改進型地鐵用直流斷路器*

周宏宇,羅隆福,許加柱,董書大

(湖南大學電氣與信息工程學院,長沙 410082)

目前,國內的城市輕軌和地鐵牽引供電系統多采用直流供電方式。牽引變電所通過12脈波或24脈波整流器,將33 kV交流電轉變為1500 V直流電,再通過直流斷路器經直流電纜輸送到直流牽引接觸網。其中直流斷路器在地鐵牽引供電系統中起著重要的故障跳閘、保護牽引供電系統其它電力設備的關鍵設備。然而,地鐵牽引供電系統中的大電流直流斷路器普遍存在一個問題:故障跳閘時產生的強電弧嚴重影響直流斷路器及斷路器柜的使用壽命,嚴重時直流斷路器經過1～2次的故障跳閘就被燒毀,需重新更換,從而造成系統運營成本增大,也會降低系統的運行安全性。

針對現有直流斷路器存在的問題,本文在分析電弧數學模型的基礎上,結合M atlab軟件中的M ayr電弧模型,建立現有直流斷路器的仿真模型,仿真研究現有傳統直流斷路器易燒毀的本質原因;并提出改進方案,建立相應的仿真模型,驗證其工程可行性和原理正確性。

1 Mayr電弧的數學模型和仿真模型

1.1 M ayr電弧的數學模型

麥也耳(Mayr)電弧數學模型是目前公認實用價值較高的一種數學模型,通過該模型可定性分析電流過零期間電弧的動態特性,其數學表達式為

式中:uh為電弧電壓;ih為電弧電流;τ為電弧時間常數,其物理意義是在電弧電流突然消失后,電弧電阻增加到e倍所需的時間;p s為電弧散熱功率。

根據式(1),當τ和P s為某一定值時,即可求得電弧電流或電壓隨時間變化的趨勢;但τ和P s實際上皆非常數,而是與電弧電流、電弧電阻、介質種類、氣壓等參數有關的函數,必須通過大量試驗找出τ和P s隨這些參數的變化規律后,才能進行較準確的計算。因此,目前國內外廣泛采用M ay r模型進行電弧動態特性的定性分析和研究。

1.2 Mayr電弧的仿真模型

根據式(1)給出的M ayr描述的電弧數學模型,利用Matlab中的微分方程編輯器構建相應的電弧仿真模型,式(1)轉變為

式中:x(1)為微分方程狀態變量,即電弧電導的自然對數;u(1)為微分方程的第一個輸入量,即電弧電壓;u(2)為微分方程的第二個輸入量,表示觸頭關合狀態;y為DEE輸出量,即電弧電流。

定值檢測(H it Crossing):檢測電弧電流的過零點。

階躍信號:控制觸頭的分離。

由式(2)即可在Matlab軟件中建立Mayr電弧的通過仿真模型,如圖1所示。

圖1 麥也爾電弧的仿真模型Fig.1 Mayr simulation modelofarc

2 傳統直流斷路器易燒損原因分析及仿真

2.1 傳統直流斷路器易燒損的原因分析

與交流電弧不同,直流電弧只能靠強制電流過零來熄弧。目前常用的措施為直流回路中使用電磁吹弧斷路器。使電弧電壓迅速提高,從而達到滅弧的目的。而對高壓直流回路,必須相應地降低電壓或創造人工電流零點來滅弧。地鐵供電系統中的大電流直流斷路器在接收到保護信號后,進行有載分閘,所以對直流斷路器滅弧能力要求很高。

廣州地鐵某1段牽引供電系統接線圖如圖2所示,圖2中進線斷路器和饋線斷路器均為直流斷路器,如圖中標示的201/202/211等。國內地鐵已經多次出現由于大電流直流斷路器的損壞導致地鐵區段不能供電而停運的現狀,產生了很大的經濟損失和社會影響。

圖2 地鐵供電系統示意圖Fig.2 Power supp ly system ofmetro

導致大電流直流斷路器燒損的主要原因是斷路器動作時電流非常大(近端短路時故障電流可達20000A),大電流在觸頭之間產生了極強電弧。電弧是在兩極間產生強烈而持久的氣體放電現象,是高溫高導電率的游離氣體,它不僅對觸頭有很大的破壞作用,而且使斷開電路的時間延長。

2.2 仿真分析

圖3是根據地鐵供電系統建立的直流斷路器工作特性仿真模型。電源采用1500 V直流電源,根據實際系統變壓器容量等參數設置其內阻抗R=0.01Ω,L=20μH。其中直流斷路器采用May r電弧模型代替是極端短路故障時的線路阻抗,電阻為0.008Ω,線路電感為0.1 mH。

圖4給出在直流斷路器動作過程中,直流斷路器兩觸點間的電壓和電流的波形圖。電弧電壓為圖4(a)的Y軸和圖4(b)的,電弧電流為圖4(a)X軸和圖4(c)中的。從仿真結果可看出,當短路故障發生時,故障電流非常大,達到約16500 A。在斷路器斷開瞬間,電弧電流I h下降,電弧電壓上升。但由于電流太大,直流斷路器的滅弧裝置無法完全消弧,斷路器觸頭間重新燃弧,增大,變小(圖4(a)中的折線部分)。從仿真的結果可見,地鐵短路故障時直流斷路器燒損完全是因為電流過大,斷路器無法滿足滅弧要求而被損毀。

圖3 傳統直流斷路器的仿真模型Fig.3 Simulation model of traditional DC breaker

圖4 傳統直流斷路器重新燃弧時仿真結果Fig.4 Simulation result of traditional DC breaker

3 傳統直流斷路器改進方案及其仿真

3.1 工作原理與電路拓撲

針對傳統直流斷路器在熄弧方面存在的不足,本文提出一種改進型的直流斷路器,該直流斷路器包括一個串聯在主回路中的直流斷路器和圖5虛線框內輔助電路部分。圖中,由于發生短路時線路中存在電感,電容必須能吸收大部分電感中儲存的能量,電容取值比較大,為10×10-2F,串聯的電阻為電容的內阻,理想情況下可不予考慮。R4是放電電阻,取值為10×103Ω。輔助電路部分主要作用是吸收主回路中電感儲存的部分能量,產生人工過零點,將切斷直流大電流的問題轉化為切斷存在過零點的交變電流。該裝置的控制系統利用DSP處理速度快的優點,結合神經網絡理論,具有學習功能。這樣,通過對直流斷路器電流的采樣,在通過直流斷路器的電流過零點前一個觸點動作時間斷開輔助觸頭;此時電流相對小,直流斷路器利用自然過零點滅弧,對直流斷路器的滅弧能力要求大為降低,延長直流斷路器的使用次數和壽命。

3.2 仿真分析

在圖3所示傳統直流斷路器的仿真模型中接入改進型直流斷路器的輔助電路部分,見圖5。電弧模型參數不變,其工作過程為:初始狀態主觸頭M ayc arcmodel閉合,輔助觸頭K 1、K2分斷?？刂撇糠纸邮盏奖Ｗo信號即發出指令閉合K 1,當電流轉移到K 1支路時分斷主觸頭,這樣主觸頭分斷電流很小,不會受到電弧傷害。由于K1支路上電容的存在,通過的電流將產生過零點,K 1可利用過零點分斷,對滅弧功能的要求不高。輔助斷路器K 2支路的作用在于K 1分斷后給電容放電,保障安全。

圖5 改進型直流斷路器結構示意圖Fig.5 Structure of improved DC breaker

對圖5所示的電路進行仿真,結果如圖6所示。由圖6可知:直流斷路器電流首先增大至16000A,隨后斷路器斷開。斷路器斷開后,由于輔助裝置的存在,故障電流快速轉移到輔助裝置的阻容支路中,斷路器斷開瞬間承受的電流相對較小,因此斷路器觸頭間的電弧快速熄滅,Uh增加至1500 V以后穩定下來,I h快速降低到零。由于輔助裝置中考慮了限壓措施,斷路器觸頭間的電流快速下降為零時,在觸頭兩端沒有出現過電壓。

圖6 輔助回路的電壓和電流關系曲線和波形Fig.6 Simulation result of new type DC breaker

圖7是斷路器斷開時主電路中的故障電流變化過程?？梢钥闯?電流從最大值快速下降。借鑒相關文獻對交流斷路器動作時間的研究和先進檢測技術的發展(參見文獻[4]),完全可以在電流接近零時發出斷路器動作指令,使斷路器在電流過零點之前很短時間分斷,只要采用一個要求很低的交流斷路器作為輔助斷路器,即可完全分斷主回路。

圖7 主回路故障電流Fig.7 W aveform of fault current

4 結論

(1)基于M ayr電弧的數學模型,建立了M ay r電弧仿真模型,為進一步研究電弧放電特性提供幫助。

(2)通過對傳統直流斷路器動作過程的仿真模擬,表明直流斷路器兩觸點間的強電弧放電是直接導致直流斷路器易燒毀的主要原因。

(3)提出一種改進型直流斷路器的電路結構,并建立了仿真模型,仿真結果表明,該直流斷路器能有效抑制電弧在直流斷路器主觸頭上放電強度,并在極短時間內斷開故障電流,保護線路上其他器件和直流斷路器本體,延長大電流直流斷路器的使用次數和壽命。

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