地鐵再生制動能量回饋裝置框架保護配置研究＊

張海龍 鄭月賓 牛化鵬 劉 剛

（1.西安許繼電力電子技術有限公司，710075，西安；2.許繼集團有限公司461000，許昌∥第一作者，工程師）

逆變型地鐵再生制動能量回饋裝置由于節能效益好、性能穩定、價格適中，最近兩三年來在全國各大城市地鐵、輕軌系統獲得了廣泛的推廣和應用，正在逐步取代傳統電阻能耗型裝置［1］。逆變型再生制動能量回饋裝置在應用中與牽引整流機組并聯運行，成為直流牽引供電系統的一部分。根據GB／T 10411—2005《城市軌道交通直流牽引供電系統》標準要求，需要考慮絕緣安裝和框架保護配置問題［2］，目前尚無相關文獻對逆變型再生制動能量回饋裝置的框架保護配置問題開展研究。本文從直流牽引供電系統框架保護配置情況及回饋裝置并網方案的特點入手，對回饋裝置的框架保護配置、聯跳方案及與軌電位限值裝置的配合問題進行了研究和分析。

1 回饋裝置介紹

地鐵制動分為空氣制動和電制動兩種方式。進行電制動時，地鐵車輛的動能通過VVVF（變壓變頻）變流器轉化為電能反送到直流接觸網上，可以實現能量的再生利用。地鐵再生制動時瞬時功率非常大，AW0（空載）荷載下，列車以速度60 km／h、減速度1 m／s2進站制動時最大瞬時功率可達3 MW，回饋電能8.5 kWh；負載情況下瞬時功率和回饋電能更為可觀［3］。

根據發車密度和區間距離的不同，再生回饋能量的20%～80%可被線路上其它列車吸收利用［4］。現階段我國各地運營的地鐵線路發車密度較低，需要較大容量的再生制動能量回饋裝置才能及時吸收瞬時功率。

為了最大程度實現制動能量的再生利用，回饋裝置大多采用35 kV 直接并網方式，將直流形式的制動能量轉換為交流電能，再通過升壓變壓器和交流中壓開關直接回饋到35 kV 母線，供給整條線路再次利用?；仞佈b置的并網方案如圖1所示。

圖1 回饋裝置并網方案

整套回饋裝置包括逆變器、1 500 V 直流開關柜、負極隔離柜、升壓變壓器和中壓交流開關柜，如圖2所示。其中逆變器、1 500 V 直流開關柜和負極隔離柜屬于直流牽引供電系統設備，根據GBT 10411—2005《城市軌道交通直流牽引供電系統》標準規定，需要進行絕緣安裝和設置框架保護。

圖2 回饋裝置組成圖

2 牽引供電系統既有框架保護

目前國內已建地鐵工程大多采用每個牽引變電所配置1套框架保護裝置的形式，整流柜、負極柜和所有的直流開關柜均絕緣安裝，框架通過電纜連接在一起，然后通過分流器單點接地［5］，如圖3所示?？蚣鼙Ｗo分為電流型框架保護和電壓型框架保護。電流型框架保護檢測框架對地電流，電壓型框架保護保護檢測負極對地電壓，當直流設備發生正極對框架短路或者絕緣損壞時，根據電流、電壓檢測結果發出相應的告警或者跳閘命令［6］。

圖3 牽引供電系統框架保護配置

牽引供電系統任一設備發生框架泄露時，本所的交流中壓斷路器及所有直流開關柜斷開并閉鎖，同時聯跳鄰所的直流饋線斷路器，將造成故障所左右兩個供電分區的上下行接觸網同時斷電。此時需要斷開故障所的4個上網隔離開關，將故障所完全切除，閉合越區隔離開關和鄰所直流饋線斷路器，實現大雙邊供電［7］。

為了防止地鐵運行時鋼軌對地懸浮電位過高，危及設備和人身安全，在鋼軌和大地之間安裝了軌電位限制裝置。該裝置采用直流接觸器和晶閘管元件，當鋼軌對地電壓過高時通過直流接觸器或晶閘管將鋼軌和大地短接，限制鋼軌懸浮電壓，保護設備和乘客的安全。通常軌電位限制裝置的整定電壓分為三級：U＞90 V 時，直流接觸器延時800 ms接通；U＞120 V 時直流接觸器即時接通；U＞600 V時晶閘管即時導通同時接觸器閉鎖［8］。

3 回饋裝置框架保護設置

由于框架保護影響范圍大，保護動作后要聯跳變電所的交流中壓開關柜和1 500 V 直流開關柜，造成接觸網大面積斷電，影響車輛的正常運行。同時考慮到回饋裝置的主要作用是將實現制動能量再生利用、節能環保，發生故障時不能影響到牽引供電系統和車輛的正常運行，應將回饋裝置框架泄露的影響限制到最小范圍。

3.1 回饋裝置框架保護聯跳方案

如果將回饋裝置的框架保護直接引入到供電系統既有框架保護內，保護動作后本所的交流中壓開關柜和1 500 V 直流開關柜跳閘并閉鎖，同時聯跳鄰所1 500 V 開關柜，造成接觸網大面積斷電，影響列車的正常運行；同時不便于迅速、準確確定故障位置，故障的檢修和恢復時間長。

為了將回饋裝置框架保護動作的影響限值到最小范圍，建議回饋裝置設置獨立的框架保護，回饋逆變器配置1套框架保護，1 500 V 直流開關柜和負極隔離柜與其它直流設備共用1套框架保護，如圖4所示。

圖4 回饋裝置框架保護聯跳方案

當回饋逆變器發生框架泄漏時保護動作，立即封鎖IGBT（絕緣柵雙極晶體管）驅動脈沖，確保其安全關斷，斷開交直流開關，以及并聯跳與回饋裝置相連的 AC35 kV 中壓開關、DC1 500 V 開關柜、負極隔離柜，將回饋裝置從牽引供電系統中撤除。該方案不影響本所其它全部設備的正常運行，不影響接觸網供電，將故障范圍限制到了最低。但是，地鐵列車進站時必須以空氣制動方式代替電制動，避免電制動的再生能量造成直流電壓過高，損壞供電系統和地鐵車輛設備。

3.2 回饋裝置框架保護配置方案

回饋裝置的框架保護需要與供電系統既有保護配置保持一致，同時配置電流型和電壓型框架保護。電流型框架保護對直流正極對框架絕緣損壞或者短路進行保護，發生框架泄漏后，泄漏電流將經由正極—框架—接地網—鋼軌對地泄漏電阻—負極形成電流通路，通過隔離變送器檢測分流器兩端電壓可以測得泄漏電流的值，大于80 A 時，發出跳閘信號［9］。電壓型框架保護的動作值需要考慮與軌電位限值裝置的配合情況進行設置。

回饋裝置的框架通過接地線接至回饋裝置內部的接地排；分流器一端與接地排相接，另外一端與變電所的接地網相接；電壓、電流隔離變送器分別檢測回饋裝置負母線與接地排、接地排與變電所接地網（即大地）的電壓，控制系統根據檢測結果發出告警或者跳閘信號，如圖5所示。分流器選型需要考慮正極對框架短路時的沖擊，建議短路電流選取為100 kA。

圖5 回饋裝置框架保護配置方案

3.3 電壓框架保護與軌電位限值裝置的配合

軌電位限值裝置和電壓型框架保護都以負極對地的電壓作為檢測、判斷的依據，但是兩者的作用不同。軌電位限值裝置的主要作用是限值鋼軌對地的電壓，避免對設備和人員造成人身傷害；電壓型框架保護主要是直流框架泄漏時起到保護作用。實際應用中造成鋼軌對地電壓過高的原因可能是由于本所直流設備框架泄漏引起的抬升，還有可能是地鐵列車加速、正極對架空地線短路或者相鄰所框架泄漏導致。考慮到框架保護動作影響范圍大，為了避免電壓框架保護誤動作，應將電壓框架保護作為軌電位限值裝置的后備保護使用［10］。

同時，應該考慮到回饋裝置的特殊工況，不能由于回饋裝置框架泄漏或者框架保護誤動作影響供電系統的正常工作，應優先保證軌電位限值裝置動作，在軌電位限值裝置仍然不能滿足要求時，電壓框架保護再發揮作用。因此電壓框架保護的觸發值應略大于軌電位限值裝置動作值。建議電壓框架保護框架對地電壓≥95 V 時延時1500 ms發出報警信號，≥120 V 延時900 ms發出跳閘信號。

4 結語

在既有牽引供電系統中增加逆變型再生制動能量回饋裝置以后，回饋裝置的安全、可靠直接關系到牽引供電系統和車輛的正常運行。截至目前，回饋裝置的框架保護問題尚未得到充分的重視和研究。本文在對回饋裝置并網方式分析的基礎上，提出了回饋裝置設置獨立框架保護的方案。該方案不影響接觸網和地鐵列車的正常運行，將框架保護動作的影響范圍限值到了最小程度。

［1］陳德勝，劉志鋼，張鋼.能饋式牽引供電裝置在軌道交通領域的應用［J］.都市快軌交通，2014（1）：111.

［2］GB／T10411—2005，城市軌道交通直流牽引供電系統［S］.

［3］許愛國，謝少軍，姚遠，等.基于超級電容的城市軌道交通車輛再生制動能量吸收系統［J］.電工技術學報，2010，25（3）：118.

［4］王彥錚，蘇鵬程.城市軌道交通車輛再生電能回收技術方案的研究［J］.電氣化鐵道，2004（2）：37.

［5］王麗偉.地鐵直流框架泄露保護設置方案探討［J］.地鐵工程學報，2012（12）：108.

［6］周安義.軌道交通車站斷路器與框架保護的配合與應用［J］.電氣化鐵道，2010（3）：49.

［7］趙武隴，劉愛華.城市既有變電所框架保護聯跳方案探討［J］.電氣化鐵道，2009（1）：48.

［8］王靖滿，黃書明.城市軌道交通供電系統技術［M］.上海：上?？茖W普及出版社，2011.

［9］朱德敏，王純偉，趙明.框架泄露保護裝置的應用和分析［J］.電氣化鐵道，2004（3）：34.

［10］趙勤，左均超，蔡登明，等.直流1 500 V 牽引供電系統框架保護特性［J］.城市軌道交通研究，2007（11）：58.

［11］夏景輝，鄭寧，左廣杰.地鐵車輛逆變型再制動能量回饋方案與裝置的研究［J］.城市軌道交通研究，2013（6）：42.