第三轨受流地铁车辆牵引系统若干问题探讨

张佳波 葛航奇 马升潘 高 瀚 张新宇 邸 峰

(1.中车青岛四方车辆研究所有限公司，266111，青岛；2.青岛地铁集团有限公司运营分公司，266031，青岛；3.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，266111，青岛∥第一作者，工程师)

采用第三轨供电的地铁线路，第三轨沿轨道两侧近地面架设，出于安全考虑，在折返线、车辆段内难免有无电区存在[1]。车辆在牵引工况下通过无电区时，牵引系统会短时失电，FC(支撑电容)电压跌落。当车辆所有集电靴失电时间较短时，可能存在FC电压未跌落至欠压保护值以下、主接触器未断开的情况。此时若车辆刚好再进入有电区，由于第三轨网压与FC电压存在较大压差，网压通过电抗器直接对支撑电容进行充电。当压差较大时，轻则引起牵引系统过压、过流故障，重则引起变电所跳闸、线路瘫痪，且长时间直冲对支撑电容寿命也会造成一定影响。

如果检修线设有第三轨，当车辆检修人员进行车下作业时，第三轨会给检修人员带来一定的安全风险，因此检修线内通常不架设第三轨[2-3]。若不采用其他受流方式，就只能依靠机车提供动力进行挪动，移车效率极低。

在洗车库内的第三轨受流线路上可能存在第三轨分断区。洗车过程中车速较低，BLB(母线接触器)未闭合，会存在部分牵引逆变器失电又得电的情况，导致整车牵引力随之波动，使得洗车模式下的恒速控制精度不足。

本文针对上述第三轨受流中存在的问题进行了深入探讨。在青岛地铁11号线上进行的试验验证，验证了本文所选方法的可行性。

1 第三轨供电线路的无电区控制方式

1.1 无电区检测

因为没有提示信号，无电区检测只能通过网压信息来识别。但网压在1 000～1 900 V之间均认为在正常供电范围，因此不能简单通过网压低于某固定阈值的方法来检测无电区。然而进入无电区时，由于负载消耗FC电容能量，网压会存在一定的快速跌落。因此，可以通过网压下降斜率来识别无电区，无电区检测原理图如图1所示。

图1 第三轨供电线路无电区检测原理图

网压信号包含较大谐波，直接进行斜率计算会引起误判断，因此采集到的网压需进行滤波处理。对网压滤波值求导即为网压下降斜率k。为避免误判断，当k小于网压下降斜率阈值kth时，对无电区判断计数值n进行连续累积计数，当累积计数值大于无电区判断设定计数值nth时，认为检测到无电区。其中无电区判断计数值阈值随斜率改变，斜率绝对值大则阈值小，斜率绝对值小则阈值大，以确保在FC电压跌落到系统耐受临界值以上时正确识别无电区。

1.2 无电区控制及保护

无电区控制的主要目的在于防止车辆再次进入有电区时，因压差太大而引起故障。目前无电区控制方法有两种：一是识别到无电区后快速封锁变流器，在无负载消耗能量下，可将FC电压维持在系统可接受值以上；二是识别到无电区后迅速转换为微电制动模式，牵引电机制动能量与辅助负载消耗能量平衡，可将FC电压控制在目标值附近，此种控制方式与动车组过分相控制相类似。两种无电区控制方式电压波形示意图如图2所示。

图2 第三轨供电线路无电区控制电压波形示意图

无电区分为失电时间较长无电区(以下简称“长无电区”)和失电时间较短无电区(以下简称“短无电区”)。对于长无电区，可断开接触器。当再次检测到有电区时，再依次闭合接触器进行预充电；亦可进行微电制动，进入有电区后再退出微电制动模式。在无电区较多时，反复进行预充电，需对预充电电阻温度进行温度估算保护，防止温度过高而烧毁。微电制动方式虽可避免反复预充电，但该方式对车辆速度有要求，速度太低时制动功率小不足以维持电压，且车辆滑行距离缩短，一旦停到无电区中，车辆将无法移动。

对于短无电区，则来不及断开接触器，当检测到无电区后，快速封锁变流器，可将电压基本维持在封锁变流器时刻的电压，当再次进入有电区时，因压差在可接受范围之内，造成的冲击则较小。此种方式牵引力阶跃到0，车辆有一定冲动感。在车辆速度较高时，可采用微电制动方式，辅助设备不停机，空调及照明运行正常。但该方式在大牵引模式下，牵引力下降过程中，电压会被拉到检测到无电区时刻的电压以下。若无电区足够短，在转换到微电制动前再进入有电区，电流冲击则会增大。需注意的是，应将微电制动的网压控制值与线路正常网压值区分开，以避免无法识别车辆再次进入有电区。

2 检修线受流方式

2.1 第三轨加架空接触网供电方式

第三轨加架空接触网供电方式是指在正线采用第三轨受流，在正线到车辆段入口处转换为架空接触网受流，在车辆段内停车线、检修线等均采用架空接触网受流。此种方式可避免车辆段内存在无电区，在段内可随意移车。但由于一条线路上存在两种供电方式，会给线路日常检修带来不便；而且车辆主电路较复杂，司机还需在进出段位置处进行受流方式切换，影响进出段效率。第三轨加架空接触网受流方式车辆电气原理图如图3所示。

图3 第三轨加架空接触网受流方式车辆电气原理图

在车辆由正线回段入库时，断开接触器KM2，落下集电靴，然后升起受电弓，闭合接触器KM1，完成第三轨到架空接触网受流方式切换。车辆出库时则降下受电弓，断开接触器KM1，收起集电靴，闭合接触器KM2，完成架空接触网到第三轨受流方式切换。为避免这两种受流方式同时供电，应在两者之间设置互锁功能。

2.2 滑触线方式

除检修线外，在车辆段其他线路上通常不进行车下作业。因此，也可在检修线上采用滑触线，其他线如出入车辆段线及停车线仍然采用第三轨供电。滑触线由静止的滑线导轨、移动的集电器、供电线缆及插头组成。集电器可在滑线轨道上来回滑动，通过高压电缆与车辆相连，为移动的车辆供电[3-4]。供电模式转换时，需工作人员下车开箱操作，检修效率不高，操作非常繁琐。

如果采用滑触线供电方式，车辆牵引出入库可分为以下几步：车辆进入转换区；人工插拔插头及操作转换供电模式；车辆由第三轨供电牵引出库或由滑触线供电牵引入库。因此，需在牵引系统中配置专用装置进行安全可靠的供电切换。车辆供电模式切换原理图如图4所示。

图4 滑触线车辆供电模式切换原理图

车辆首尾两端的拖车设置有模式转换开关箱，当车辆需第三轨受流时，供电模式切换刀闸MS的1位闭合，2位和3位断开。当车辆需要滑触线受流时，则要将集电器插头接入车辆车间电源插座VPD1和VPD2，同时刀闸MS的2位和3位闭合，1位断开，将直流电源引入到靠近该拖车的牵引逆变器中，此时车辆只有1个动车提供牵引力。

2.3 蓄电池自牵引方式

在外部无法正常供电或车辆通过无电区时，蓄电池自牵引采用车载DC 110 V蓄电池给牵引逆变器供电，实现车辆自行牵引移车。采用蓄电池自牵引可以杜绝列车进出库的安全隐患，减轻司机和地面人员操作复杂、检修效率低的弊端。当蓄电池容量足够大还可实现正线自救，使车辆安全行驶至附近站点疏散乘客，避免造成人身伤害和经济损失。

当满足进入蓄电池自牵引模式时，司机只需在车上按下蓄电池牵引按钮，即可进行自牵引移车，操作简单、安全可靠。但是，如果采用该方式，车辆需集成蓄电池自牵引所需相关器件，并对蓄电池的放电倍率、充放电次数等有更高的要求，同时需开发针对蓄电池牵引的专用控制算法。其中，蓄电池自牵引所需器件包含接触器KMB及二极管D。接触器用于连接蓄电池电源和牵引逆变器，二极管则是为防止牵引逆变器侧可能出现的高压影响蓄电池组。蓄电池自牵引高压原理如图5所示。

图5 蓄电池牵引高压原理图

进入蓄电池自牵引必须具备以下条件：当前车速为0；支撑电容电压已降到蓄电池电压以下；高速断路器已断开，避免第三轨上高压接入牵引逆变器。若满足上述条件，按下蓄电池牵引按钮即可进入蓄电池自牵引模式。牵引控制器降低欠压保护值，同时依次闭合蓄电池自牵引接触器、预充电接触器及主接触器完成预充电。推动手柄，牵引逆变器按照修改后的电机磁链及蓄电池牵引特性输出牵引力。为了简化主电路及提高系统效率，在蓄电池自牵引模式下只有部分牵引逆变器工作。由于输出牵引力较正常模式小，因此在该模式下需同时修改保持制动缓解阈值，保证车辆可正常起动。蓄电池自牵引控制流程图如图6所示。

图6 蓄电池牵引控制流程图

3 洗车模式控制方式

当车辆运行速度大于5 km/h时闭合BLB(母线接触器)，以防止不同供电区段通过车辆桥接引起供电跳闸保护[5]。洗车模式下车辆的限定速度约为3 km/h,未达到闭合BLB条件。车辆段内属于同一个供电所供电，网压基本一致，即使不同第三轨区段通过车辆桥接时也不会有太大电流冲击。因此，在洗车模式下可闭合BLB，即使只有1台集电靴受流，所有逆变器也可得电工作。洗车模式下电机输出功率较小，长时间只有一只集电靴搭接，也不会烧坏熔断器。

洗车模式下，应输出连续平滑的牵引力，牵引特性可按照图7所示给定。车辆运行速度在1.5 km/h以下时，输出恒定牵引力；车辆运行速度在1.5～3.5 km/h时，不响应牵引级位，线性降低牵引力。车辆运行速度在3 km/h左右时，行车阻力与车辆牵引力平衡，车辆可以3 km/h左右速度匀速前行。由此可见，洗车模式控制方式简单可靠，整车牵引力平滑。

图7 洗车模式下的牵引特性图

4 试验验证

在青岛地铁11号线上对本文提出的方法进行试验验证。该线路仅在车辆段存在较短的无电区，采用检测到无电区后即封锁变流器的方式维持电压。现场试验波形图如图8所示。

图8 过无电区试验波形

在进入无电区前网压约为DC 1 630 V。识别到无电区后立刻封锁变流器，将电压维持在DC1 400 V左右。再次进入有电区后，由于受滤波电抗器对冲击电流限制，最大冲击电流约为320 A，FC最高电压为1 725 V，均在可接受范围之内。

青岛地铁11号线车辆具有蓄电池自牵引功能，在检修线采用蓄电池自牵引方式进行移车，试验波形如图9所示。

图9 蓄电池自牵引试验波形

蓄电池自牵引模式下，车辆运行速度小于等于1.5 km/h时，输出牵引力为恒定值；车辆运行速度大于1.5 km/h时，牵引力随速度值反比例下降，同时进行5 km/h限速控制。车辆加速过程中电机电流平滑，输出牵引力平稳，最后以5 km/h恒速前行。

青岛地铁11号线洗车库只在进出库端有第三轨，库内未架设第三轨。因此，在洗车模式下闭合BLB，车辆进库时主要依靠尾车上的集电靴取电，出库时靠头车上的集电靴取电，整个洗车过程中所有牵引逆变器均正常得电工作。洗车模式下试验波形如图10所示。

图10 洗车模式下的试验波形

洗车模式下，车辆运行速度加速到3 km/h左右后，车辆加速度趋于0，证明车辆输出总牵引力平稳。车辆运行速度在±0.5 km/h以内波动，满足3 km/h恒速控制要求。

5 结语

目前应用第三轨的地铁线路逐渐增多，在进行车辆及牵引系统设计联络时，应充分了解线路条件及用户需求，根据实际情况设计主电路及箱体。在地面试验阶段，应模拟线路遇到的各种工况，完善相关功能，提前做好充分准备，避免在装车试验和初期运营阶段遇到问题后反复调试。

本文以牵引系统为对象，对第三轨受流下无电区检测及控制方法、检修线可采用的几种受流方式、洗车模式控制进行了详细对比分析。并以青岛地铁11号线为应用案例进行了相关试验验证。