陳智敏

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東廣州510000）

0 引言

城市軌道交通直流牽引供電整流機(jī)組中，每個(gè)整流橋臂采用兩個(gè)或兩個(gè)以上的二極管并聯(lián)，并聯(lián)數(shù)量與整理器容量正相關(guān)，每個(gè)二極管串聯(lián)一個(gè)快速熔斷器。當(dāng)二極管失去反向截止能力，即造成整理器交流進(jìn)線相間短路，我們稱之為整流器內(nèi)部短路。針對(duì)上述內(nèi)部短路故障，整流器設(shè)備一般設(shè)置快速熔斷器和逆流保護(hù)，同時(shí)高壓側(cè)整流機(jī)組開(kāi)關(guān)亦設(shè)置相關(guān)電量保護(hù)作為其后備保護(hù)。由于實(shí)際應(yīng)用中逆流保護(hù)的誤動(dòng)作故障率較高，下面我們探討整流器逆流保護(hù)設(shè)置的必要性。

1 整流器內(nèi)部短路電流的產(chǎn)生與計(jì)算

1.1 相間短路電流

如圖1所示，當(dāng)1U4橋臂的1Z41二極管擊穿，即該二極管失去反向截止能力，則造成整流器交流側(cè)內(nèi)部相間短路，短路電流流經(jīng)B相→1U6→1Z41（1U4橋臂）→A相，或C相→1U2→1Z41（1U4橋臂）→A相。由于相間短路，在1U4橋臂出現(xiàn)相對(duì)于二極管正向?qū)ǚ较虻哪嫦蚬收想娏鳌?/p>

圖1 整流機(jī)組電氣原理示意圖

1.2 短路電流的計(jì)算分析

以下以廣州地鐵七號(hào)線整流變及整流器參數(shù)為例進(jìn)行計(jì)算。

整流器內(nèi)部短路閥側(cè)故障相瞬態(tài)峰值電流I計(jì)算式為：

式中，I為閥側(cè)故障相瞬態(tài)峰值電流；K1為內(nèi)部短路計(jì)算系數(shù)，取1.6；1.15為穩(wěn)態(tài)短路電流計(jì)算因數(shù)；Id為整流器額定直流電流，取2 000 A；Uk為整流變壓器短路阻抗百分比，低壓側(cè)全短路時(shí)取7.57%，星型短路時(shí)取6.38%，三角形短路時(shí)取6.40%；0.85為考慮電網(wǎng)阻抗等因素的修正系數(shù)。

將以上參數(shù)代入式（1）得：

故全短路時(shí)閥側(cè)故障相的瞬態(tài)電流有效值為：

式中，I1為閥側(cè)故障相瞬態(tài)電流有效值。

同理，星型短路：

三角形短路：

所以，按此算法，閥側(cè)故障相的瞬態(tài)電流有效值最小值出現(xiàn)在低壓側(cè)全短路時(shí)，故障電流為14 611.4 A，但一般情況下只出現(xiàn)星形短路或三角形短路，短路電流為17 282.5～17 336.7 A。

2 快速熔斷器過(guò)流保護(hù)分析

2.1 快速熔斷器作用

每個(gè)二極管支路上都串聯(lián)一只快速熔斷器，整流橋內(nèi)二極管、快速熔斷器組件的并聯(lián)數(shù)量與整流器的容量有關(guān)，串聯(lián)快速熔斷器的作用是分?jǐn)嘁蚨O管擊穿而造成的交流側(cè)短路電流，防止變壓器相間短路；同時(shí)快速熔斷器的選取需考慮躲開(kāi)外部短路電流、整流器的過(guò)負(fù)荷以及單只橋臂熔斷時(shí)其他橋臂的可承受過(guò)載能力等。故快速熔斷器靈敏性、速動(dòng)性、可靠性參數(shù)選擇尤為重要。

2.2 快速熔斷器計(jì)算分析

以下以廣州地鐵七號(hào)線快速熔斷器參數(shù)為例，分析快速熔斷器分?jǐn)喽搪冯娏鞯哪芰ΑＦ咛?hào)線二極管快速熔斷器（1FU41～1FU61）型號(hào)為170M6546，1250V/800A，IR1300-100KA，EATONBUSSMANN。熔斷時(shí)間是指弧前時(shí)間與燃弧時(shí)間之和。

查閱EATON BUSSMANN 1 250 V/800 A的安秒特征曲線圖可知，14 611 A短路電流時(shí)快速熔斷器弧前時(shí)間約為1.5 ms；17 336 A短路電流時(shí)熔斷器弧前時(shí)間約為1 ms；根據(jù)該型號(hào)快速熔斷器焦耳積分公式計(jì)算，在14 611 A短路電流時(shí)燃弧時(shí)間約為6.1 ms，17 336 A短路電流時(shí)燃弧時(shí)間約為4.3 ms。因此，當(dāng)整流變的低壓側(cè)兩相短路電流在14 611～17 336 A之間時(shí)，快速熔斷器將在5.3～7.6 ms內(nèi)熔斷，切斷短路電流。

3 整流器逆流保護(hù)的作用原理

如果整流器橋臂內(nèi)的某個(gè)二極管反向擊穿，則在這個(gè)二極管支路的熔斷器開(kāi)始熔斷的弧前時(shí)間和燃弧時(shí)間內(nèi)，將有逆向的故障電流流經(jīng)這個(gè)橋臂；同理，當(dāng)該支路熔斷器失效，無(wú)法熔斷時(shí)，亦有逆向故障電流流過(guò)橋臂。在整流器的每個(gè)橋臂設(shè)置一個(gè)電流傳感器（圖1中的1SC1～1SC6），用于檢測(cè)此逆向電流，出現(xiàn)逆流時(shí)輸出信號(hào)給PLC，輸出跳閘信號(hào)至33 kV整流牽引開(kāi)關(guān)。以廣州地鐵七號(hào)線為例，當(dāng)電流傳感器檢測(cè)到逆流1 500 A時(shí)，發(fā)送信號(hào)至PLC，延時(shí)8 ms出口跳閘信號(hào)，其原理邏輯圖如圖2所示。

圖2 逆流保護(hù)原理邏輯圖

4 整流變牽引開(kāi)關(guān)過(guò)流保護(hù)分析

33 kV整流變牽引開(kāi)關(guān)設(shè)置電流速斷保護(hù)、定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)等。電流速斷整定原則為動(dòng)作電流應(yīng)能躲過(guò)整流變壓器空載合閘時(shí)的勵(lì)磁涌流；過(guò)電流整定原則為動(dòng)作電流應(yīng)躲過(guò)可能出現(xiàn)的過(guò)負(fù)荷電流，保護(hù)牽引變二次側(cè)短路和直流母線短路。

由上述章節(jié)計(jì)算分析可知，整流變低壓側(cè)發(fā)生相間短路，短路電流為14 611.4～17 336.7 A。結(jié)合七號(hào)線牽引整流機(jī)組整定值進(jìn)行分析：

（1）電流速斷保護(hù)：33 kV保護(hù)定值為544 A、0.1 s，折算二次側(cè)為15 213.6 A。根據(jù)上述分析計(jì)算短路電流，在星型短路或三角形短路一般情況下，短路電流17 282.5～17 336.7 A，電流速斷保護(hù)能準(zhǔn)確可靠動(dòng)作；在全短路極端情況下，電流速斷保護(hù)不動(dòng)作。

（2）定時(shí)限過(guò)電流：保護(hù)定值為196 A、0.3 s，折算二次側(cè)為5 481.4 A，小于上述分析計(jì)算的故障電流，保護(hù)能準(zhǔn)確可靠動(dòng)作，作為整流器內(nèi)部短路快熔保護(hù)的后備保護(hù)。

5 國(guó)標(biāo)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)相關(guān)要求

在GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》、JB/T 9689—1999《牽引變電站用整流器》、CJ/T 370—2011《城市軌道交通直流牽引供電整流機(jī)組技術(shù)條件》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有要求設(shè)置逆流保護(hù)。

廣州地鐵多條線路已撤除整流器逆流保護(hù)；在其他城市，比如長(zhǎng)沙、上海、南京等城市，地鐵項(xiàng)目已不考慮設(shè)置整流器逆流保護(hù)。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析可知，當(dāng)整流器內(nèi)部發(fā)生短路故障時(shí)，與二極管串聯(lián)的快速熔斷器在5.3～7.6 ms內(nèi)迅速熔斷；當(dāng)快熔失效時(shí)，33 kV牽引開(kāi)關(guān)電流速斷保護(hù)一般情況下在0.1 s內(nèi)能準(zhǔn)確可靠跳閘，切斷短路電流，作為快熔保護(hù)的后備保護(hù)；在電流速斷保護(hù)失效時(shí)，過(guò)電流保護(hù)在0.3 s內(nèi)能準(zhǔn)確可靠跳閘，作為快熔保護(hù)及電流速斷保護(hù)的后備保護(hù)。因此，綜合逆流保護(hù)的可靠性、建設(shè)和維護(hù)成本考慮，同時(shí)從整流機(jī)組的供電可靠性出發(fā)，牽引整流器可不再考慮設(shè)置逆流保護(hù)。

[1]城市軌道交通直流牽引供電整流機(jī)組技術(shù)條件：CJ/T 370—2011[S].

[2]高勁，董斌.廣州地鐵1號(hào)線牽引供電整流器的保護(hù)配置[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2003（2）：31-32.

[3]丁光發(fā)，張剛，周華杰.對(duì)整流器不必設(shè)置逆流保護(hù)的探討[J].都市快軌交通，2005，18（1）：74-75.

[4]于松偉，楊興山，韓連祥，等.城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2008.