整流器承受短路電流能力分析

劉愛華，華春陽

整流器承受短路電流能力分析

劉愛華，華春陽

分析了整流器在發(fā)生正負(fù)極之間的短路故障、正極對外殼的碰殼故障等故障方式下的承受短路電流值、承受短路電流時間值，并最終確定了整流器的承受短路電流能力。

承受短路電流；碰殼故障；正負(fù)極之間的短路故障

0 引言

供電系統(tǒng)作為城市軌道交通的重要組成部分，其安全可靠運(yùn)行是整個城市軌道交通系統(tǒng)安全暢通運(yùn)行的基礎(chǔ)，因此供電系統(tǒng)設(shè)備的安全可靠性顯得尤為重要。

供電系統(tǒng)設(shè)備的承受短路電流能力，對于系統(tǒng)能否安全可靠運(yùn)行，有著至關(guān)重要的作用。當(dāng)供電系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，系統(tǒng)中所有設(shè)備都應(yīng)在斷路器跳閘切除故障前，承受回路中流經(jīng)的短路電流，否則系統(tǒng)將出現(xiàn)設(shè)備燒毀，甚至爆炸的事故。因此，為設(shè)備選擇合理的承受短路電流能力，是方案設(shè)計、設(shè)備選型中的重中之重。

整流器作為牽引系統(tǒng)中的重要整流設(shè)備，在變電所中更是占據(jù)舉足輕重的地位。而目前直流設(shè)備的承受短路電流能力并沒有完善的設(shè)計規(guī)范指導(dǎo)，設(shè)計院、設(shè)備廠家在工程實(shí)踐中均缺乏相應(yīng)的設(shè)計依據(jù)。

本文以典型變電所主接線（其中整流機(jī)組容量按3 000 kW考慮）為例，根據(jù)整流器發(fā)生故障的不同位置，從設(shè)備承受的短路容量、切除故障的保護(hù)類型、保護(hù)范圍及動作時間進(jìn)行討論分析，以最終確定整流器的承受短路電流能力。

1 發(fā)生在整流器正負(fù)極之間的短路故障

當(dāng)整流器內(nèi)部發(fā)生正負(fù)極之間短路故障時，整流機(jī)組進(jìn)線開關(guān)及直流進(jìn)線開關(guān)將會出口跳閘，切除故障。在斷路器出口跳閘切除故障之前，整流器應(yīng)保證自身能夠耐受系統(tǒng)的短路電流，不會因此出現(xiàn)燒毀進(jìn)而影響系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

1.1 承受短路電流的估算

整流器內(nèi)部發(fā)生的正負(fù)極之間短路故障，等效于直流1 500 V正負(fù)極母線處的短路。

該正負(fù)極短路點(diǎn)流經(jīng)的短路電流，除本整流機(jī)組提供的短路電流I1外，還包括本所1 500 V直流母線上并聯(lián)的另一套整流機(jī)組提供的短路電流I2，以及接觸網(wǎng)線路上并聯(lián)的其他變電所提供的短路電流I3，短路電流如圖1所示。

圖1 整流器發(fā)生正負(fù)極短路時電流流向示意圖

眾所周知，正負(fù)極間的短路電流特性曲線如圖2所示，圖2中，Id代表直流斷路器的實(shí)際開斷電流，Icc為穩(wěn)態(tài)短路電流。對于整流器而言，直流斷路器的跳閘并不能立即切除自身承受的短路電流，而交流斷路器跳閘切除故障時間又大于系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流的時間，因此整流器承受短路電流應(yīng)參考穩(wěn)態(tài)短路電流Icc。

圖2 短路電流曲線及直流斷路器分?jǐn)嗵匦郧€圖

變壓器短路阻抗按8%考慮時，3 000 kW整流機(jī)組在直流1 500 V母線側(cè)穩(wěn)態(tài)短路電流為

即當(dāng)整流器正負(fù)極之間發(fā)生短路故障時，整流器承受的短路電流約為25 kA。

1.2 承受短路電流的時間

當(dāng)整流器正負(fù)極之間發(fā)生短路故障時，該整流機(jī)組進(jìn)線開關(guān)123的保護(hù)應(yīng)出口跳閘，完成故障切除。同時直流進(jìn)線開關(guān)202的保護(hù)也應(yīng)動作，切除本所1 500 V直流母線上并聯(lián)的另一套整流機(jī)組及接觸網(wǎng)線路上并聯(lián)的其他變電所向故障點(diǎn)提供的短路電流。

整流機(jī)組進(jìn)線開關(guān)處的保護(hù)配置有：電流速斷、過電流、零序電流、過負(fù)荷保護(hù)，以及整流變壓器、整流器內(nèi)部保護(hù)。其中，電流速斷、過電流保護(hù)可作為整流器內(nèi)部正負(fù)極短路故障的保護(hù)。

1.2.1 電流速斷保護(hù)

電流速斷保護(hù)范圍是否包括整流器還需做進(jìn)一步分析計算。

首先計算直流母線處最小短路電流，假設(shè)輸入條件：主所110 kV的系統(tǒng)短路容量S= 1 200 MV·A；主變短路阻抗Ud% = 10.5，容量Se= 25 MV·A；截面為300 mm2的電纜長度L= 20 km；整流變短路阻抗Ud% = 8，容量Se= 3.3 MV·A。

將上述條件輸入到Matlab內(nèi)，根據(jù)組建模型，計算出整流器出口處正負(fù)極短路時，暫態(tài)峰值電流為34.2 kA，約在54 ms時達(dá)到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)電流為20.5 kA。

穩(wěn)態(tài)電流折算至整流機(jī)組進(jìn)線處為545 A。按靈敏度系數(shù)1.2考慮，折算至整流機(jī)組進(jìn)線處電流值小于454 A時，方可出口跳閘。

整流機(jī)組進(jìn)線開關(guān)電流速斷保護(hù)按9倍額定電流進(jìn)行整定，由此3 300 kV·A整流變壓器的電流速斷保護(hù)整定值為490 A，接近且略大于454 A。

即整流機(jī)組進(jìn)線開關(guān)123處電流速斷保護(hù)的范圍不包括整流器。

1.2.2 過電流保護(hù)

（1）保護(hù)范圍。整流機(jī)組進(jìn)線開關(guān)的過電流保護(hù)按4倍額定電流進(jìn)行整定，3 300 kV·A整流變壓器的過電流保護(hù)整定值為218 A，遠(yuǎn)小于直流母線處最小短路電流454 A。

即整流機(jī)組進(jìn)線開關(guān)123處過電流保護(hù)的范圍包括整流器。

（2）切除故障時間。整流機(jī)組進(jìn)線開關(guān)過電流保護(hù)時間延時一般為300 ms，而35 kV斷路器的全分?jǐn)鄷r間一般不超過60 ms。

因此，整流機(jī)組進(jìn)線開關(guān)123處的過電流保護(hù)啟動后，斷路器分閘切除故障的時間應(yīng)不超過370 ms。

（3）承受短路電流的時間。整流器承受短路電流的時間，從發(fā)生短路故障起，到保護(hù)出口驅(qū)動斷路器跳閘止。

從發(fā)生短路故障到過電流保護(hù)啟動的時間，最大不超過從發(fā)生短路故障到短路電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流的時間54 ms。

因此由過電流保護(hù)出口跳閘切除短路故障時，整流器承受短路電流的時間約為430 ms。

1.2.3 直流進(jìn)線開關(guān)的逆流保護(hù)

直流進(jìn)線開關(guān)202處的逆流保護(hù)，能夠切除故障發(fā)生在整流器出口處，由直流母線逆向向短路點(diǎn)提供的短路電流。

直流進(jìn)線開關(guān)逆流保護(hù)的整定值一般僅為幾百安培，完全能夠保護(hù)該處的短路故障。

由于逆流保護(hù)定值較低，系統(tǒng)短路電流上升率較高，發(fā)生短路故障后瞬間即可達(dá)到逆流保護(hù)定值，因此從發(fā)生短路故障到逆流保護(hù)啟動前的時間可以忽略不計。

直流斷路器在啟動逆流保護(hù)后的40 ms之內(nèi)能夠切除來自直流母線側(cè)的故障電流，包括本所另一套整流機(jī)組提供的短路電流I2，以及接觸網(wǎng)線路上并聯(lián)的其他變電所提供的短路電流I3。

逆流保護(hù)出口后，聯(lián)跳整流機(jī)組進(jìn)線開關(guān)123，故障發(fā)生100 ms后出口跳閘，切除故障。

1.3 小結(jié)

綜上，整流器正負(fù)極間的短路故障切除是由直流進(jìn)線開關(guān)202逆流保護(hù)動作并聯(lián)跳整流機(jī)組進(jìn)線開關(guān)123跳閘完成的，整流器承受短路電流的時間約為100 ms。

在本文所述的輸入條件下，整流機(jī)組進(jìn)線開關(guān)的電流速斷保護(hù)范圍不包括整流器。特別說明的是：本結(jié)論并不適用于所有工程，在工程中應(yīng)根據(jù)具體的輸入條件計算確定。

整流機(jī)組進(jìn)線的過電流保護(hù)范圍包括整流器，整流器承受短路電流的時間約為430 ms。需特別說明的是：從發(fā)生短路到達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流的時間54 ms是在本文所述的輸入條件下計算得出，并不適用于所有工程，在工程中應(yīng)根據(jù)具體的輸入條件計算確定。

因此，整流器所承受的短路電流能力是至少保證其在100 ms內(nèi)能承受25 kA短路電流。

對于不同的整流器柜體的工藝及結(jié)構(gòu)設(shè)計，發(fā)生正負(fù)極間短路故障的概率也不相同。對于不可能發(fā)生正負(fù)極短路故障的整流器柜體，其承受短路電流能力的計算可不考慮該種故障。

2 正極對外殼的碰殼故障

當(dāng)整流器發(fā)生正極對外殼的碰殼故障時，框架泄漏保護(hù)將會出口動作，使整流機(jī)組進(jìn)線開關(guān)、本所的直流斷路器分閘，切除故障。在整流機(jī)組進(jìn)線斷路器、本所的直流斷路器出口跳閘切除故障之前，整流器應(yīng)保證自身能夠耐受系統(tǒng)的短路電流，不會因此出現(xiàn)燒毀進(jìn)而影響系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

2.1 承受短路電流的估算

當(dāng)整流器發(fā)生框架泄漏故障時，正極的高電壓經(jīng)外殼、小電阻的電流元件，瞬間將地電位抬高，使得地與軌之間電位差變大，滿足鋼軌電位限制裝置晶閘管的動作電壓，導(dǎo)致晶閘管0.1 ms內(nèi)啟動閉合，形成地與軌之間的電氣連通。

因此，當(dāng)整流器發(fā)生框架泄漏故障時，由于鋼軌電位限制裝置晶閘管的快速閉合，導(dǎo)致正極—外殼—地—軌電位—軌—負(fù)極的回路電阻大大降低，在忽略正極對外殼的弧光電壓時，回路的短路電流與正負(fù)極之間發(fā)生短路故障時的短路電流相當(dāng)。其中，流經(jīng)故障整流器主回路的短路電流I1仍為25 kA。同時，本所另一套整流器提供短路電流I2，線路上左右鄰所共提供短路電流I3，短路電流如圖3所示。

圖3 整流器發(fā)生碰殼故障時電流流向示意圖

2.2 承受短路電流的時間

框架泄漏保護(hù)電流元件啟動后，經(jīng)聯(lián)跳電阻轉(zhuǎn)接入整流機(jī)組進(jìn)線開關(guān)柜121、123，直流開關(guān)柜211、212、213、214聯(lián)跳斷路器出口跳閘。

不同開關(guān)柜廠家由于轉(zhuǎn)接繼電器的選型及數(shù)量不同，其延遲時間也不盡相同，但都可在110 ms內(nèi)完成交流電源側(cè)的斷路器出口跳閘，80 ms內(nèi)完成直流電源側(cè)的斷路器出口跳閘。

2.3 小結(jié)

綜上，整流器正極對外殼的碰殼故障是由框架泄漏保護(hù)聯(lián)跳整流機(jī)組進(jìn)線開關(guān)、直流開關(guān)，切除本所和鄰所的故障電流完成的。

此時對整流器提出的承受短路電流能力是至少保證其在110 ms內(nèi)能承受25 kA短路電流。

3 結(jié)語

綜合上述分析可知，對于整流變壓器短路阻抗為8%、容量為3 000 kW的整流機(jī)組而言，其整流器的承受短路電流能力應(yīng)滿足：至少保證其在110 ms內(nèi)能承受25 kA短路電流。

本文對整流器承受短路電流能力進(jìn)行了計算分析，希望能夠在缺少設(shè)計規(guī)范的指導(dǎo)下，為相關(guān)技術(shù)人員在工程實(shí)踐中提供參考及幫助。

The paper analyzes the short circuit withstanding values and duration of the rectifier when it is under the faulty modes of short circuit between positive pole and negative pole, the shell leakage fault between positive pole and shell, and finalizes the short circuit withstanding capacity of the rectifier.

Short circuit current withstanding; shell leakage fault; short circuit fault between positive pole and negative pole

U223.6

：B

：1007-936X(2016)01-0006-03

2015-07-07

劉愛華.中鐵電氣化勘測設(shè)計研究院有限公司，高級工程師，電話：13370336630；華春陽.中交鐵道勘察設(shè)計院有限公司，工程師。