辆受流器跨度示意图如图1所示。M0车和M3车设有BHB(母线高速断路器)，当列车速度高于5 km/h时，由继电器控制BHB闭合。当列车速度低于5 km/h时，本车的受流器中心跨度为12.6 m；当列车速度大于5 km/h时，1个单元的受流器跨度为32.12 m。

如图2所示，列车HB闭合后，充电接触器(KM2)在牵引控制单元(DCU)控制下闭合，网压经充电电阻(CHRe、R)向电容(FC)进行充电。当FC充电至一定值后，线路接触器(KM1)闭合，KM2断开。牵引工况时，DC 750 V直流电由受流器从供电轨接入，经线路主隔离开关(MQS)、主熔断器(MF)、HB、KM1和滤波电抗器(FL)，向牵引逆变器供电。牵引逆变器输出电压、频率可调的三相交流电，供给牵引电动机(IM1、IM2)，以驱动列车运行。

当网压或中间电压高于1 000 V或低于500 V时，DCU通过控制HB、KM1、KM2等分断，以实现隔离保护。

2 房山线车辆牵引主电路过压故障原因

2.1 故障记录分析

房山线车辆主电路过压问题频繁发生在阎村东站上行进站过程中。其发生故障时，运行模式为ATO模式，牵引级位在1级，车速约为25 km/h，故障代码为主电路直流过压，HB被异常分断。

图3为房山线车辆牵引主电路发生故障时中间电压、网压及牵引电流波动情况。故障记录显示：房山线车辆牵引主电路欠压故障发生前的150 ms至故障发生后的75 ms，中间电压和网压同步由800V下降至400 V；当主电路欠压发生约75 ms后，网压瞬间恢复到750 V，牵引电流升高，随后中间电压由400 V提高至1 000 V以上，致HB分断。

2.2 故障原因分析

房山线阎村东站折返方式为站后折返。其折返作业时，由阎村东站下行站台经直线进入折返线，车辆变换操作端后再经折返道岔，从下行方向运行至上行方向，驶入阎村东站上行站台。折返过程中，房山线途径3个断轨区段，长度分别为9.2 m(断轨区①)、34.8 m(断轨区②)和19.2 m(断轨区③)，如图4所示。

当列车的M1车第二组受流器驶入断轨区②时，M0车第一组受流器还未能进入下一个供电段，无电区长度约为2.68 m(未计算受流器宽度)，如图5所示。

通过对车辆牵引主电路原理进行分析发现：中间电压过压的直接原因为车辆通过无电区时，在FC较低时进行了牵引操作，再次搭接供电轨后，电网直接对FC充电，致使电流变化率(di/dt)激增，FL产生较大感应电动势，使FC超过1 000 V过压保护门槛值，才造成主电路直流过压故障。电网直接对FC充电的原因是由于车辆通过无电区的时间较短，约为390 ms(按车辆速度约25 km/h、无电区长度为2.68 m计算)，未能达到牵引系统欠压保护时间，又再次受流导致。根据欠压保护逻辑，当中间电压低于500 V，并持续50 ms时，DCU控制接触器分断，实施欠压保护。DCU控制接触器接收指令后，需435～455 ms的机械动作时间，才能确保电路有效分断，而整个欠压保护动作时间长于无电区通过时间。

综上所述，房山线阎村东站车辆牵引主电路直流过压而使HB分断的原因为阎村东站折返区段存在34.8 m长的大断轨区，较车辆的一个牵引单元略长。房山线车辆在无电区牵引操作，使中间电压降至较低的水平，短暂时间后再次恢复供电，此时牵引系统未能有效进行欠压保护，较大电流直接对滤波电容进行充电，因而发生主电路过压保护。

3 房山线阎村东站过压故障解决措施

根据房山线阎村东站过压故障原因的分析，从缩短车轨间无电区、缓解中间电压下降等角度考虑解决方案的可行性，现提出以下4种解决方案。

3.1 采用全列牵引母线贯穿的接线方式

原房山线采用单元内牵引母线贯穿的接线方式，改为全列牵引母线贯穿的接线方式可提高车辆通过断轨区能力。如图6所示，更改后的车辆最大受流器跨度可由32.12 m提升至71.16 m，远大于34.8 m断轨区，以消除车轨间无电区的存在。

采用全列牵引母线贯穿的接线方式需对车辆牵引母线进行局部改造，同时需考虑HB的选型问题。根据既有车辆单元牵引母线贯穿的接线方式，最大电流约为2 000 A(包括单组车牵引电流和辅助电源电流)，当变更为全列牵引母线贯穿的接线方式时，如有2个动车落入断轨区，则牵引母线最大电流约为 3 600 A ；如有3个动车落入断轨区时，牵引母线最大电流约为5 400 A。因目前DC 750 V的地铁使用HB的最大电流整定值为3 200 A，故改造可能存在风险；且综合考虑最大电流对母线截面、受流器截面要求的影响及整改的施工难度，认为此改造方案不可取。

3.2 增加牵引系统微制动功能

牵引系统增加微制动功能，即当车辆检测到进入无电区时，若列车处于惰行工况或低级位牵引工况，则使逆变器进入微制动工况。该工况工作原理与电制动的类似。此功能通过抑制车辆通过无电区时中间电压的降低，从而避免过压问题发生。

增加微制动功能需对牵引控制软件程序进行优化：为了保障微制动功能精准应用，需对其触发条件和退出条件进行限定。牵引控制软件程序触发时，需先通过电压变换率、中间电压值等对进入无电区时机进行判断，然后通过级位和速度对车辆运行状态进行判断，以避免微制动功能的误触发。经试验，增加微制动功能可有效控制中间电压的波动，并同时可避免主电路过压和欠压问题的发生。

3.3 改善ATO模式下的通过状态

根据本文可知，房山线阎村东站车辆主电路过压故障原因为中间电压较低时，高级位牵引操作导致。由于房山线阎村东站最大断轨区位于通过折返道岔后的区段，长度约34.8 m，此时ATO驾驶曲线设置为牵引工况。如优化ATO牵引曲线，采用惰行或制动工况通过该断轨区，避免因牵引造成中间电压快速降低，使中间电压与网压差值较小，可避免过压问题发生。

为验证方案的可行性，采用人工惰行驾驶通过该断轨区的方式进行试验，未再出现车辆主电路过压故障，因而证明优化ATO牵引曲线同样可避免过压故障发生，但对运营全周转时间存在1～2 s的影响。此方案实施需要对信号系统控制软件进行优化。

3.4 改变车辆折返时的进出方式

房山线阎村东站下行折返时，采用的是“直进弯出 ”的方式，经分析，无电区出现在折返道岔刚刚通过区段，且为保证折返时间，此区段ATO模式时采用牵引工况，故造成过压问题发生；如将折返路径变更为“弯进直出 ”的方式(如图7所示)，由于断轨区位置紧邻折返端头，故ATO模式通过此区段时采用惰行或制动工况，可有效避免过断轨区时进行牵引操作。

此方案经现场试验验证，可避免车辆主电路过压问题发生，但欠压现象依然存在。