地鐵再生制動(dòng)能量回饋裝置框架保護(hù)配置研究＊

張海龍 鄭月賓 ?；i 劉 剛

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

逆變型地鐵再生制動(dòng)能量回饋裝置由于節(jié)能效益好、性能穩(wěn)定、價(jià)格適中，最近兩三年來在全國各大城市地鐵、輕軌系統(tǒng)獲得了廣泛的推廣和應(yīng)用，正在逐步取代傳統(tǒng)電阻能耗型裝置［1］。逆變型再生制動(dòng)能量回饋裝置在應(yīng)用中與牽引整流機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，成為直流牽引供電系統(tǒng)的一部分。根據(jù)GB／T 10411—2005《城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)要求，需要考慮絕緣安裝和框架保護(hù)配置問題［2］，目前尚無相關(guān)文獻(xiàn)對逆變型再生制動(dòng)能量回饋裝置的框架保護(hù)配置問題開展研究。本文從直流牽引供電系統(tǒng)框架保護(hù)配置情況及回饋裝置并網(wǎng)方案的特點(diǎn)入手，對回饋裝置的框架保護(hù)配置、聯(lián)跳方案及與軌電位限值裝置的配合問題進(jìn)行了研究和分析。

1 回饋裝置介紹

地鐵制動(dòng)分為空氣制動(dòng)和電制動(dòng)兩種方式。進(jìn)行電制動(dòng)時(shí)，地鐵車輛的動(dòng)能通過VVVF（變壓變頻）變流器轉(zhuǎn)化為電能反送到直流接觸網(wǎng)上，可以實(shí)現(xiàn)能量的再生利用。地鐵再生制動(dòng)時(shí)瞬時(shí)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(jìn)站制動(dòng)時(shí)最大瞬時(shí)功率可達(dá)3 MW，回饋電能8.5 kWh；負(fù)載情況下瞬時(shí)功率和回饋電能更為可觀［3］。

根據(jù)發(fā)車密度和區(qū)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］?，F(xiàn)階段我國各地運(yùn)營的地鐵線路發(fā)車密度較低，需要較大容量的再生制動(dòng)能量回饋裝置才能及時(shí)吸收瞬時(shí)功率。

為了最大程度實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的再生利用，回饋裝置大多采用35 kV 直接并網(wǎng)方式，將直流形式的制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為交流電能，再通過升壓變壓器和交流中壓開關(guān)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(wǎng)方案如圖1所示。

圖1 回饋裝置并網(wǎng)方案

整套回饋裝置包括逆變器、1 500 V 直流開關(guān)柜、負(fù)極隔離柜、升壓變壓器和中壓交流開關(guān)柜，如圖2所示。其中逆變器、1 500 V 直流開關(guān)柜和負(fù)極隔離柜屬于直流牽引供電系統(tǒng)設(shè)備，根據(jù)GBT 10411—2005《城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，需要進(jìn)行絕緣安裝和設(shè)置框架保護(hù)。

圖2 回饋裝置組成圖

2 牽引供電系統(tǒng)既有框架保護(hù)

目前國內(nèi)已建地鐵工程大多采用每個(gè)牽引變電所配置1套框架保護(hù)裝置的形式，整流柜、負(fù)極柜和所有的直流開關(guān)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(diǎn)接地［5］，如圖3所示。框架保護(hù)分為電流型框架保護(hù)和電壓型框架保護(hù)。電流型框架保護(hù)檢測框架對地電流，電壓型框架保護(hù)保護(hù)檢測負(fù)極對地電壓，當(dāng)直流設(shè)備發(fā)生正極對框架短路或者絕緣損壞時(shí)，根據(jù)電流、電壓檢測結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的告警或者跳閘命令［6］。

圖3 牽引供電系統(tǒng)框架保護(hù)配置

牽引供電系統(tǒng)任一設(shè)備發(fā)生框架泄露時(shí)，本所的交流中壓斷路器及所有直流開關(guān)柜斷開并閉鎖，同時(shí)聯(lián)跳鄰所的直流饋線斷路器，將造成故障所左右兩個(gè)供電分區(qū)的上下行接觸網(wǎng)同時(shí)斷電。此時(shí)需要斷開故障所的4個(gè)上網(wǎng)隔離開關(guān)，將故障所完全切除，閉合越區(qū)隔離開關(guān)和鄰所直流饋線斷路器，實(shí)現(xiàn)大雙邊供電［7］。

為了防止地鐵運(yùn)行時(shí)鋼軌對地懸浮電位過高，危及設(shè)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(dāng)鋼軌對地電壓過高時(shí)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(hù)設(shè)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(shí)，直流接觸器延時(shí)800 ms接通；U＞120 V 時(shí)直流接觸器即時(shí)接通；U＞600 V時(shí)晶閘管即時(shí)導(dǎo)通同時(shí)接觸器閉鎖［8］。

3 回饋裝置框架保護(hù)設(shè)置

由于框架保護(hù)影響范圍大，保護(hù)動(dòng)作后要聯(lián)跳變電所的交流中壓開關(guān)柜和1 500 V 直流開關(guān)柜，造成接觸網(wǎng)大面積斷電，影響車輛的正常運(yùn)行。同時(shí)考慮到回饋裝置的主要作用是將實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量再生利用、節(jié)能環(huán)保，發(fā)生故障時(shí)不能影響到牽引供電系統(tǒng)和車輛的正常運(yùn)行，應(yīng)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(hù)聯(lián)跳方案

如果將回饋裝置的框架保護(hù)直接引入到供電系統(tǒng)既有框架保護(hù)內(nèi)，保護(hù)動(dòng)作后本所的交流中壓開關(guān)柜和1 500 V 直流開關(guān)柜跳閘并閉鎖，同時(shí)聯(lián)跳鄰所1 500 V 開關(guān)柜，造成接觸網(wǎng)大面積斷電，影響列車的正常運(yùn)行；同時(shí)不便于迅速、準(zhǔn)確確定故障位置，故障的檢修和恢復(fù)時(shí)間長。

為了將回饋裝置框架保護(hù)動(dòng)作的影響限值到最小范圍，建議回饋裝置設(shè)置獨(dú)立的框架保護(hù)，回饋逆變器配置1套框架保護(hù)，1 500 V 直流開關(guān)柜和負(fù)極隔離柜與其它直流設(shè)備共用1套框架保護(hù)，如圖4所示。

圖4 回饋裝置框架保護(hù)聯(lián)跳方案

當(dāng)回饋逆變器發(fā)生框架泄漏時(shí)保護(hù)動(dòng)作，立即封鎖IGBT（絕緣柵雙極晶體管）驅(qū)動(dòng)脈沖，確保其安全關(guān)斷，斷開交直流開關(guān)，以及并聯(lián)跳與回饋裝置相連的 AC35 kV 中壓開關(guān)、DC1 500 V 開關(guān)柜、負(fù)極隔離柜，將回饋裝置從牽引供電系統(tǒng)中撤除。該方案不影響本所其它全部設(shè)備的正常運(yùn)行，不影響接觸網(wǎng)供電，將故障范圍限制到了最低。但是，地鐵列車進(jìn)站時(shí)必須以空氣制動(dòng)方式代替電制動(dòng)，避免電制動(dòng)的再生能量造成直流電壓過高，損壞供電系統(tǒng)和地鐵車輛設(shè)備。

3.2 回饋裝置框架保護(hù)配置方案

回饋裝置的框架保護(hù)需要與供電系統(tǒng)既有保護(hù)配置保持一致，同時(shí)配置電流型和電壓型框架保護(hù)。電流型框架保護(hù)對直流正極對框架絕緣損壞或者短路進(jìn)行保護(hù)，發(fā)生框架泄漏后，泄漏電流將經(jīng)由正極—框架—接地網(wǎng)—鋼軌對地泄漏電阻—負(fù)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(shí)，發(fā)出跳閘信號［9］。電壓型框架保護(hù)的動(dòng)作值需要考慮與軌電位限值裝置的配合情況進(jìn)行設(shè)置。

回饋裝置的框架通過接地線接至回饋裝置內(nèi)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(wǎng)相接；電壓、電流隔離變送器分別檢測回饋裝置負(fù)母線與接地排、接地排與變電所接地網(wǎng)（即大地）的電壓，控制系統(tǒng)根據(jù)檢測結(jié)果發(fā)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(shí)的沖擊，建議短路電流選取為100 kA。

圖5 回饋裝置框架保護(hù)配置方案

3.3 電壓框架保護(hù)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(hù)都以負(fù)極對地的電壓作為檢測、判斷的依據(jù)，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(shè)備和人員造成人身傷害；電壓型框架保護(hù)主要是直流框架泄漏時(shí)起到保護(hù)作用。實(shí)際應(yīng)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(shè)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(dǎo)致?？紤]到框架保護(hù)動(dòng)作影響范圍大，為了避免電壓框架保護(hù)誤動(dòng)作，應(yīng)將電壓框架保護(hù)作為軌電位限值裝置的后備保護(hù)使用［10］。

同時(shí)，應(yīng)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(hù)誤動(dòng)作影響供電系統(tǒng)的正常工作，應(yīng)優(yōu)先保證軌電位限值裝置動(dòng)作，在軌電位限值裝置仍然不能滿足要求時(shí)，電壓框架保護(hù)再發(fā)揮作用。因此電壓框架保護(hù)的觸發(fā)值應(yīng)略大于軌電位限值裝置動(dòng)作值。建議電壓框架保護(hù)框架對地電壓≥95 V 時(shí)延時(shí)1500 ms發(fā)出報(bào)警信號，≥120 V 延時(shí)900 ms發(fā)出跳閘信號。

4 結(jié)語

在既有牽引供電系統(tǒng)中增加逆變型再生制動(dòng)能量回饋裝置以后，回饋裝置的安全、可靠直接關(guān)系到牽引供電系統(tǒng)和車輛的正常運(yùn)行。截至目前，回饋裝置的框架保護(hù)問題尚未得到充分的重視和研究。本文在對回饋裝置并網(wǎng)方式分析的基礎(chǔ)上，提出了回饋裝置設(shè)置獨(dú)立框架保護(hù)的方案。該方案不影響接觸網(wǎng)和地鐵列車的正常運(yùn)行，將框架保護(hù)動(dòng)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(lǐng)域的應(yīng)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(tǒng)［S］.

［3］許愛國，謝少軍，姚遠(yuǎn)，等.基于超級電容的城市軌道交通車輛再生制動(dòng)能量吸收系統(tǒng)［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，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(shù)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(hù)設(shè)置方案探討［J］.地鐵工程學(xué)報(bào)，2012（12）：108.

［6］周安義.軌道交通車站斷路器與框架保護(hù)的配合與應(yīng)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(hù)聯(lián)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(tǒng)技術(shù)［M］.上海：上?？茖W(xué)普及出版社，2011.

［9］朱德敏，王純偉，趙明.框架泄露保護(hù)裝置的應(yīng)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(tǒng)框架保護(hù)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(dòng)能量回饋方案與裝置的研究［J］.城市軌道交通研究，2013（6）：42.