地鐵牽引整流器中逆流保護必要性的探討與分析

陳智敏

（廣州地鐵集團有限公司，廣東廣州510000）

0 引言

城市軌道交通直流牽引供電整流機組中，每個整流橋臂采用兩個或兩個以上的二極管并聯，并聯數量與整理器容量正相關，每個二極管串聯一個快速熔斷器。當二極管失去反向截止能力，即造成整理器交流進線相間短路，我們稱之為整流器內部短路。針對上述內部短路故障，整流器設備一般設置快速熔斷器和逆流保護，同時高壓側整流機組開關亦設置相關電量保護作為其后備保護。由于實際應用中逆流保護的誤動作故障率較高，下面我們探討整流器逆流保護設置的必要性。

1 整流器內部短路電流的產生與計算

1.1 相間短路電流

如圖1所示，當1U4橋臂的1Z41二極管擊穿，即該二極管失去反向截止能力，則造成整流器交流側內部相間短路，短路電流流經B相→1U6→1Z41（1U4橋臂）→A相，或C相→1U2→1Z41（1U4橋臂）→A相。由于相間短路，在1U4橋臂出現相對于二極管正向導通方向的逆向故障電流。

圖1 整流機組電氣原理示意圖

1.2 短路電流的計算分析

以下以廣州地鐵七號線整流變及整流器參數為例進行計算。

整流器內部短路閥側故障相瞬態峰值電流I計算式為：

式中，I為閥側故障相瞬態峰值電流；K1為內部短路計算系數，取1.6；1.15為穩態短路電流計算因數；Id為整流器額定直流電流，取2 000 A；Uk為整流變壓器短路阻抗百分比，低壓側全短路時取7.57%，星型短路時取6.38%，三角形短路時取6.40%；0.85為考慮電網阻抗等因素的修正系數。

將以上參數代入式（1）得：

故全短路時閥側故障相的瞬態電流有效值為：

式中，I1為閥側故障相瞬態電流有效值。

同理，星型短路：

三角形短路：

所以，按此算法，閥側故障相的瞬態電流有效值最小值出現在低壓側全短路時，故障電流為14 611.4 A，但一般情況下只出現星形短路或三角形短路，短路電流為17 282.5～17 336.7 A。

2 快速熔斷器過流保護分析

2.1 快速熔斷器作用

每個二極管支路上都串聯一只快速熔斷器，整流橋內二極管、快速熔斷器組件的并聯數量與整流器的容量有關，串聯快速熔斷器的作用是分斷因二極管擊穿而造成的交流側短路電流，防止變壓器相間短路；同時快速熔斷器的選取需考慮躲開外部短路電流、整流器的過負荷以及單只橋臂熔斷時其他橋臂的可承受過載能力等。故快速熔斷器靈敏性、速動性、可靠性參數選擇尤為重要。

2.2 快速熔斷器計算分析

以下以廣州地鐵七號線快速熔斷器參數為例，分析快速熔斷器分斷短路電流的能力。七號線二極管快速熔斷器（1FU41～1FU61）型號為170M6546，1250V/800A，IR1300-100KA，EATONBUSSMANN。熔斷時間是指弧前時間與燃弧時間之和。

查閱EATON BUSSMANN 1 250 V/800 A的安秒特征曲線圖可知，14 611 A短路電流時快速熔斷器弧前時間約為1.5 ms；17 336 A短路電流時熔斷器弧前時間約為1 ms；根據該型號快速熔斷器焦耳積分公式計算，在14 611 A短路電流時燃弧時間約為6.1 ms，17 336 A短路電流時燃弧時間約為4.3 ms。因此，當整流變的低壓側兩相短路電流在14 611～17 336 A之間時，快速熔斷器將在5.3～7.6 ms內熔斷，切斷短路電流。

3 整流器逆流保護的作用原理

如果整流器橋臂內的某個二極管反向擊穿，則在這個二極管支路的熔斷器開始熔斷的弧前時間和燃弧時間內，將有逆向的故障電流流經這個橋臂；同理，當該支路熔斷器失效，無法熔斷時，亦有逆向故障電流流過橋臂。在整流器的每個橋臂設置一個電流傳感器（圖1中的1SC1～1SC6），用于檢測此逆向電流，出現逆流時輸出信號給PLC，輸出跳閘信號至33 kV整流牽引開關。以廣州地鐵七號線為例，當電流傳感器檢測到逆流1 500 A時，發送信號至PLC，延時8 ms出口跳閘信號，其原理邏輯圖如圖2所示。

圖2 逆流保護原理邏輯圖

4 整流變牽引開關過流保護分析

33 kV整流變牽引開關設置電流速斷保護、定時限過電流保護等。電流速斷整定原則為動作電流應能躲過整流變壓器空載合閘時的勵磁涌流；過電流整定原則為動作電流應躲過可能出現的過負荷電流，保護牽引變二次側短路和直流母線短路。

由上述章節計算分析可知，整流變低壓側發生相間短路，短路電流為14 611.4～17 336.7 A。結合七號線牽引整流機組整定值進行分析：

（1）電流速斷保護：33 kV保護定值為544 A、0.1 s，折算二次側為15 213.6 A。根據上述分析計算短路電流，在星型短路或三角形短路一般情況下，短路電流17 282.5～17 336.7 A，電流速斷保護能準確可靠動作；在全短路極端情況下，電流速斷保護不動作。

（2）定時限過電流：保護定值為196 A、0.3 s，折算二次側為5 481.4 A，小于上述分析計算的故障電流，保護能準確可靠動作，作為整流器內部短路快熔保護的后備保護。

5 國標與行業標準無相關要求

在GB 50157—2013《地鐵設計規范》、JB/T 9689—1999《牽引變電站用整流器》、CJ/T 370—2011《城市軌道交通直流牽引供電整流機組技術條件》等國家標準或行業標準中沒有要求設置逆流保護。

廣州地鐵多條線路已撤除整流器逆流保護；在其他城市，比如長沙、上海、南京等城市，地鐵項目已不考慮設置整流器逆流保護。

6 結語

通過上述分析可知，當整流器內部發生短路故障時，與二極管串聯的快速熔斷器在5.3～7.6 ms內迅速熔斷；當快熔失效時，33 kV牽引開關電流速斷保護一般情況下在0.1 s內能準確可靠跳閘，切斷短路電流，作為快熔保護的后備保護；在電流速斷保護失效時，過電流保護在0.3 s內能準確可靠跳閘，作為快熔保護及電流速斷保護的后備保護。因此，綜合逆流保護的可靠性、建設和維護成本考慮，同時從整流機組的供電可靠性出發，牽引整流器可不再考慮設置逆流保護。

[1]城市軌道交通直流牽引供電整流機組技術條件：CJ/T 370—2011[S].

[2]高勁，董斌.廣州地鐵1號線牽引供電整流器的保護配置[J].機車電傳動，2003（2）：31-32.

[3]丁光發，張剛，周華杰.對整流器不必設置逆流保護的探討[J].都市快軌交通，2005，18（1）：74-75.

[4]于松偉，楊興山，韓連祥，等.城市軌道交通供電系統設計原理與應用[M].成都：西南交通大學出版社，2008.