黄伟武 何冬冬 钟炳棋
（广州地铁集团有限公司 广东广州 510000）
摘要：近年来广州地铁八号线磨碟沙-中大区间多次发生列车IGBT爆裂，引起变电所DC1500V直流开关Imax/△I保护动作[1]，直流开关跳闸后重合闸成功。针对此故障现象，在故障原因分析过程中，存在牵引网压过高导致列车IGBT爆裂的可能性。为论证该可能性是否真实存在，有必要对牵引网压进行监测分析。
关键词：广州地铁；牵引供电系统；牵引网压；IGBT
1 引言
在地铁供电中，牵引整流机组将AC33kV交流电流整流为比较稳定的直流电流，用以提供车辆以及车载设备用电。地铁供电的安全性和可靠性主要取决于牵引供电系统当中所有设备的运行状态。牵引整流机组则是牵引供电系统中重要的组成部分，包括牵引整流变压器与整流器。对地铁牵引供电系统牵引网压监测分析，首先需了解牵引供电系统中牵引整流机组的工作原理及相关技术参数。通过收集现场牵引网压实测数据，与牵引整流机组技术参数进行对比，判断牵引网压是否符合设计要求，是否满足列车相关元器件参数要求。
2 整流机组概述
在牵引供电系统中，整流变压器将电源从AC33kV降到AC1180V，经整流器转换成DC1500V电源，进而向接触网供电。每座牵引变电所内均有一套整流机组，整流机组由整流变压器和整流器组成。广州地铁八号线大部分牵引变电所的整流机组由4台6脉波三相整流桥组成，其中每两个6脉波三相整流桥并联组成12脉波整流机组。12脉波整流机组其中一个三相整流桥接向整流变压器的二次侧星形绕组,另一个三相整流桥接向整流变压器的二次侧三角形绕组。每台整流变压器二次侧星形绕组和三角形绕组相对应的线电压相位错开π/6，便可以得到两个三相桥并联组成的12脉波整流电路。当供给两台12脉波整流器的整流变压器高压网侧并联的绕组分别采用±7.5°外延三角形联接时，两套整流机组并联运行构成等效24脉波整流。
2.1 整流器主要技术参数
额定功率（单台）: 3000kW 额定交流电压：1180V
额定直流电压：1500V 空载电压：≤1800V
额定直流电流：2000A(3000kW)
电压调整：当直流负荷从0.5%到300%范围内变化时,电压变化为线性，如表1所示。
表1 直流负荷与电压变化关系表
负荷 电压
0.5%Ie 不超过1640V
100%Ie1500V
300%Ie不低于1320V
2.2 整流机组输出电压、电流情况分析
（1）理论计算
整流变各电压档位变比：
第1档：29.36 第2档：28.66
第3档：27.96（额定档） 第4档：27.26
第5档：26.56
由于目前八号线各站电压档均设置在额定档3档，下面以客村整流机组为例进行计算分析：客村整流变使用第3档，额定变比k=27.96，一次侧电压为U1=33kV，根据变比可计算出其二次侧电压：
U2=U1/k=33000/27.96=1180V
八号线整流设备使用的是由4个6脉波整流器柜组成的24脉波整流器。在整流器的交流侧施加U2=1180V的电压，根据24脉波整流电路整流原理及计算公式[2]：
3.2牵引网压实测数据分析
根据以上客村、磨碟沙和中大牵引所网压、电流实测数据对比分析，可得出以下结论：
（1）按照整流器技术参数规定的输出电压DC1000V-1800V标准要求，在空载条件下，各牵引所的网压基本保持在DC1633V-1700V之间，满足GB 50157-2013 《地铁设计规范》15.1.19规定：直流1500V标称电压下，最高短时（5min）持续电压为1950V相关技术规范。
（2）通过表2的统计结果可知，网压超过DC1800V的时间点为2015年8月20日05:47、8月24日23:51、8月25日00:10，该时段内车次较少，是地铁运营的低峰期，接触网无法吸收列车制动的回馈电能，列车再生制动回馈的电能不易被其它列车消耗，但根据列车的特性，当网压超过1800V，列车制动电阻将会启动（启动值为≥1800V），制动电阻消耗掉过剩的电能，因此我们看到最高峰点一般出现在用电低峰，并且超过1800V后即随之下降，此时为制动电阻起效，以保证牵引系统输入电压在设备安全运行允许的范围内。根据运营经验，极少出现列车在该时间段内发生IGBT爆裂故障。
（3）在用电高峰，区间内一般不止一辆列车，并且整个电网（包括外部电源）都处在用电高峰，无论是从输电网络的电压、接触网或其他车辆消耗吸收能力的角度分析，在高峰期网压相对较低，很难达到1800V。
（4）根据5天的各牵混所馈线电流录波数据统计表可得知，当列车取流达到最大值时，对应的网压测量值仍保持在DC1437V-1640V之间，电压变化范围满足整流器“直流负荷与电压变化关系表”要求。
4 列车IGBT参数分析
图11 FZ800R33KF2C
广州地铁二、八号线电客车主要使用的IGBT为英飞凌公司生产的两种型号分部为FZ1200R33KF2C/ FZ800R33KF2C的产品（如上图所示）。
以下是两种型号IGBT的内部主接线图：
从内部电路图上看，FZ800型对比FZ1200型，FZ1200型为三个IGBT回路并联，而FZ800型则比它少了一个回路，因此FZ1200型的额定电流为1200A，FZ800型为800A，通流能力不同，其他工作原理及触控方式基本一致。查看IGBT参数可知，这两种型号的“集电极－发射极电压”最大额定电压值为3300V，因此可知磨碟沙、中大牵引所输出电压满足IGBT的运行要求。
5 列车牵引逆变器参数分析
运营期间受列车及其它因素影响，网压出现高于或低于空载时的网压，根据南车株洲电力机车有限公司的牵引逆变器参数得知，牵引逆变器可承受的最大网压为DC1980V，经过多日测试，查看上文表2可知，各牵引所最高网压均未超过逆变器所能承受的最高网压。
6 结论
通过对广州地铁八号线磨碟沙-中大区间牵引网压现场监测数据分析，可知该区间牵引网压符合牵引供电系统整流机组输出电压标准要求，网压满足GB 50157-2013 《地铁设计规范》中15.1.19规定：直流1500V标称电压下，最高短时持续电压为1950V。对比牵引网压实测数据、IGBT参数以及列车牵引逆变器参数，牵引网压均满足IGBT参数和列车牵引逆变器参数要求。综上所述，可论证广州地铁八号线磨碟沙-中大区间牵引网压正常，列车在该区段发生的IGBT爆裂故障并非纯粹因网压过高引起。
参考文献
[1]张智亮. 地铁变电所和列车高速断路器跳闸匹配性分析[J].科技风.201（10）64-65.
[2]程汉湘，武晓梅. 电力电子技术[M].第二版.北京：科技出版社，2010,84.
论文作者:黄伟武,何冬冬,钟炳棋
论文发表刊物:《电力设备》2016年第8期
论文发表时间:2016/7/20
标签：电压论文; 列车论文; 机组论文; 整流器论文; 供电系统论文; 绕组论文; 逆变器论文; 《电力设备》2016年第8期论文;