陈炳培
摘 要：随着我国城市轨道交通建设的快速发展，国内轨道交通主要采用电气再生制动方式。电气再生制动是城市轨道列车运行中的一个关键、重要的技术，关系到列车能否安全、准确、稳定地进站、停车。目前，在国内各大城市的地铁列车均采用电气再生制动方式（简称制动技术），在牵引变电所内设置有一套制动能量消耗装置，文章重点介绍了制动能耗装置的工作原理和保护设置，针对在实际运用中出现的一些问题进行分析、总结，并提出合理化建议。
关键词：再生制动能耗；IGBT；温度保护
中图分类号：F570.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）18-0180-03
Abstract： With the rapid development of urban rail transit construction in China， the electric regenerative braking mode is mainly used in the domestic rail transit. Electrical regenerative braking is a key and important technology in the operation of urban rail train， which relates to whether the train can enter and stop safely， accurately and stably. At present， the subway trains in major cities in China adopt the electric regenerative braking mode （abbreviated as braking technology）， and a set of braking energy consumption devices are installed in the traction substations. This paper mainly introduces the working principle and protection setting of brake energy consumption device， analyzes and summarizes some problems in practical application， and puts forward some reasonable suggestions.
Keywords： regenerative braking energy consumption； IGBT； temperature protection
1 再生制动能耗装置简介
至今，在我国城市轨道交通领域中，牵引交流变频变压调速（即VVVF系统）、牵引1500v再生电制动系统是应用得较为广泛的调速技术。广州地铁4、5、6号线采用VVVF系统交流调速系统。再生制动能耗装置属于车辆调速设备的范畴，其功能是作为车辆再生制动时的总吸收装置，为车辆提供再生制动功能，并满足车辆各种性能试验。
广州地铁4、5、6号线吸收装置采用恒压电阻整定吸收装置，即利用斩波器设置4会支路配合电阻吸收，根据列车再生制动时1500v电压的抬升状态，吸收装置内的控制元件调节斩波器的导通时间，从而在短时间内改变吸收功率大小，将列车制动产生的线网高电压恒定在某一设定值范围内波动。
在目前国内各大城市应用的电气再生制动或电气再生-电阻吸收制动模式，对于上线列车密度不大的线路，再生电制动功能启动条件不满足、启动比较少，电制动方式得不到充分发挥，导致气制动投入频繁，造成列车刹车系统的闸瓦磨耗较快，使得洞内或沿线闸瓦灰尘较多，严重污染环境，而且也刹车摩擦造成热能的增加，地铁隧道内温度较高，影响隧道的使用寿命。而牵引变电所的再生制动能量消耗装置是装设在牵引变电所的集中吸收设备装置，使列车再生能量消耗在地面空间，大大降低工程建设费用及运营费用。其工作原理如图1所示。
当处于再生制动状况的列车回馈出去的电流不能完全被其他车辆和本车的用电设备所吸收时，能量消耗装置立即投入工作，吸收掉多余的回馈电流，使车辆再生电流持续稳定，最大限度的发挥电制动功能。
2 再生制动能耗装置的原理及组成
1500v制动能耗消耗装置组成含控制柜（隔离开关柜、斩波器柜）和电阻柜：
（1）隔离开关柜：由电动隔离开关（QS），线路接触器
（KM1），预充接触器（KM2），滤波电容，滤波电抗，电流、电压传感器，避雷器等构成。
（2）1500v斩波器柜：由1500vIGBT四回斩波器（VT1～VT4）支路，1500v四回续流二极管（VD1～VD4）支路，微机控制系统，上位机，支路快速熔断器、支路故障隔离开关（QS1-QS4）、温度传感器及避雷器等构成。
（3）吸收电阻柜：吸收电阻（RZ1～RZ4）。
工作原理介绍：
远程或当地操作合上电动隔离开关QS和直流1500v断路器219，能消装置在收到直流断路器219合闸信号后，1500v制动能耗装置柜的微机上位机发指令合上预充接触器KM2，给滤波电抗、电容充电至1500v，再发指令合上主回路接触器（KM1）。此时，1500v制动能耗装置进入稳定工作状态：微机下位机不断根据传感器检测线网1500v电压的抬升变化，结合33kV电压波动和整定的吸收电压值，判断列车是否处于再生制动状态并需要吸收能量时，启动斩波器立即导通投入吸收工作。当车辆制动级数较低，电压低时，即回馈电流较小时，微机通过自动调节斩波器导通比和时间，使斩波器处于低开通或不导通状态。随着制动级数增加，微机控制系统经过判断，快速调节斩波器导通比的大小，达到导通开和关的目的，等待车辆再次再生的出现，如此循环，实时控制，以维持1500v电网电压维持在一定的范围内，确保列车能充分有效的实施电制动。
图3是典型的运行中牵引-制动波形图，我们可以清晰地看到列车在运行时电网电压、装置电压、电网电流、吸收电流的变化曲线。电网电流表示牵引电流，而装置的吸收电流大小和时间长短反映了设备正在吸收工作，吸收列车对线网多余的回馈电流，使列车再生电流持续、稳定。
3 设置的保护类型
斩波器柜作为整套设备中的关键部分，起着控制、调节作用，其核心部件IGBT的状态更是决定了设备能否正常运行，因此，大部分保护是针对IGBT设置的。
（1）过电压保护：1500v直流侧出现的过电压包括操作过电压、雷击过电压和来自列车上制动产生的过电压。当1500v系统网压超过设定值时，保护动作，装置退出运行。
（2）IGBT超温保护：在IGBT散热器上设置温度传感器元件，当温度超过保护设定值时，发出IGBT超温故障信号，保护动作，关闭系统，装置退出运行。
（3）电阻柜温度保护：电阻柜空气出口温度设定三档，当温度超过150℃时，吸收功率自动降低到最大设定功率的2/3；当温度超过170℃时，吸收功率自动降低到最大设定功率的1/2；当温度超过200℃时，斩波器自动关闭。
（4）过流保护：IGBT斩波器为四相不重，针对四个IGBT支路，定义了每个支路的IGBT能承受1000A的过流。
（5）熔断器熔断保护：也是为保护斩波器设计，当一个支路的熔断器熔断时，系统报警，该支路退出运行；当两个支路的熔断器熔断时，系统跳闸，能耗装置退出运行。
（6）1500v回路短路保护：1500v短路保护在主回路上分为1500v斩波器前路径的短路保护和1500v斩波器后路径的短路保护。当短路点发生在斩波器后一级，设备首先关断斩波器，发出相应支路短路保护信号；短路点发生在斩波器前一级（含斩波器本身），快速断路器动作。当装置出现1500v过流、短路、接地故障时，微机迅速向所内的1500v直流断路器发出故障跳闸信号。
另外，作为对IGBT元件的保护，IGBT的控制回路还增加了RCD型缓冲吸收回路。
4 运行中的问题分析
广州地铁4、5、6号线采用的牵引所再生制动能量消耗装置，在国内尚属新兴技术，此前应用范例并不很多，再加上广州地铁4、5、6号线采用的是国内很少见的DC1500V三轨供电及线性电机车辆技术，从这几年的运行经验来看，还存在一些问题，下面就介绍运行中出现的一些问题，并对其原因进行简要分析：
自4、5、6号线开通后，HXXS9型制动能耗装置发生过几次严重的短路，并都伴随有IGBT被击穿炸裂的情况发生。
（1）发生在4号线万胜围牵引变电所，斩波柜吸收支路1和支路2的IGBT被炸裂，但支路快速熔断器没有及时动作，而是由上一级直流快速断路器的大电流脱扣保护动作来切除故障，短路电流上升到4000A。另外，经检查发现有主回路有对外壳放电现象，因为HXXS9型制动能耗装置外壳对地为非绝缘安装，在短路过程中有正极对地短路发生，从变电所钢轨电位限制装置的动作也证实了这一点。
（2）较严重的短路事故发生在4号线新造牵引降压混合变电所，此次故障支路3和支路4 IGBT被炸裂。与万胜围变电所不同的是，支路3和支路4快速熔断器及时切除了故障，并联跳上一级直流快速断路器，但支路3和支路4的短路电流也分别超过了540A ；经检查发现同样伴有对地短路现象。
（3）发生在5号线车陂南牵引变电所，斩波柜吸收支路1的IGBT被炸裂，但支路快速熔断器没有及时动作，而是由上一级直流快速断路器的大电流脱扣保护动作来切除故障，短路电流上升到4250A。
（4）发生在5号线 口牵混所， 斩波柜吸收支路2的IGBT已击穿，导致制动能耗装置跳闸。其故障电流达到了3000A，制动能耗装置吸收电流检测量程为3000A，其实际最大电流大于3000A，而219开关大电流脱扣保护动作定值为4000A，所以导致了制动能耗装作内部保护动作的同时，219开关大电流保护动作。
（5）发生在6号线北京路牵混所，斩波柜吸收支路3和支路4的IGBT被炸裂，但支路快速熔断器没有及时动作，而是由上一级直流快速断路器的大电流脱扣保护动作来切除故障，短路电流上升到4000A。
通过对现象的分析判断，可能性较大的原因有：
IGBT在关断的过程中，由于线路电感的原因产生了较大的关断过电压，将IGBT击穿。击穿的过程中，由于IGBT的炸裂碎片和电弧的作用导致主回路对地短路。分析IGBT的关断过电压就要分析IGBT的特性，包括IGBT的导通特性和IGBT的关断特性。
IGBT 是电压控制型元器件，它的开通和关断由栅极和发射极之间的电压差UGE决定的，当UGE正电压且大于开启电压UGE（th）时，内部MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。IGBT关断过程是由IGBT的通态到阻态的过程，存在关断的过电压同电网电压叠加后施加到IGBT集射两极后，其值超过IGBT 的最大允许过电压Vces将IGBT击穿的可能。
广州地铁4、5、6号线在运行初期存在电网电压较高的现象，直流母线电压经常上到1700V左右，并且由于采用线性电机技术，造成线路电感的增加。针对几次故障都是保护启动了，但是IGBT元件仍然损坏。问题分析：IGBT工作在较高的工作频率下，所以IGBT只能承受很短时的短路电流。因此，对IGBT一般采用装置内部故障自我保护，当微机判断可能出现危机IGBT时，如吸收时间过长的温度保护，就发相应的跳闸信号给219开关分闸，实现自我保护。
5 在实际运用中可以改进的方法如下
（1）通过控制IGBT关断时间来抑制关断过压。
（2）针对制动能耗装置外壳对地非绝缘安装的问题，目前说法不一，主要是制动能耗装置的定位问题，是否将制动能耗装置看为馈线柜。如果将其看作馈线柜就须绝缘安装，如果不是就不必绝缘安装。绝缘安装可以解决正极对地短路的问题，但是绝缘安装如果发生正极对地短路现象，则由直流系统的框架保护动作，将会扩大停电范围。
我们认为，制动能耗装置柜内一次元件已经全部采用双重绝缘安装，带电体与外壳发生电流泄漏的概率非常小。制动电阻支路均串接于IGBT后方，当电阻回路发生低于装置整定电压下的电流时，装置将闭锁IGBT并报警。IGBT控制回路对故障电流的限制能力非常灵敏且迅速，动作时间比直流断路器快得多。如果IGBT前发生带电体与外壳间电流泄漏，由对应的直流开关柜判断故障并切除。短路电流幅值较大时直流断路器动作，短路电流幅值较小时，OVPD闭合后直流断路器动作，均能可靠切除故障设备。
若设置框架保护，则必须单独为制动能耗装置设置一套，否则发生泄漏时故障范围将扩大到直流开关柜设备。显然，在泄漏概率极低的条件下，设置这样一套单独的框架保护是没必要的，不但增加维护量、资金投入，也增加各种保护之间的配合难度。
综上所述，制动能耗装置发生直流泄漏的概率是极低的，采用非绝缘安装方式完全适合，即使发生泄漏，也不会对值班员或操作人员的人身安全构成威胁，不必设置框架保护。
6 结束语
至今，牵引变电所再生制动能量消耗装置作为新技术的应用，不可避免的存在一些问题，相信随着时间的推移，在厂家与用户的努力下，所有问题都会慢慢得到妥善解决。
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