地铁列车弓网离线暂态过程仿真研究_张冬冬.pdf

文章编号：1009 444X（2022）04 0405 05地铁列车弓网离线暂态过程仿真研究张冬冬，李小波，张浩，张程（上海工程技术大学 城市轨道交通学院,上海 201620）摘要：弓网离线对地铁安全运行带来不利影响.首先建立弓网离线牵引系统仿真模型，然后对不同时长的离线状况进行仿真，通过对离线期间牵引逆变电路的直流侧电压、IGBT 电压以及电机转子电流的暂态过程进行分析，获取不同离线时长对列车牵引过程电气特性的差异化影响.研究结果对牵引系统故障诊断和维修策略制定有较好的理论指导作用.关键词：地铁列车；牵引系统；弓网离线；暂态过程；仿真建模中图分类号：U225 文献标志码：ASimulation research on transient process of subway trainpantograph-catenary offlineZHANGDongdong，LIXiaobo，ZHANGHao，ZHANGCheng（Shool of Urban Railway Transportation,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China）Abstract：The pantograph-catenary offline has many adverse effects on the safe operation of the subway.Firstly,the simulation model of pantograph-catenary offline traction system was established,and then theoffline conditions of different durations were simulated.By analyzing the transient process of the DC sidevoltage,IGBT voltage and motor rotor current of the traction inverter circuit during the offline period,thedifferential effects of different offline time lengths on the electrical characteristics of the train traction processwere obtained.The results have a good theoretical guiding role for the fault diagnosis of the traction systemand the formulation of maintenance strategies.Key words：subway train；traction system；pantograph-catenary offline；transient process；simulationmodeling 受电弓与接触网之间的滑动电接触是地铁列车受流的主要方式之一.正常情况下，弓网之间可靠接触，受流稳定.但实际运行中，由于列车车体的振动、接触导线上存在硬点、轨道不平顺等原因，弓网之间经常发生离线现象.弓网离线产生的电弧会烧蚀受电弓滑板，损坏牵引系统设备，造成牵引系统过电压，影响地铁列车正常运行.例如，2015 年 3 月上海地铁 2 号线弓网离线引起的供电故障，导致区段停驶 5 小时，并导致其他区段列车限速运行.因此，对弓网离线现象进行深入研究，有利于保障轨道交通安全运行，推动城市轨道交通建设事业的发展.目前已有不少学者进行弓网离线暂态过程方面的研究.吴积钦1建立电气化铁路弓网离线动态电接触模型，研究列车运行中 收稿日期：2022 05 06作者简介：张冬冬（1996 ），男，在读硕士，研究方向为地铁列车弓网滑动电接触.E-mail:通信作者：李小波（1974 ），女，副教授，博士，研究方向为轨道车辆电气系统状态监测与寿命评估.E-mail: 第 36 卷 第 4 期上 海 工 程 技 术 大 学 学 报Vol.36 No.42022 年 12 月JOURNAL OF SHANGHAI UNIVERSITY OF ENGINEERING SCIENCEDec.2022弓网暂态过电压的影响因素以及抑制措施；高国强2通过仿真分析弓网离线时的暂态过电压与谐波，以及对牵引变流器直流侧的影响，表明车速越高对离线时间的限制越严格；魏文斌等3 4建立电气化铁路的牵引传动系统模型，指出离线时间越长，离线对牵引系统电压影响越大，甚至威胁到电气安全；李宇星5对经典 Mayr电弧进行改进，使之适用于弓网燃弧过程的动车组过电压仿真模型，仿真分析电弧燃弧和运行速度对车体过电压的影响；宋小翠等6采用空间状态分析法对弓网燃弧电磁暂态进行研究，分析高速列车运行和过分相的受电弓电压变化，利用建立的动车组牵引网模型仿真分析实际运行中的弓网离线电磁暂态现象7.总体来看，针对弓网离线的研究主要集中于交流电气化铁路，而地铁的供电方式为直流，运行工况与电气化铁路存在巨大差异，已有的电气化铁路弓网离线研究成果不能完全适用于地铁弓网离线.因此，本研究基于城市轨道车辆受电弓接触网受流性能模拟试验台，模拟地铁列车运行工况，建立地铁列车牵引系统仿真模型，研究弓网离线暂态过程对地铁列车牵引传动系统的影响.1 弓网离线仿真模型建立为研究问题方便，将牵引系统主电路运行过程简化，采用电路如图 1 所示.假设在 t=t0时刻发生离线，t0时刻之前开关处于闭合状态，模拟地铁列车弓网之间正常接触，接触电阻 R 采用试验台数据计算求取；在 t0时刻开关断开，模拟弓网之间发生离线.图中，用电阻 Rarc 表示电弧的作用，并非一个真实的电阻.UsT=t0RarcCMIT6IT2IT3IT4IT5IT1LR图 1 牵引系统弓网离线等效电路Fig.1 Off-line equivalent circuit of pantograph-catenary oftraction system 1.1 电弧模型本研究的问题主要是利用电弧的外部特性，因而无须关注其内部发生的复杂变化，故选择电弧的黑盒模型对弓网离线电弧进行暂态研究.目前，典 型 的 电 弧 黑 盒 模 型 有 Cassie 模 型、Mayr模型、Habedank 模型、Schwarz 模型等，地铁列车的供电电压较低、电流较高，而 Cassie 电弧模型特点适合描述大电流情形，因此本研究选择适合的Cassie 电弧对地铁离线电弧进行模拟.Cassie 电弧模型内部结构如图 2 所示.在微分方程编辑模块（DEE）输入电弧模型的微分方程可得到 Cassie电弧模型，建模时将其封装，用图 1 中 Rarc 表示.DEECassie arcmodel1+Svu+2图 2 电弧模型内部结构Fig.2 Internal structure of arc model 1.2 牵引系统弓网离线暂态过程建模在 Matlab/Simulink 平台建立整个牵引系统的仿真模型，如图 3 所示.牵引系统采用 6 个绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）构成二电平电压型逆变器，直流 1 500 V 电压输入给逆变器，调节逆变器脉冲宽度和开关频率，输出三相电压和频率可控的交流电到牵引电机.电路参数与实车基本保持一致，直流进线端电感 和 电 容 值 参 考 阿 尔 斯 通 车 型 参 数，电 感 L=2.5 mH，电容 C=6 mF.牵引电机参数见表 1.2 牵引系统弓网离线暂态过程仿真地铁车辆发生离线时，存在几种不同情形：离线时间较短，离线过程中电弧始终存在；离线时间较长，但整个离线期间电弧依然能维持、不熄灭；离线时间更长，离线后期由于耗散功率增加，电弧不能维持，产生熄弧现象.目前国际上依据离线时长 将 弓 网 离 线 分 为 3 种：离 线 时 长 小 于 10 ms为小离线，10100 ms 为中离线，大于 100 ms 为大离线.为探究各不同情形下弓网离线对地铁列车牵引系统造成的影响，分别设置离线时长为 8、80 和 200 ms，研究不同时间尺度下牵引系统各部分电气特性.406 上 海 工 程 技 术 大 学 学 报第 36 卷Discrete5e06 s.arcPulsesggEC12g121gEC3gEC5gEC4gEC6gEC210TmmrpmKABC+图 3 牵引系统弓网离线暂态过程仿真模型Fig.3 Simulation model of transient process of traction system pantograph-catenary offline 表 1 模型中牵引电机参数Table 1 Traction motor parameters in model 参数额定功率/kW额定电压/V额定电流/A额定转速/(rmin1)最高转速/(rmin1)额定频率/Hz功率因数电路连接形式参数值1901 0501321 8003 642600.85Y 2.1 离线时直流侧电压分析图 4 为不同离线时长下牵引系统直流侧电压随时间变化的仿真波形.弓网之间接触良好时，直流侧电压稳定在 1 500 V.当离线时间为 8 ms 时，由于离线时间很短，且电路中存在电感和电容元件，直流侧电压在整个离线期间没有出现明显变化，可以忽略离线影响.当离线时间为 80 ms 时，电弧在整个离线期间持续燃烧，弓网间接触电阻不断增大，直流侧电压下降.80 ms 后，弓网恢复良好接触，电压恢复至 1 500 V.恢复初期由于电弧作用，直流侧电压畸变产生过电压.当离线时间为200 ms 时，直流侧电压变化趋势与离线 80 ms 相似，但离线时间越长，恢复接触时过电压值就越大.离线过程中若发生电弧熄灭，负载端将无法从接触网获取电流，列车通过储能元件支撑电容维持运行，此时等效电路如图 5 所示.直流链接电容将为后续电路供电，随着电容放电过程的进行，电容电压下降至低于设定值时，逆变器将发生锁闭，退出正式运营.2.2 离线时 IGBT 端电压分析对 IGBT 来说，频繁的过电压及较大的电压变化率会加剧温升，降低器件的可靠性，甚至会引起烧毁.图 6 为不同离线时长下 IGBT 电压随时间变化的仿真波形.从图中可以看出，不同离线时长下，IGBT 两端电压有较大差别.当离线时间延长，弓网恢复接触时 IGBT 两端的过电压变大.地 铁 列 车 广 泛 应 用 英 飞 凌 FD800R33KF2C型 IGBT 模块，部分技术参数见表 2.图 7 为其反向 1 5151 5101 505电压/V电压/V1 5001 4951 4901 5201 5101 5001 4901 480电压/V1 5501 5001 4501 400Offset=05.805.906.006.106.206.30时间/s(a)弓网离线时间为 8 msOffset=05.805.905.956.006.156.105.856.056.20时间/s(b)弓网离线时间为 80 msOffset=05.805.906.006.106.306.20时间/s(c)弓网离线时间为 200 ms图 4 不同弓网离线时长的直流侧电压Fig.4 DC side voltage of different offline lengths ofpantograph-catenary第 4 期张冬冬 等：地铁列车弓网离线暂态过程仿真研究 407 偏置安全工作区.du/dtdu/dt计算仿真离线期间 IGBT 的电压变化率，并与参数手册计算值对比分析.由图 6 仿真结果可得，离线 80 和 200 ms 时电压变化率最大值分别为2 500 和 7 000 V/s.根据参数手册给出的参数，计算 IG