取消地鐵牽引整流器逆流保護的可行性研究

林勇波 劉曉暉

（廣州地鐵集團有限公司，廣東廣州510000）

0 引言

在城市軌道交通牽引變電所內通過整流變壓器將AC 33 kV降到AC 1.18 kV，經整流器轉換成DC 1 500 V向接觸網送電，每座牽引變電所由整流變壓器和整流器組成整流機組，24脈波整流電路由兩組12脈波整流電路組成，12脈波整流由兩個6脈波3相整流橋并聯組成。整流器交流側及直流側均設有過電壓保護，同時整流器內部還設有短路保護，包括快速熔斷器保護和逆流保護，針對牽引整流器取消逆流保護的可行性，本文將從多個方面闡述說明。

1 整流器本體的保護設置

整流器本體交直流側均接有壓敏電阻及特種熔斷器實現過電壓保護，整流器內部每個二極管支路上串聯一個快速熔斷器，可快速隔離橋臂支路二極管擊穿造成的整流器閥側相間短路。

除以上保護，整流器還設有逆流保護。當某一橋臂二極管反向擊穿后，內部兩相間發生短路情況，支路上熔斷器因質量問題未熔斷，支路電流互感器采集逆流信號給整流機組高壓側斷路器繼保發出跳閘信息，跳開高壓斷路器保護整流機組。

鑒于目前整流器逆流保護范圍其他保護已經覆蓋，為進一步保障直流牽引系統供電的可靠性，本文將對整流器是否可取消逆流保護做進一步的全面探討。

2 可取消整流器逆流保護的理由

2.1 從整流器交流側及直流側分析短路故障時保護動作情況

2.1.1 交流側整流器元件擊穿造成內部短路故障

如圖1所示，支路快速熔斷器保護及整流機組高壓側斷路器保護可快速切除故障。

判斷無逆流保護情況下快速熔斷器等各保護功能是否能夠準確保護動作，需計算故障后的短路電流大小。舉例廣州地鐵6號線整流機組參數計算，目前6號線整流變容量有兩種，分別為3 300 kVA和2 200 kVA，以容量3 300 kVA的整流變進行短路電流計算。

2.1.1.1 3 300 kVA變壓器短路電流計算

S=3 300 kVA，變比：U1/U2=33 kV/1.18 kV，短路阻抗電壓6.5%（閥側兩繞組一組開路一組短路），短路阻抗的誤差允許范圍為±10%。

據此，計算二極管反向擊穿后的兩相短路電流。

圖1 整流器電路原理圖

2.1.1.1.1 高壓側

三相短路電流：

兩相短路電流：

2.1.1.1.2 低壓側

三相短路電流：

兩相短路電流：

2.1.1.2 3 300 kVA變壓器低壓側短路后相關保護啟動情況分析

2.1.1.2.1 快速熔斷器保護動作情況分析

整流器的快速熔斷器型號規格為800 A/1 250 V，根據此熔斷器安秒特征曲線可知，10 000 A短路電流時快速熔斷器熔化時間是3.16 ms；20 000 A短路電流時熔斷器熔化時間是0.50 ms。另，該型號熔斷器燃弧時間均約2 ms，全分斷時間為熔化時間與燃弧時間之和，因此故障后快速熔斷器全分斷時間約5.16 ms至2.5 ms。取最大值，5.16 ms。3 300 kVA整流變的低壓側兩相短路電流為19 556.71 A，因此故障后快速熔斷器能準確保護動作。

2.1.1.2.2 33 kV開關保護動作情況分析

整流器二極管反向擊穿后，整流變低壓側兩相短路，高壓側故障電流為699.30 A。依據目前3 300 kVA整流變對應的保護整定值可得：

（1）33 kV側速斷保護整定值564 A/0.1 s，故速斷保護將作為后備保護準確保護動作；

（2）過流保護整定值197 A/0.3 s，故過流保護將作為后備保護，能準確保護動作。

2.1.1.2.3 電流型框架保護動作情況分析

在整流器二極管擊穿情況下，柜內可能產生燃弧，帶電體可能對外殼放電，當放電電流達到或超過80 A后電流型框架保護立即動作，此保護無延時。

2.1.2 直流側整流器元件擊穿造成內部短路故障

此時，根據二極管單向導通的特點，直流側故障時不能將短路電流反饋至交流側。正因如此，在GB 5951—1986《城市無軌電車和有軌電車供電系統》中規定有半導體器件組成的整流裝置不需要設置逆流保護。

2.2 從保護動作時間考慮可取消逆流保護

整流器二極管擊穿造成內部故障，在整流器支路熔斷器未熔斷情況下，造成整流變壓器閥側兩相短路，整流變壓器網壓側電流互感器CT g檢測短路電流，通過繼保CP的電流速斷保護跳開整流機組進線開關，而逆流保護通過橋臂CT n采集逆流信號，通過整流器PLC邏輯判斷將逆流信號通過IP硬接點輸出至繼保CF，發跳閘指令跳開整流機組進線開關，如圖2所示，可以判斷逆流動作時間大于33 kV高壓側速斷保護時間，故可不必再設置逆流保護。

圖2 整流器元件擊穿的后備保護

2.3 其他理由

（1）地鐵直流供電系統為雙邊供電，同一供電臂由兩個牽引混合所通過整流機組將AC 33 kV降壓逆變成DC 1 500 V電源，當鄰所有逆流過來時，本所通過直流201、202進線開關逆流保護動作切斷短路電流。

（2）單個牽引變電所通過兩臺整流機組并列運行實現降壓整流，當單臺或兩臺整流器故障時，整流機組高壓側斷路器將采集短路電流，跳開高壓側106、107斷路器及本所直流斷路器，使故障點與外部隔離。

（3）城市軌道交通牽引所整流器實現逆流保護，需要在每個整流橋臂串聯一個CT作為采流裝置，不但增加了投資，增加了維護成本，還增加了直流系統的不穩定性。據統計廣州地鐵已有多次因整流橋臂CT不穩定引起整流器逆流保護跳閘故障，從供電穩定性方面考慮，可以取消逆流保護。

3 結語

綜上所述，整流器其他保護已經覆蓋逆流保護范圍，為進一步保障直流牽引系統供電的可靠性，可以考慮取消整流器逆流保護。

[1]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.

[2]城市無軌電車和有軌電車供電系統：GB 5951—1986[S].