師 睿 王蓉蓉 章鼎然
(1.北京京港地鐵有限公司,100068,北京; 2.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司管理培訓(xùn)中心,100068,北京;3.北京市軌道交通運(yùn)營(yíng)管理有限公司,100068,北京//第一作者,高級(jí)工程師)
北京地鐵4號(hào)線采用了第三軌供電制式,其直流饋線開關(guān)使用西門子SITRAS DPU系列保護(hù)裝置,設(shè)置了電流速斷、電流增量、電流變化率、過負(fù)荷等保護(hù)。在日常運(yùn)行過程中,曾出現(xiàn)當(dāng)列車通過第三軌斷電區(qū)時(shí),由于充電電流過大引起Delta保護(hù)動(dòng)作的情況,對(duì)運(yùn)營(yíng)帶來一定影響。
本文從電客車內(nèi)部主電路入手,分析了電客車通過第三軌斷電區(qū)時(shí)LC回路的電流動(dòng)態(tài)過程,推導(dǎo)了計(jì)算公式,并在此基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化饋線開關(guān)增量保護(hù)的整定方法。
目前,城市軌道交通電客車基本都采用VVVF(可變頻)型牽引變流器。因此,直流牽引系統(tǒng)負(fù)荷特性即為VVVF型變流器的基本特性。
圖1是典型的VVVF型變流器等效簡(jiǎn)化的主回路接線。電客車通過受電靴或受電弓從第三軌(3rd Rail)或接觸網(wǎng)(OHL)引入直流牽引電源后,經(jīng)過高速斷路器(HSCB)、預(yù)充電回路(包括接觸器S1、S2和限流電阻R),接入直流側(cè)LC(電感電容)濾波回路,之后再進(jìn)入電機(jī)逆變器模塊(MCM)。
圖1 VVVF型牽引逆變器主電路簡(jiǎn)化示意圖
電客車在正常起動(dòng)時(shí),預(yù)充電回路的S1閉合,S2分?jǐn)啵?HSCB合閘后,在R的限流作用下,向MCM直流側(cè)電解電容組C充電,待C兩端電壓達(dá)到額定工作電壓后, S2合閘,短接R;正常情況下,由于MCM預(yù)充電回路的存在,車輛直流側(cè)電解電容充電電流將被限制,不會(huì)造成牽引變電所饋線保護(hù)動(dòng)作跳閘。
當(dāng)電客車通過第三軌斷電區(qū)、并且與電客車相鄰供電區(qū)間第三軌或接觸網(wǎng)對(duì)鋼軌短路等情況時(shí), C的電流將發(fā)生瞬時(shí)變化。由于此過程持續(xù)時(shí)間僅數(shù)十毫秒,小于預(yù)充電回路的動(dòng)作時(shí)間,故充電電流不會(huì)受到限制,并導(dǎo)致牽引所直流饋線保護(hù)動(dòng)作跳閘。
因此,在直流饋線開關(guān)保護(hù)整定時(shí),應(yīng)通過調(diào)整定值參數(shù)或其他措施,避開上述瞬態(tài)過電流,避免繼電保護(hù)誤動(dòng)作。
第三軌供電系統(tǒng)均會(huì)在牽引站站臺(tái)列車尾端的外側(cè)設(shè)置電分段。該電分段距離大于電客車受電靴間距,以隔離不同供電分區(qū)。
當(dāng)列車以惰行工況通過電分段時(shí),由于MCM沒有輸出,其直流側(cè)電容的電壓不會(huì)波動(dòng),但若電客車臨時(shí)在站前停車,之后再以牽引工況通過電分段,則該直流側(cè)電容會(huì)有一個(gè)放電后重新充電的過程。這個(gè)充電過程常常會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)誤動(dòng)作,其過程如圖2所示。
圖2 電客車通過電分段示意圖
在圖2a)中,電客車進(jìn)入電分段,與供電網(wǎng)絡(luò)脫離接觸,如此時(shí)車輛處于牽引狀態(tài),牽引逆變器將持續(xù)工作,“抽”走濾波電容器上存儲(chǔ)的電荷,使濾波電容電壓急劇下降;而當(dāng)電客車行駛至圖2b)位置,受流器重新與第三軌接觸時(shí),由于此時(shí)電客車預(yù)充電回路并不起作用,將產(chǎn)生一個(gè)非常大的電容充電電流,這個(gè)充電過程的等效電路如圖3所示。
圖3 列車觸碰第三軌時(shí)的等值電路
從圖3可知,列車受流器觸碰第三軌的瞬間,其濾波器充電回路是一個(gè)典型的二階零狀態(tài)過程,設(shè)此時(shí)電容電壓下降至UC0,第三軌電壓為US,濾波電感和濾波電容分別為L(zhǎng)和C,充電電流為ich,則該回路的時(shí)域狀態(tài)方程可寫為:
(1)
式中:
t——時(shí)間。
解此二階微分方程得:
(2)
考慮最不利的情況,即濾波電容電壓在充電前為0,則充電電流表達(dá)式變?yōu)椋?/p>
(3)
以4號(hào)線電客車濾波回路的參數(shù)為例,MCM濾波電感L=1.2 mH,直流側(cè)電容C=2×12 mF,取第三軌空載電源電壓US=825 V,代入式(3),計(jì)算可得,該車輛過分段區(qū)時(shí)的充電電流幅值I0=3 689 A,周期T=33.78 ms,電流變化率時(shí)域表達(dá)式為:
di/dt=i′ch=687.5 cos(0.186t)
(5)
其中,t單位取ms。圖4為列車過第三軌電分段致使斷路器跳閘時(shí)采集到的電流波形。其中該波形與式(3)的表達(dá)式非常接近,但由于整流機(jī)組的單向?qū)щ娦?,充電過程不會(huì)出現(xiàn)負(fù)向電流,波形僅為正弦波的正向部分。由此可以基本斷定,列車LC回路的充電電流就是導(dǎo)致牽引所饋線跳閘的原因。
以北京地鐵4號(hào)線為例進(jìn)行分析,牽引直流饋線斷路器di/dt+ΔI保護(hù)參數(shù)的原設(shè)置如表1所示。
表1 直流饋線斷路器保護(hù)整定值原設(shè)置
按照ΔI保護(hù)的動(dòng)作邏輯,當(dāng)電流變化率大于50 kA/ms且持續(xù)5 ms,同時(shí)電流增量大于3 500 A,則ΔI保護(hù)動(dòng)作于跳閘;
由式(3)計(jì)算可得,電流增量由0增至3 500 A的時(shí)間為t3 500=6.717 ms。此時(shí)的電流變化率為di/dt=217.2 kA/s。大于整定值50 kA/s,時(shí)間、幅值、變化率均滿足ΔI保護(hù)動(dòng)作條件,因此電客車通過電分段區(qū)時(shí)產(chǎn)生的充電電流將導(dǎo)致ΔI保護(hù)動(dòng)作。雖然從圖3中可以看出,在斷路器斷開主回路前(約在25 ms左右)充電過程已經(jīng)結(jié)束,回路電流降低到0,但由于跳閘信號(hào)已經(jīng)出口,斷路器仍然會(huì)跳閘。
基于上述分析,ΔI保護(hù)可以通過調(diào)整動(dòng)作時(shí)間、電流變化率或電流增量來避開充電電流。
3.2.1 調(diào)整動(dòng)作時(shí)間
由式(3)計(jì)算可得,充電電流變化率降低至50 kA/s的時(shí)間為:t50=8.45 ms??煽肯禂?shù)按1.2,則應(yīng)將tΔIdelay設(shè)置為1.2×8.45≈10 ms。此時(shí)充電電流變化率將低于di/dtstart,不會(huì)引起ΔI保護(hù)動(dòng)作,但該調(diào)整會(huì)影響直流保護(hù)系統(tǒng)的選擇性。
VVVF型牽引逆變器主電路示意圖如圖5所示,當(dāng)本區(qū)間出現(xiàn)短路故障時(shí),相鄰變電所饋線開關(guān)也將向故障點(diǎn)供給短路電流,此時(shí),ΔI保護(hù)的全分?jǐn)鄷r(shí)間為:
tOFF=tΔI+tCB
(4)
式中:
tCB——保護(hù)回路延時(shí)和斷路器切斷短路電流的時(shí)間總和。
故toff≈35 ms。此時(shí)ΔI保護(hù)的總分閘時(shí)間與di/dt延時(shí)非常接近,有可能引起相鄰車站饋線di/dt保護(hù)動(dòng)作。
圖5 VVVF型牽引逆變器主電路示意圖
鑒于此,在調(diào)整ΔI動(dòng)作時(shí)間延時(shí)后,應(yīng)同步增加di/dt保護(hù)動(dòng)作時(shí)間延時(shí)至40 ms,確保繼電保護(hù)的選擇性。
3.2.2 調(diào)整電流變化率啟動(dòng)值
根據(jù)式(4)可知,若將ΔI保護(hù)變化率啟動(dòng)值調(diào)整至220 kA/s以上,保護(hù)也將在充電電流達(dá)到增量定值之前復(fù)歸.但根據(jù)相關(guān)研究,供電牽引網(wǎng)末端的短路電流上升率約為88.9~121 kA/s[4],因此調(diào)整電流變化率將使ΔI保護(hù)不能識(shí)別牽引網(wǎng)末端的短路故障,影響繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性,不建議調(diào)整。
3.2.3 調(diào)整電流增量
根據(jù)式(7),取可靠系數(shù)為1.2,將ΔI保護(hù)電流增量保護(hù)調(diào)整為ΔItrip=1.2I0≈4 500 A。
此時(shí)ΔI保護(hù)電流增量大于電客車充電電流幅值,不會(huì)引起保護(hù)動(dòng)作跳閘,但此調(diào)整將降低ΔI保護(hù)的靈敏性。
圖6為接觸網(wǎng)末端短路保護(hù)試驗(yàn)波形,短路穩(wěn)態(tài)電流最小值IDl·min=9 000 A,驗(yàn)證保護(hù)靈敏性為:
符合繼電保護(hù)靈敏性要求。
圖6 接觸網(wǎng)末端短路試驗(yàn)電流
綜上所述,對(duì)ΔI保護(hù)的延時(shí)定值或電流增量參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,均可在不影響直流系統(tǒng)繼電保護(hù)功能的前提下,有效避免列車電容充電電流引起的ΔI保護(hù)動(dòng)作跳閘,但考慮到應(yīng)盡量降低對(duì)既有保護(hù)體系的影響程度,調(diào)整電流增量的方案更加合理。
為提升地鐵直流牽引保護(hù)切斷故障的速度,ΔI保護(hù)的設(shè)置非常重要,應(yīng)與車輛專業(yè)充分溝通,獲取直流母線側(cè)LC回路參數(shù)、電客車起動(dòng)電流參數(shù)等,以便精確計(jì)算繼電保護(hù)定值。