王 雄，陳潔蓮，吳雪峰，尹維恒

（株洲中車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司， 湖南 株洲 412001）

0 引言

目前，城市軌道交通（簡(jiǎn)稱(chēng)“城軌”）牽引供電系統(tǒng)主要采用二極管整流機(jī)組模式，其具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但存在能量單向傳輸、輸出特性不可控、線(xiàn)路損耗大、直流網(wǎng)壓波動(dòng)大、再生制動(dòng)能量無(wú)法被有效利用等缺點(diǎn)[1]。雙向變流器允許能量雙向流動(dòng)，可取代牽引供電系統(tǒng)中的二極管整流機(jī)組和再生制動(dòng)能量利用裝置，具有直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定、線(xiàn)路損耗小的特點(diǎn)，已成為未來(lái)城市軌道交通供電技術(shù)發(fā)展方向[2-4]。

針對(duì)城軌牽引供電系統(tǒng)中接觸網(wǎng)側(cè)短路故障，傳統(tǒng)繼電保護(hù)方案是通過(guò)直流饋線(xiàn)柜斷路器進(jìn)行大電流脫扣保護(hù)，就近切除短路故障點(diǎn)，然后進(jìn)行大雙邊供電以確保供電安全[5-6]。單個(gè)直流饋線(xiàn)柜大電流脫扣保護(hù)值通常為8～13 kA；為了保證故障時(shí)饋線(xiàn)柜能被可靠分開(kāi)，雙向變流器需提供27 kA、持續(xù)120 ms的短路電流。由于該短路電流值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)IGBT器件所能承受的極限，雙向變流器為保護(hù)裝置自身安全，選擇跳開(kāi)直流開(kāi)關(guān)柜方式退出供電；然而，因?yàn)榈罔F牽引供電系統(tǒng)通常采用雙邊供電，直流側(cè)具有貫通特性，相當(dāng)于多臺(tái)雙向變流器并聯(lián)，其中、遠(yuǎn)端的短路電流仍會(huì)超過(guò)雙向變流器IGBT器件的電流承受極限，進(jìn)而引起多個(gè)站點(diǎn)雙向變流器的跳閘，使故障保護(hù)失去選擇性?？梢?jiàn)。對(duì)于基于雙向變流器的城軌牽引供電系統(tǒng)，傳統(tǒng)的直流繼電保護(hù)方法是無(wú)效的。

為此，本文提出一種基于晶閘管整流橋的雙向變流器短路保護(hù)方法，其在雙向變流器的IGBT整流橋上并聯(lián)一組或多組晶閘管整流橋，通過(guò)對(duì)晶閘管橋進(jìn)行合理的參數(shù)設(shè)計(jì)、短路電流分布設(shè)計(jì)和控制器的快速驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)直流側(cè)短路故障保護(hù)。在雙向變流器正常工作時(shí)，晶閘管整流橋處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)發(fā)生直流側(cè)短路故障時(shí)，短路電流被快速轉(zhuǎn)移至晶閘管整流橋；由于晶閘管耐沖擊能力（I2t ）強(qiáng)，因此晶閘管整流橋可為近端變電所提供直流饋線(xiàn)柜脫扣電流通路，中、遠(yuǎn)端變電所的短路電流達(dá)不到對(duì)應(yīng)直流饋線(xiàn)柜脫扣電流值，通過(guò)大雙邊供電繼續(xù)為列車(chē)供電，從而保證供電安全。

1 基于雙向變流器的城軌牽引供電系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)工作原理

基于雙向變流器的城軌牽引供電系統(tǒng)（圖1）是將地鐵線(xiàn)路上各個(gè)牽引混合變電所中的24脈波整流機(jī)組和再生制動(dòng)能量利用裝置替換為雙向變流器。通常為了確保供電系統(tǒng)可靠性，一個(gè)牽引混合變電所由兩套雙向變流器并聯(lián)來(lái)承擔(dān)供電和再生制動(dòng)能量利用任務(wù)。雙向變流器直流側(cè)與直流母線(xiàn)相連，并通過(guò)直流母線(xiàn)與直流牽引網(wǎng)相連，正常工況下為雙邊供電模式；交流側(cè)與35 kV環(huán)網(wǎng)相連。

圖1 基于雙向變流器的牽引供電系統(tǒng)拓?fù)銯ig. 1 Topology of the traction power supply system with bi-directional converter

雙向變流器具有牽引整流和回饋逆變兩種功能，如圖2所示。在列車(chē)正常牽引啟動(dòng)及運(yùn)行時(shí)，兩套雙向變流裝置同時(shí)啟用整流功能，將直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定在1 700 V（可調(diào)），并向直流牽引網(wǎng)供電，給車(chē)輛提供牽引電能；在列車(chē)制動(dòng)運(yùn)行（電制動(dòng)）時(shí)，牽引電機(jī)處于再生發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，將列車(chē)的動(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能并回饋到直流牽引網(wǎng)，這些能量一部分被線(xiàn)網(wǎng)中鄰近啟動(dòng)車(chē)輛所吸收，另一部分則經(jīng)雙向變流器逆變后回饋到中壓交流電網(wǎng)中[7]。

圖2 雙向變流器牽引供電/能量回饋系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the traction power supply/energy feedback system with bi-directional converter

1.2 雙向變流裝置電路拓?fù)?/h3>

雙向變流裝置通常由交流開(kāi)關(guān)柜、變壓器柜、雙向變流器柜、直流開(kāi)關(guān)柜和負(fù)極柜組成，整體接線(xiàn)方案與現(xiàn)有二極管整流機(jī)組的相一致。其交流側(cè)通過(guò)35 kV開(kāi)關(guān)柜被接于牽引變電所內(nèi)的35 kV母線(xiàn)段；直流側(cè)正極通過(guò)1 500 V直流開(kāi)關(guān)柜被接于牽引變電所內(nèi)的直流母線(xiàn)段正極，負(fù)極仍保留直流控制柜內(nèi)的隔離開(kāi)關(guān)（QS1），且被接于牽引變電所內(nèi)的直流母線(xiàn)段負(fù)極，具體如圖3所示。

圖3 雙向變流器電路拓?fù)銯ig. 3 Topology of the bidirectional converter circuit

傳統(tǒng)二極管整流機(jī)組牽引供電方式直流側(cè)短路保護(hù)主要依賴(lài)直流進(jìn)線(xiàn)柜和直流饋線(xiàn)柜的保護(hù)設(shè)施。直流進(jìn)線(xiàn)柜保護(hù)包含大電流脫扣保護(hù)和逆流保護(hù)；直流饋線(xiàn)柜保護(hù)包含大電流脫扣保護(hù)、ΔI保護(hù)、di/dt保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)和雙邊聯(lián)跳保護(hù)，各種保護(hù)相互配合，從而實(shí)現(xiàn)牽引網(wǎng)近、中、遠(yuǎn)端短路的全范圍保護(hù)[8-9]。采用雙向變流器后，直流系統(tǒng)保護(hù)配置方案維持與整流方式的保護(hù)配置方案一致。雙向變流器采用PWM變流器，其中IGBT的短路電流承受能力遠(yuǎn)不及整流機(jī)組的平板式二極管的。為了保證短路工況下保證雙向變流器的安全，需要從短路電流的旁路、分流、快速轉(zhuǎn)移控制以及旁通回路與IGBT回路互不干擾等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 雙向變流器直流側(cè)短路保護(hù)方案設(shè)計(jì)

采用雙向變流器后，直流系統(tǒng)的保護(hù)配置方案需維持與整流方式的相同，雙向變流器需耐受27 kA、持續(xù)時(shí)間達(dá)120 ms的短路電流，為此，需要在IGBT模塊上并聯(lián)晶閘管旁通回路（圖4）：雙向變流器正常牽引供電/逆變回饋時(shí)，晶閘管旁通回路不工作；當(dāng)直流側(cè)發(fā)生短路時(shí)，快速觸發(fā)晶閘管旁路導(dǎo)通，使大部分短路電流經(jīng)過(guò)晶閘管旁通回路，IGBT模塊只分擔(dān)小部分短路電流，從而保證IGBT模塊安全。若在120 ms內(nèi)系統(tǒng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)直流電壓和直流電流已恢復(fù)至正常值，則停止晶閘管旁路導(dǎo)通，雙向變流器繼續(xù)正常工作；若持續(xù)120 ms后仍然檢測(cè)到直流電壓和直流電流異常，則雙向變流器跳閘退出工作。

圖4 基于晶閘管旁路的雙向變流器電路拓?fù)銯ig. 4 Circuit topology of the bidirectional converter based on thyristor bypass

2.1 晶閘管整流橋旁路設(shè)計(jì)

假設(shè)所選擇的能饋?zhàn)儔浩鞯娜萘繛?.2 MW，短路阻抗為8%，等效電感L=0.23 mH，交流側(cè)線(xiàn)電壓Uac=900 V，角頻率ω=2πf，其中f為電網(wǎng)頻率，f=50 Hz。在直流側(cè)外部短路時(shí)，忽略線(xiàn)路阻抗，則短路電流峰值為

短路電流平均值為

利用式(1)和式(2)計(jì)算得到短路電流的峰值為11.7 kA，平均值為11.16 kA，則每條支路的耐受電流值必須大于5.85 kA，單個(gè)器件I2t值必須大于410.67×104A2·s。傳統(tǒng) IGBT 器件的I2t值一般為59×104A2·s，無(wú)法滿(mǎn)足耐沖擊能力要求；晶閘管和板式二極管器件的I2t值都能滿(mǎn)足耐沖擊能力要求，但因二極管不受控，會(huì)影響雙向變流器的正常運(yùn)行，因此本文選擇晶閘管作為短路電流旁通回路器件。晶閘管整流橋旁路拓?fù)淙鐖D5所示，在變流器模塊兩端并聯(lián)晶閘管整流橋，實(shí)時(shí)檢測(cè)直流側(cè)電流。當(dāng)電流大于保護(hù)值時(shí)，判斷變流器模塊為直流短路，并觸發(fā)晶閘管使其導(dǎo)通，提供短路電流泄放通路。

圖5 晶閘管整流橋旁路拓?fù)銯ig. 5 Thyristor recti fier bridge bypass topology

在裝置正常工作時(shí)，晶閘管承受反向的陽(yáng)極與陰極間電壓，并且不給晶閘管門(mén)極觸發(fā)脈沖使其始終保持關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)檢測(cè)到直流側(cè)短路時(shí)，晶閘管的陽(yáng)極與陰極間存在正向電壓，同時(shí)給門(mén)極觸發(fā)脈沖使其導(dǎo)通，在撤掉脈沖后由于晶閘管內(nèi)部強(qiáng)烈的正反饋仍然維持導(dǎo)通狀態(tài)，直至直流斷路器分?jǐn)啾Ｗo(hù)，主回路的電壓減小至接近于零，晶閘管關(guān)斷[10-12]。

2.2 短路電流分布設(shè)計(jì)

晶閘管整流橋和IGBT整流橋采用并聯(lián)方式，兩者電壓相等，直流側(cè)短路時(shí)，流經(jīng)各支路的電流大小與該支路的阻抗有關(guān)。IGBT模塊支路和晶閘管旁路支路的阻抗都是由交流側(cè)銅排阻抗、直流側(cè)銅排阻抗和器件阻抗組成。經(jīng)過(guò)計(jì)算，IGBT模塊支路阻抗與晶閘管旁路支路阻抗分布如表1所示。可以看出，75%的短路電流經(jīng)過(guò)晶閘管整流橋到短路點(diǎn)，IGBT整流橋只需承受25%的短路電流。

表1 變流器內(nèi)部等效阻抗Tab.1 Internal equivalent impedance of the converter

2.3 短路電流計(jì)算

以直流側(cè)電壓為1 500 V、額定容量S為2.2 MW、交流側(cè)電壓為900 V的雙向變流器供電系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析直流側(cè)短路時(shí)系統(tǒng)的安全性，其變壓器、接觸網(wǎng)和鋼軌的參數(shù)如表2所示。

近端短路通常是指離牽引變電所100 m以?xún)?nèi)發(fā)生的接觸網(wǎng)短路故障，為了方便計(jì)算，本研究中短路點(diǎn)定位于距離牽引變電所100 m處。從表2可知，此時(shí)接觸網(wǎng)阻抗為1.837 mΩ，鋼軌阻抗為3.5 mΩ，短路點(diǎn)等效短路電弧電阻為4 mΩ。

表2 雙向變流器供電系統(tǒng)的變壓器、接觸網(wǎng)和鋼軌參數(shù)Tab. 2 Parameters of the transformer, catenary and rail in bidirectional converter power supply system

在直流側(cè)短路時(shí)，考慮變流器內(nèi)部阻抗分布，其短路簡(jiǎn)化模型如圖6所示。圖中，R0為短路點(diǎn)等效短路電弧電阻，4 mΩ；XT為變壓器等效阻抗，58.9 mΩ；Z直流電纜為直流電纜阻抗(接觸網(wǎng)阻抗和鋼軌阻抗之和)，5.337 mΩ；ZIGBT為IGBT模塊支路總阻抗，0.598 2 mΩ；Z旁路為晶閘管旁路總阻抗，0.199 7 mΩ；I總為穩(wěn)態(tài)短路總電流。

圖6 直流側(cè)短路時(shí)線(xiàn)路阻抗模型Fig. 6 Line impedance model when the DC-side circuit is short

以短路電流最大的近端短路為例計(jì)算流經(jīng)變流器的電流，其值主要由變壓器的等效阻抗值、線(xiàn)路阻抗和變壓器二次側(cè)電壓決定。

單重穩(wěn)態(tài)短路電流為

將圖6中相關(guān)參數(shù)代入式(3)，得I總=8 089 A。由于雙向變流器采用兩重設(shè)計(jì)，因此總的穩(wěn)態(tài)短路電流為16 178 A。

2.4 短路旁路與IGBT回路互不干擾設(shè)計(jì)

晶閘管整流橋與IGBT整流橋直接并聯(lián)，IGBT正常工作時(shí)產(chǎn)生的電壓變化率dv/dt對(duì)晶閘管的影響是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，dv/dt值過(guò)大，容易導(dǎo)致晶閘管擊穿[12-13]。采用圖7所示測(cè)試主電路對(duì)晶閘管保護(hù)方案中的IGBT由開(kāi)通到關(guān)斷瞬間其反并聯(lián)二極管的dv/dt值進(jìn)行測(cè)試，在直流母線(xiàn)正極和變流器交流側(cè)間接入負(fù)載電感L，T1和T4常關(guān)斷，T2常導(dǎo)通，給T3雙脈沖信號(hào)，測(cè)試晶閘管兩端間電壓，得到D1的反向恢復(fù)特性和T3的開(kāi)關(guān)特性，如圖8所示。從圖中可以看出，T3的瞬時(shí)dv/dt值為1 000 V/μs。因此，選擇斷態(tài)電壓臨界上升率dv/dt值大于1 000 V/μs的晶閘管器件，即可滿(mǎn)足短路故障保護(hù)要求。

圖7 測(cè)試主電路Fig. 7 Test circuit

圖8 雙向變流器正常工作時(shí)晶閘管承受的dv/dt值Fig. 8 dv/dt of the thyristor when the bi-directional converter is working normally

2.5 晶閘管旁路快速響應(yīng)設(shè)計(jì)

當(dāng)直流側(cè)發(fā)生短路、直流電流升高至一定值時(shí)，雙向變流器測(cè)控保護(hù)單元會(huì)觸發(fā)晶閘管整流橋旁通回路為短路點(diǎn)提供電流通路，以保護(hù)IGBT的反并聯(lián)二極管不受損壞，觸發(fā)脈沖寬度120 ms。

為了實(shí)現(xiàn)2個(gè)三相整流橋共12只晶閘管的觸發(fā)，晶閘管之間電壓差達(dá)到1 000 V，晶閘管單次最長(zhǎng)工作時(shí)間120 ms。從體積、成本、性能方面考慮，選擇電磁觸發(fā)方式，其觸發(fā)性能可達(dá)到電流上升沿小于2 μs、同步性延遲小于1 μs、峰值電流1 A、頻率20 kHz。

晶閘管整流橋旁路觸發(fā)邏輯如圖9所示。直流短路保護(hù)根據(jù)直流電流設(shè)定值啟動(dòng)保護(hù)，給各晶閘管發(fā)送脈沖并同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)，當(dāng)時(shí)間達(dá)到120 ms時(shí)，封鎖晶閘管脈沖。

圖9 晶閘管整流橋旁路觸發(fā)邏輯圖Fig. 9 Thyristor recti fier bridge bypass trigger logic diagram

按照上述設(shè)計(jì)，對(duì)晶閘管觸發(fā)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量保護(hù)單元檢測(cè)到直流母線(xiàn)短路到給出晶閘管觸發(fā)脈沖的時(shí)間t1，測(cè)試結(jié)果如圖10所示，其中CH1為輸入端電壓，CH4為晶閘管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)測(cè)t1值為 25.53 μs。

圖10 測(cè)控保護(hù)單元響應(yīng)時(shí)間Fig. 10 Response time of the measurement and control protection unit

從晶閘管門(mén)極脈沖信號(hào)給出到晶閘管實(shí)際導(dǎo)通的時(shí)間與門(mén)極脈沖的上升沿和觸發(fā)電流有關(guān)，本文所采用的電磁觸發(fā)方案脈沖上升沿時(shí)間t2約為2 μs（所有晶閘管t2均按2 μs考慮），觸發(fā)電流峰值為1 A左右。

因此，從直流母線(xiàn)短路到晶閘管旁路開(kāi)通的時(shí)間（t1+t2）大概為 27.53 μs，即在 27.53 μs左右可實(shí)現(xiàn)短路電流的轉(zhuǎn)移。

3 仿真驗(yàn)證

在Matlab上搭建基于晶閘管旁路保護(hù)方案的接觸網(wǎng)短路模型，以驗(yàn)證晶閘管旁路保護(hù)的有效性，如圖11所示。圖中，IGBT模塊和晶閘管模塊支路阻抗參數(shù)參照表1，變壓器、接觸網(wǎng)和鋼軌的參數(shù)參照表2，系統(tǒng)參數(shù)參照表3，短路位置均設(shè)置為距離牽引變電所100 m的近端處。

圖11 晶閘管旁路保護(hù)仿真模型Fig. 11 Simulation model of the thyristor bypass protection

表3 仿真模型參數(shù)Tab. 3 Simulation model parameters

在晶閘管旁路保護(hù)系統(tǒng)仿真模型中，假設(shè)在0.1 s時(shí)發(fā)生短路故障，故障持續(xù)時(shí)間120 ms，測(cè)試通過(guò)旁路晶閘管、IGBT反并聯(lián)二極管的直流電流如圖12所示，交流側(cè)短路電流如圖13所示。

圖12 直流側(cè)短路電流Fig. 12 DC-side short-circuit currents

圖12表明，當(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，由于電容器放電和晶閘管的導(dǎo)通延時(shí)，通過(guò)旁路晶閘管的瞬時(shí)直流短路電流峰值為8 000 A，穩(wěn)態(tài)直流短路電流峰值為7 000 A；通過(guò)反并聯(lián)二極管的瞬時(shí)直流短路電流峰值為9 600 A，穩(wěn)態(tài)直流短路電流峰值為2 000 A；IGBT承受的短路電流占比為22.2%，與理論計(jì)算值25%基本一致。

圖13表明，直流短路時(shí)，旁路晶閘管交流側(cè)進(jìn)線(xiàn)穩(wěn)態(tài)電流峰值為7 500 A，反并聯(lián)二極管的交流側(cè)進(jìn)線(xiàn)穩(wěn)態(tài)電流峰值為1 000 A。所選用IGBT的額定電流為1 400 A，并且采用雙管并聯(lián)方式，因而短路電流在器件安全范圍內(nèi)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖13 交流側(cè)短路電流Fig. 13 AC-side short-circuit currents

4 試驗(yàn)測(cè)試與分析

實(shí)物試驗(yàn)拓?fù)淙鐖D14所示，短接直流控制柜直流進(jìn)線(xiàn)端，從交流開(kāi)關(guān)柜一端給定一個(gè)交流電源，分別測(cè)試在該情況下雙向變流器單重交流側(cè)（1號(hào)點(diǎn)）總電流、晶閘管交流回路（2號(hào)點(diǎn)）電流、IGBT交流回路（3號(hào)點(diǎn)）電流和直流側(cè)（4號(hào)點(diǎn)）短路電流。

圖14 試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig. 14 Schematic diagram of the test system

在交流側(cè)給定一個(gè)726 V的交流電壓，持續(xù)時(shí)間為146 ms。測(cè)試圖14中的1～4號(hào)點(diǎn)位波形（圖15），其中1號(hào)點(diǎn)位電流I1為10.03 kA，2號(hào)點(diǎn)位電流I2為8.906 kA，3號(hào)點(diǎn)位電流I3為1.049 kA，4號(hào)點(diǎn)位電流I4為27.11 kA。

圖15 短路試驗(yàn)各支路電流值及晶閘管導(dǎo)通時(shí)間Fig. 15 Current values of each branch in the short-circuit test and conduction time of the thyristor

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，雙向變流器旁路可承受27.11 kA、持續(xù)146 ms的短路電流，從檢測(cè)到短路電流開(kāi)始到晶閘管橋完全觸發(fā)導(dǎo)通為止用時(shí)53 μs。在試驗(yàn)中測(cè)得的流經(jīng)IGBT反并聯(lián)二極管的短路電流大小為1 049 A，流經(jīng)晶閘管橋的旁路電流為8 906 A，IGBT承受的短路電流占比為10.5%。試驗(yàn)結(jié)果中IGBT支路的短路電流占比比仿真結(jié)果的更優(yōu)，其主要原因是仿真時(shí)忽略了螺栓接觸電阻。試驗(yàn)后設(shè)備運(yùn)行正常，驗(yàn)證了該直流側(cè)短路保護(hù)方案的合理性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于晶閘管整流橋旁路的城軌牽引供電系統(tǒng)雙向變流器直流側(cè)短路保護(hù)方案，其既適應(yīng)現(xiàn)有的地鐵直流繼電保護(hù)系統(tǒng)，能確保接觸網(wǎng)接地故障時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)就近保護(hù)，從而保證供電安全；同時(shí)又不影響雙向變流器的正常工作。仿真分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該保護(hù)方案有以下特點(diǎn)：

（1）晶閘管旁路提供短路電流能力強(qiáng)，電磁觸發(fā)速度快；

（2）采用電磁觸發(fā)技術(shù)，使短路電流轉(zhuǎn)移時(shí)間僅為 53 μs；

（3）雙向變流器正常工作時(shí)，晶閘管整流橋不導(dǎo)通，兩者相互不影響；

（4）IGBT支路和晶閘管支路的阻抗設(shè)計(jì)差異實(shí)現(xiàn)了短路電流的合理分配（IGBT支路電流只占短路電流的10.5%），有效保護(hù)了設(shè)備安全。

本方案設(shè)計(jì)時(shí)忽略了晶閘管支路與IGBT支路母排剛性連接的接觸電阻，這影響了仿真結(jié)果的可信度。后續(xù)可以在母排剛性連接位置涂導(dǎo)電膏，以增加導(dǎo)電性能，減小接觸電阻，從而減小仿真誤差。