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[摘 要]国内轨道交通主要采用再生电制动系统，在列车上设置全功率电阻制动装置，然而这种方式会带来隧道温度不断升高等问题。广州地铁四号线采用的是设置在牵引变电所内的制动能量消耗装置，本文介绍了制动能耗装置的工作原理和保护设置，针对在运行中出现的一些问题，进行了分析，提出改进建议。
[关键词]广州地铁四号线；直流牵引变电站；再生制动能量消耗；IGBT
中图分类号：U260.359 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）42-0039-01
1.再生制动能耗装置概述
在我国城市轨道交通领域中，交流变频变压调速、再生电制动系统是应用得较为广泛的调速技术。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。
广州地铁四号线采用的是恒压吸收装置，即斩波器配合吸收电阻，根据再生制动时电网电压的变化状态，调节斩波器的导通比，从而改变吸收功率，将线网电压恒定在某一设定值范围内。
国内目前应用的再生制动或再生—电阻制动模式，对于车流密度不大的线路，再生电制动功能得不到充分发挥，造成气制动投入频繁，使得洞内或沿线闸瓦灰尘较多，严重污染环境，且造成地铁隧道内温度不断升高。而牵引电站再生制动能量消耗装置是在牵引电站设置集中吸收设备，使车辆再生能量消耗在地面空间。
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.工作原理简介
制动能耗装置主要由控制柜（隔离开关柜、斩波器柜）和电阻柜组成：
2.1 隔离开关柜：由电动隔离开关，线路接触器，预充接触器，滤波电容，滤波电抗，电流、电压传感器，避雷器等构成。
2.2 斩波器柜：由IGBT斩波器，续流二极管，微机控制系统，上位机，支路快速熔断器、支路故障隔离开关、温度传感器及避雷器等构成。
2.3 吸收电阻柜：吸收电阻。
工作原理：
首先，合上电动隔离开关和直流断路器，能消装置在收到直流断路器合闸信号后，微机控制系统首先合上预充接触器，给滤波电容充电，然后合上线路接触器。
此后，微机控制系统自动测定线网空载电压值和吸收电压值，根据各传感器检测信号综合判断线网上是否有列车处于再生电制动状态。一旦确认列车处于再生制动状态并需要吸收能量时，斩波器立即投入工作。微机控制系统进行快速的电流跟踪和恒压控制运算判断，当车辆制动级位较低，即回馈电流较小时，通过调节斩波器导通比，使斩波器处于低开通状态。随着制动级位增加，控制系统经PID实时运算，快速调节斩波器导通比，以维持电网电压的相对恒定，确保列车充分有效电制动。
当电网电压值低于设定的吸收电压值后，关闭斩波器，等待下次车辆的再生吸收。
3.运行中的问题分析
广州地铁四号线采用的牵引电站再生制动能量消耗装置，此前应用范例并不很多，再加上广州地铁四号线采用的是国内很少见的1500V第三轨供电及线性电机车辆技术，从几个月的运行经验来看，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：
从四号线开通至今，HXXS9型制动能耗装置发生过两次严重的短路，并都伴随有IGBT被击穿炸裂的情况发生。
第一次发生在万胜围牵引变电所，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。
第二次较严重的短路事故发生在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550A ；经检查发现同样伴有对地短路相象。
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是电压控制型器件，其开通和关断是由栅极和发射极之间的电压UGE决定的，当UGE为正且大于开启电压UGE（th）时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。
四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。（目前四号线采用的IGBT元件参数：Vces—最大允许过电压3300V；Icmax—集电极最大持续耐受电流1200A；Ic（PK）—集电极峰值耐受电流2400A）
（1）通过控制IGBT关断时间来抑制关断过压。前面的分析已经阐明，IGBT关断过电压由线路电感L和电流变化率di/dt两个因素共同决定。针对目前广州地铁四号线已经开通运行的情况，再通过施工工艺或者加装吸收回路来减少线路电感，不仅工程量大，并且实际操作有诸多困难。所以，建议通过采用软开关技术来抑制IGBT关断过电压。
广州地铁四号线再生制动能耗装置IGBT的控制回路上已经增加了RCD型缓冲吸收回路，但还可以考虑换一种关断缓冲吸收回路，例如将充电型缓冲吸收回路换成放电型缓冲吸收回路。
（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，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柜。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，而且增加了各种保护之间的配合难度。
综上，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。
5.结束语
在开通至今的几个月里，牵引电站再生制动能量消耗装置作为新技术的应用，不可避免的带来这样或者那样的问题，相信随着时间的推移，在各方坚持不懈地努力下，所有问题都会慢慢解决。
参考文献
[1] 《电力电子技术》，王兆、黄俊，机械工业出版社，2002年6月第4版.
[2] IGBT模块驱动及保护技术，蒋怀刚、李乔、何志伟，华南理工大学雅达电源实验.
[3] 电力电子新器件及其应用技术，王志良，国防工业出版社，1999.
[关键词]广州地铁四号线；直流牵引变电站；再生制动能量消耗；IGBT
中图分类号：U260.359 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）42-0039-01
1.再生制动能耗装置概述
在我国城市轨道交通领域中，交流变频变压调速、再生电制动系统是应用得较为广泛的调速技术。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。
广州地铁四号线采用的是恒压吸收装置，即斩波器配合吸收电阻，根据再生制动时电网电压的变化状态，调节斩波器的导通比，从而改变吸收功率，将线网电压恒定在某一设定值范围内。
国内目前应用的再生制动或再生—电阻制动模式，对于车流密度不大的线路，再生电制动功能得不到充分发挥，造成气制动投入频繁，使得洞内或沿线闸瓦灰尘较多，严重污染环境，且造成地铁隧道内温度不断升高。而牵引电站再生制动能量消耗装置是在牵引电站设置集中吸收设备，使车辆再生能量消耗在地面空间。
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.工作原理简介
制动能耗装置主要由控制柜（隔离开关柜、斩波器柜）和电阻柜组成：
2.1 隔离开关柜：由电动隔离开关，线路接触器，预充接触器，滤波电容，滤波电抗，电流、电压传感器，避雷器等构成。
2.2 斩波器柜：由IGBT斩波器，续流二极管，微机控制系统，上位机，支路快速熔断器、支路故障隔离开关、温度传感器及避雷器等构成。
2.3 吸收电阻柜：吸收电阻。
工作原理：
首先，合上电动隔离开关和直流断路器，能消装置在收到直流断路器合闸信号后，微机控制系统首先合上预充接触器，给滤波电容充电，然后合上线路接触器。
此后，微机控制系统自动测定线网空载电压值和吸收电压值，根据各传感器检测信号综合判断线网上是否有列车处于再生电制动状态。一旦确认列车处于再生制动状态并需要吸收能量时，斩波器立即投入工作。微机控制系统进行快速的电流跟踪和恒压控制运算判断，当车辆制动级位较低，即回馈电流较小时，通过调节斩波器导通比，使斩波器处于低开通状态。随着制动级位增加，控制系统经PID实时运算，快速调节斩波器导通比，以维持电网电压的相对恒定，确保列车充分有效电制动。
当电网电压值低于设定的吸收电压值后，关闭斩波器，等待下次车辆的再生吸收。
3.运行中的问题分析
广州地铁四号线采用的牵引电站再生制动能量消耗装置，此前应用范例并不很多，再加上广州地铁四号线采用的是国内很少见的1500V第三轨供电及线性电机车辆技术，从几个月的运行经验来看，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：
从四号线开通至今，HXXS9型制动能耗装置发生过两次严重的短路，并都伴随有IGBT被击穿炸裂的情况发生。
第一次发生在万胜围牵引变电所，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。
第二次较严重的短路事故发生在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550A ；经检查发现同样伴有对地短路相象。
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是电压控制型器件，其开通和关断是由栅极和发射极之间的电压UGE决定的，当UGE为正且大于开启电压UGE（th）时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。
四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。（目前四号线采用的IGBT元件参数：Vces—最大允许过电压3300V；Icmax—集电极最大持续耐受电流1200A；Ic（PK）—集电极峰值耐受电流2400A）
（1）通过控制IGBT关断时间来抑制关断过压。前面的分析已经阐明，IGBT关断过电压由线路电感L和电流变化率di/dt两个因素共同决定。针对目前广州地铁四号线已经开通运行的情况，再通过施工工艺或者加装吸收回路来减少线路电感，不仅工程量大，并且实际操作有诸多困难。所以，建议通过采用软开关技术来抑制IGBT关断过电压。
广州地铁四号线再生制动能耗装置IGBT的控制回路上已经增加了RCD型缓冲吸收回路，但还可以考虑换一种关断缓冲吸收回路，例如将充电型缓冲吸收回路换成放电型缓冲吸收回路。
（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，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柜。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，而且增加了各种保护之间的配合难度。
综上，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。
5.结束语
在开通至今的几个月里，牵引电站再生制动能量消耗装置作为新技术的应用，不可避免的带来这样或者那样的问题，相信随着时间的推移，在各方坚持不懈地努力下，所有问题都会慢慢解决。
参考文献
[1] 《电力电子技术》，王兆、黄俊，机械工业出版社，2002年6月第4版.
[2] IGBT模块驱动及保护技术，蒋怀刚、李乔、何志伟，华南理工大学雅达电源实验.
[3] 电力电子新器件及其应用技术，王志良，国防工业出版社，1999.