劉斌普,李海濤,王春浩,于 東,雷露飛

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 檢修服務(wù)事業(yè)部,山東 青島 266111)

鑒于CR400AF型“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組在報(bào)出網(wǎng)側(cè)過(guò)流故障后無(wú)法準(zhǔn)確判斷出接地故障單元,直接影響故障發(fā)生后的應(yīng)急處置決策,通過(guò)換弓試驗(yàn)來(lái)輔助判斷接地故障單元導(dǎo)致故障再次發(fā)生的概率為50%,若在停車狀態(tài)下重復(fù)發(fā)生接地故障有可能造成故障擴(kuò)大化。

通過(guò)分析原有主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在不增加電流互感器的前提下,通過(guò)調(diào)整電流互感器的安裝位置及采集方式,既可實(shí)現(xiàn)牽引變壓器的過(guò)流、接地保護(hù),當(dāng)網(wǎng)側(cè)發(fā)生過(guò)流故障后還可以通過(guò)系統(tǒng)組合邏輯實(shí)現(xiàn)接地故障單元的定位,為應(yīng)急處置提供決策依據(jù)[1]。

1 高壓接地故障

目前國(guó)內(nèi)接觸網(wǎng)實(shí)際使用27.5 kV單相工頻交流電,動(dòng)車組使用單受電弓從接觸網(wǎng)取流,通過(guò)高壓母線向2個(gè)單元輸送高壓電,高壓電纜外漏部分不可避免受到異物擊打,逐漸導(dǎo)致高壓部件氣隙擴(kuò)展,發(fā)生擊穿放電[2-3],查看前期高壓系統(tǒng)接地故障時(shí)地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)第一次接地故障放電最大電流4 545 A,第二次接地故障放電最大電流高達(dá)6 367 A,如表1所示。首次放電發(fā)生后絕緣已被完全破壞,導(dǎo)致二次故障時(shí)電流再次增加,對(duì)接觸網(wǎng)造成的影響更加明顯,不計(jì)車輛、接觸網(wǎng)及受電弓接觸阻值僅按照接觸網(wǎng)側(cè)變壓器參數(shù)計(jì)算,理論最大電流3 475～6 370 A。

表1 接地故障電氣參數(shù)值

當(dāng)高壓母線連接的設(shè)備及線纜發(fā)生接地故障時(shí),由于高壓母線都連接在一起,發(fā)生故障時(shí)若動(dòng)車組不降弓情況下,接觸網(wǎng)2 s自動(dòng)重合閘將發(fā)生第二次接地故障,由于動(dòng)車組單元之間沒(méi)有檢測(cè)元件,車組無(wú)法直接判斷出故障點(diǎn)是否位于升弓單元,2個(gè)單元通過(guò)高壓隔離開關(guān)隔斷后,升起任意一架受電弓就存在50%概率將故障單元重新投入工作,再次發(fā)生放電故障,發(fā)生故障后檢查接觸網(wǎng)及動(dòng)車組碳滑板外觀均存在灼傷痕跡[4],如圖1所示。

圖1 動(dòng)車組受電弓碳滑板灼傷

2 原有高壓系統(tǒng)故障技術(shù)方案

2.1 原有高壓系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

CR400AF平臺(tái)動(dòng)車組除受電弓、車頂避雷器、牽引變壓器接地端電流互感器(CT3)外,其他高壓設(shè)備均安裝在高壓設(shè)備箱內(nèi),高壓系統(tǒng)通過(guò)受電弓從接觸網(wǎng)取流,通過(guò)主斷路器VCB后分為2路,分別去往本單元牽引變壓器及其他單元高壓設(shè)備箱[5],2個(gè)單元高壓設(shè)備箱之間通過(guò)高壓隔離開關(guān)連接,某一單元發(fā)生故障時(shí)可通過(guò)斷開高壓隔離開關(guān)實(shí)現(xiàn)2個(gè)單元分離,使用無(wú)故障單元單獨(dú)牽引,動(dòng)車組原高壓系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 動(dòng)車組高壓系統(tǒng)拓?fù)鋱D

由圖2可以看出,CR400AF型動(dòng)車組在網(wǎng)側(cè)、牽引變壓器的原邊和接地端分別設(shè)置了電流互感器,其中CT1驅(qū)動(dòng)過(guò)流繼電器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流過(guò)流保護(hù)并由電能監(jiān)控裝置采集,并未采集至TCMS系統(tǒng)及牽引變流器;CT2和CT3分別采集進(jìn)入各自牽引單元的兩臺(tái)牽引變流器,通過(guò)牽引變流器實(shí)現(xiàn)牽引變壓器的保護(hù)功能,并未對(duì)2個(gè)單元之間的高壓母線采集任何信號(hào)[6]。

2.2 原有高壓系統(tǒng)故障保護(hù)功能

原有高壓系統(tǒng)故障保護(hù)通過(guò)CT1、CT2、CT3電流互感器實(shí)現(xiàn),具體通過(guò)CT1實(shí)現(xiàn)受電弓至高壓設(shè)備箱母線過(guò)流檢測(cè),CT2、CT3電流互感器實(shí)現(xiàn)牽引變壓器保護(hù)[7-8],當(dāng)受電弓升弓時(shí)僅可通過(guò)CT1檢測(cè)是否有大電流通過(guò),無(wú)法判斷具體接地點(diǎn)在升弓單元還是在非升弓單元,具體邏輯見表2。

表2 改進(jìn)前方案保護(hù)邏輯

2.3 接觸網(wǎng)保護(hù)功能

短路故障啟動(dòng)保護(hù)方式:電流速斷保護(hù)、電流增量保護(hù)、阻抗保護(hù)等。

保護(hù)時(shí)間:發(fā)現(xiàn)故障信號(hào)至發(fā)出斷路器動(dòng)作控制命令的時(shí)間,電流速斷保護(hù)100 ms、電流增量保護(hù)400 ms、阻抗保護(hù)100 ms,其中車輛高壓擊穿放電由電流速斷保護(hù)實(shí)現(xiàn),再考慮饋線斷路器動(dòng)作時(shí)間40～60 ms,因此從變電所發(fā)現(xiàn)短路,到變電所斷路器開關(guān)斷開,接觸網(wǎng)失電,整個(gè)過(guò)程耗時(shí)在140～160 ms之間[9-10]。

變電所饋線斷路器重合閘時(shí)間:對(duì)于接觸網(wǎng)單相供電線路,檢測(cè)出故障及合閘時(shí)間2 s,變電所重合閘時(shí)序過(guò)程如圖3所示。

圖3 變電所重合閘時(shí)序

2.4 原有方案存在的問(wèn)題

由于兩個(gè)高壓?jiǎn)卧g未設(shè)置電流互感器,升弓單元與非升弓單元的電流信息無(wú)法進(jìn)行互通,該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下,無(wú)法檢測(cè)通過(guò)兩個(gè)單元之間的高壓母線去往其他單元的電流,兩個(gè)單元中具體哪一單元發(fā)生接地故障無(wú)法判斷。

雖然TCMS可以通過(guò)牽引變流器MVB協(xié)議獲取其他單元CT2和CT3的數(shù)據(jù),但是牽引變流器與TCMS之間最快傳輸端口周期為32 ms,TCMS采集加上傳輸延遲時(shí)間約為200～300 ms左右,而網(wǎng)側(cè)過(guò)流故障保護(hù)時(shí)間一般在80 ms以內(nèi),使得TCMS無(wú)法完成主電路過(guò)流的快速保護(hù),而且CT2和CT3的數(shù)據(jù)僅能檢測(cè)變壓器前后發(fā)生的高壓故障,對(duì)于其他單元高壓設(shè)備箱內(nèi)CT2之前的高壓故障依然無(wú)法檢測(cè)出故障具體發(fā)生在哪一單元。由于未在高壓?jiǎn)卧g設(shè)置檢測(cè)信號(hào),無(wú)法區(qū)分接地點(diǎn)在升弓單元還是非升弓單元,無(wú)法準(zhǔn)確決策斷開母線后使用哪一單元維持運(yùn)行,存在再次投入故障單元風(fēng)險(xiǎn)。

3 改進(jìn)高壓系統(tǒng)故障技術(shù)方案

3.1 改進(jìn)思路

現(xiàn)有的CT2和CT3均已由牽引變流器TCU進(jìn)行采集,實(shí)現(xiàn)牽引變壓器的過(guò)流和接地保護(hù),動(dòng)車組CT1僅實(shí)現(xiàn)硬件保護(hù)斷開VCB,未直接進(jìn)入變流器采集數(shù)值,考慮到TCU的采樣速度(TCU采集周期小于80 μs)較快,數(shù)據(jù)采集同步性和一致性較好,因此考慮將CT1回路串聯(lián)進(jìn)入變流器電流采集口,實(shí)時(shí)采集CT1電流互感器電流值,實(shí)現(xiàn)主電路電流互感器數(shù)據(jù)的采集和邏輯判斷。

若要實(shí)現(xiàn)2個(gè)高壓?jiǎn)卧拥販?zhǔn)確定位,需在兩個(gè)單元之間的高壓母線上增加一個(gè)信息采集電流互感器,該電流互感器在動(dòng)車組正常運(yùn)行時(shí),檢測(cè)的是非升弓單元的工作電流,由此可分為兩種方案:

(1) 保留CT1、CT2、CT3在主電路的現(xiàn)有布置,在高壓母線增加一個(gè)電流互感器CT4,將一個(gè)高壓?jiǎn)卧乃?個(gè)電流互感器數(shù)據(jù)采集進(jìn)入本單元的牽引變流器TCU,如圖4所示。

圖4 新增CT4電流互感器

(2) 保留CT1、CT3在主電路的現(xiàn)有布置,將牽引變壓器原邊側(cè)電流互感器CT2從原位置拆除,挪至高壓母線處改名稱為CT4,如圖5所示。

圖5 更改CT2為CT4并虛擬CT2

將一個(gè)高壓?jiǎn)卧乃?個(gè)電流互感器數(shù)據(jù)采集進(jìn)入本單元的牽引變流器TCU,再挪走CT2的位置形成一個(gè)“虛擬CT2”,該“虛擬CT2”的值通過(guò)升弓單元的CT1與升弓單元的CT2進(jìn)行換算,換算后的電流值實(shí)際為牽引變壓器原邊高壓側(cè)+高壓設(shè)備箱內(nèi)部設(shè)備的泄露電流,可節(jié)約1個(gè)電流互感器成本。

3.2 改進(jìn)方案

為實(shí)現(xiàn)高壓接地定位功能,將CT2由牽引變壓器原邊移至高隔后端的高壓貫穿母線并更改名稱為CT4,并將網(wǎng)側(cè)CT1電流信號(hào)采集進(jìn)本單元兩臺(tái)牽引變流器如圖6,通過(guò)牽引變流器判斷實(shí)現(xiàn)高壓接地定位。同時(shí),為采集半剛性終端絕緣失效時(shí)通過(guò)屏蔽層的泄放電流,將屏蔽層在高壓設(shè)備箱內(nèi)穿過(guò)CT1。

圖6 改進(jìn)方案

網(wǎng)側(cè)過(guò)流保護(hù)功能:進(jìn)行硬件變更后,網(wǎng)側(cè)過(guò)流故障保留并且范圍由受電弓升起單元的兩臺(tái)牽引變流器進(jìn)行判斷,可判斷出是否本單元發(fā)生接地故障,具體方法見表3。

表3 改進(jìn)后方案保護(hù)邏輯

因此報(bào)出相應(yīng)故障代碼時(shí)可以立即確認(rèn)故障點(diǎn)所在單元,切除高壓隔離開關(guān)、升非故障單元受電弓即可維持運(yùn)行。

4 總結(jié)

通過(guò)新方案的實(shí)施,實(shí)現(xiàn)了高壓系統(tǒng)發(fā)生故障后,系統(tǒng)直接判斷出故障發(fā)生在升弓單元還是非升弓單元,直接指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)人員切除故障單元,使用非故障單元維持運(yùn)行,減小了對(duì)行車秩序的影響,通過(guò)直接切除故障點(diǎn),避免了故障車廂再次投入發(fā)生接地故障對(duì)接觸網(wǎng)的影響,避免了故障擴(kuò)大化,但是高壓系統(tǒng)故障的提前識(shí)別仍需深入研究,預(yù)防接地故障的發(fā)生[11]。