基于列車(chē)負(fù)荷特性的電流增量保護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

師 睿 王蓉蓉 章鼎然

(1.北京京港地鐵有限公司,100068,北京; 2.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司管理培訓(xùn)中心,100068,北京;3.北京市軌道交通運(yùn)營(yíng)管理有限公司,100068,北京//第一作者,高級(jí)工程師)

北京地鐵4號(hào)線(xiàn)采用了第三軌供電制式，其直流饋線(xiàn)開(kāi)關(guān)使用西門(mén)子SITRAS DPU系列保護(hù)裝置，設(shè)置了電流速斷、電流增量、電流變化率、過(guò)負(fù)荷等保護(hù)。在日常運(yùn)行過(guò)程中，曾出現(xiàn)當(dāng)列車(chē)通過(guò)第三軌斷電區(qū)時(shí)，由于充電電流過(guò)大引起Delta保護(hù)動(dòng)作的情況，對(duì)運(yùn)營(yíng)帶來(lái)一定影響。

本文從電客車(chē)內(nèi)部主電路入手，分析了電客車(chē)通過(guò)第三軌斷電區(qū)時(shí)LC回路的電流動(dòng)態(tài)過(guò)程，推導(dǎo)了計(jì)算公式，并在此基礎(chǔ)上提出了優(yōu)化饋線(xiàn)開(kāi)關(guān)增量保護(hù)的整定方法。

1 電客車(chē)主回路分析

目前，城市軌道交通電客車(chē)基本都采用VVVF(可變頻)型牽引變流器。因此，直流牽引系統(tǒng)負(fù)荷特性即為VVVF型變流器的基本特性。

圖1是典型的VVVF型變流器等效簡(jiǎn)化的主回路接線(xiàn)。電客車(chē)通過(guò)受電靴或受電弓從第三軌(3rd Rail)或接觸網(wǎng)(OHL)引入直流牽引電源后，經(jīng)過(guò)高速斷路器(HSCB)、預(yù)充電回路(包括接觸器S1、S2和限流電阻R)，接入直流側(cè)LC(電感電容)濾波回路，之后再進(jìn)入電機(jī)逆變器模塊(MCM)。

圖1 VVVF型牽引逆變器主電路簡(jiǎn)化示意圖

電客車(chē)在正常起動(dòng)時(shí)，預(yù)充電回路的S1閉合，S2分?jǐn)啵?HSCB合閘后，在R的限流作用下，向MCM直流側(cè)電解電容組C充電，待C兩端電壓達(dá)到額定工作電壓后， S2合閘，短接R；正常情況下，由于MCM預(yù)充電回路的存在，車(chē)輛直流側(cè)電解電容充電電流將被限制，不會(huì)造成牽引變電所饋線(xiàn)保護(hù)動(dòng)作跳閘。

當(dāng)電客車(chē)通過(guò)第三軌斷電區(qū)、并且與電客車(chē)相鄰供電區(qū)間第三軌或接觸網(wǎng)對(duì)鋼軌短路等情況時(shí)， C的電流將發(fā)生瞬時(shí)變化。由于此過(guò)程持續(xù)時(shí)間僅數(shù)十毫秒，小于預(yù)充電回路的動(dòng)作時(shí)間，故充電電流不會(huì)受到限制，并導(dǎo)致?tīng)恳绷黟伨€(xiàn)保護(hù)動(dòng)作跳閘。

因此，在直流饋線(xiàn)開(kāi)關(guān)保護(hù)整定時(shí)，應(yīng)通過(guò)調(diào)整定值參數(shù)或其他措施，避開(kāi)上述瞬態(tài)過(guò)電流，避免繼電保護(hù)誤動(dòng)作。

2 電客車(chē)通過(guò)第三軌斷電區(qū)時(shí)的電流分析

第三軌供電系統(tǒng)均會(huì)在牽引站站臺(tái)列車(chē)尾端的外側(cè)設(shè)置電分段。該電分段距離大于電客車(chē)受電靴間距，以隔離不同供電分區(qū)。

當(dāng)列車(chē)以惰行工況通過(guò)電分段時(shí)，由于MCM沒(méi)有輸出，其直流側(cè)電容的電壓不會(huì)波動(dòng)，但若電客車(chē)臨時(shí)在站前停車(chē)，之后再以牽引工況通過(guò)電分段，則該直流側(cè)電容會(huì)有一個(gè)放電后重新充電的過(guò)程。這個(gè)充電過(guò)程常常會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)誤動(dòng)作，其過(guò)程如圖2所示。

圖2 電客車(chē)通過(guò)電分段示意圖

在圖2a)中，電客車(chē)進(jìn)入電分段，與供電網(wǎng)絡(luò)脫離接觸，如此時(shí)車(chē)輛處于牽引狀態(tài)，牽引逆變器將持續(xù)工作，“抽”走濾波電容器上存儲(chǔ)的電荷，使濾波電容電壓急劇下降；而當(dāng)電客車(chē)行駛至圖2b)位置，受流器重新與第三軌接觸時(shí)，由于此時(shí)電客車(chē)預(yù)充電回路并不起作用，將產(chǎn)生一個(gè)非常大的電容充電電流，這個(gè)充電過(guò)程的等效電路如圖3所示。

圖3 列車(chē)觸碰第三軌時(shí)的等值電路

從圖3可知，列車(chē)受流器觸碰第三軌的瞬間，其濾波器充電回路是一個(gè)典型的二階零狀態(tài)過(guò)程，設(shè)此時(shí)電容電壓下降至UC0，第三軌電壓為US，濾波電感和濾波電容分別為L(zhǎng)和C，充電電流為ich，則該回路的時(shí)域狀態(tài)方程可寫(xiě)為：

(1)

式中：

t——時(shí)間。

解此二階微分方程得：

(2)

考慮最不利的情況，即濾波電容電壓在充電前為0，則充電電流表達(dá)式變?yōu)椋?/p>

(3)

以4號(hào)線(xiàn)電客車(chē)濾波回路的參數(shù)為例，MCM濾波電感L=1.2 mH，直流側(cè)電容C=2×12 mF，取第三軌空載電源電壓US=825 V，代入式(3)，計(jì)算可得，該車(chē)輛過(guò)分段區(qū)時(shí)的充電電流幅值I0=3 689 A，周期T=33.78 ms，電流變化率時(shí)域表達(dá)式為：

di/dt=i′ch=687.5 cos(0.186t)

(5)

其中，t單位取ms。圖4為列車(chē)過(guò)第三軌電分段致使斷路器跳閘時(shí)采集到的電流波形。其中該波形與式(3)的表達(dá)式非常接近，但由于整流機(jī)組的單向?qū)щ娦?，充電過(guò)程不會(huì)出現(xiàn)負(fù)向電流，波形僅為正弦波的正向部分。由此可以基本斷定，列車(chē)LC回路的充電電流就是導(dǎo)致?tīng)恳伨€(xiàn)跳閘的原因。

3 饋線(xiàn)斷路器跳閘原因及優(yōu)化方案

3.1 跳閘原因分析

以北京地鐵4號(hào)線(xiàn)為例進(jìn)行分析,牽引直流饋線(xiàn)斷路器di/dt+ΔI保護(hù)參數(shù)的原設(shè)置如表1所示。

表1 直流饋線(xiàn)斷路器保護(hù)整定值原設(shè)置

按照ΔI保護(hù)的動(dòng)作邏輯，當(dāng)電流變化率大于50 kA/ms且持續(xù)5 ms，同時(shí)電流增量大于3 500 A，則ΔI保護(hù)動(dòng)作于跳閘；

由式(3)計(jì)算可得，電流增量由0增至3 500 A的時(shí)間為t3 500=6.717 ms。此時(shí)的電流變化率為di/dt=217.2 kA/s。大于整定值50 kA/s，時(shí)間、幅值、變化率均滿(mǎn)足ΔI保護(hù)動(dòng)作條件，因此電客車(chē)通過(guò)電分段區(qū)時(shí)產(chǎn)生的充電電流將導(dǎo)致ΔI保護(hù)動(dòng)作。雖然從圖3中可以看出，在斷路器斷開(kāi)主回路前(約在25 ms左右)充電過(guò)程已經(jīng)結(jié)束，回路電流降低到0，但由于跳閘信號(hào)已經(jīng)出口，斷路器仍然會(huì)跳閘。

3.2 ΔI保護(hù)優(yōu)化方案

基于上述分析，ΔI保護(hù)可以通過(guò)調(diào)整動(dòng)作時(shí)間、電流變化率或電流增量來(lái)避開(kāi)充電電流。

3.2.1 調(diào)整動(dòng)作時(shí)間

由式(3)計(jì)算可得，充電電流變化率降低至50 kA/s的時(shí)間為：t50=8.45 ms?？煽肯禂?shù)按1.2，則應(yīng)將tΔIdelay設(shè)置為1.2×8.45≈10 ms。此時(shí)充電電流變化率將低于di/dtstart，不會(huì)引起ΔI保護(hù)動(dòng)作，但該調(diào)整會(huì)影響直流保護(hù)系統(tǒng)的選擇性。

VVVF型牽引逆變器主電路示意圖如圖5所示，當(dāng)本區(qū)間出現(xiàn)短路故障時(shí)，相鄰變電所饋線(xiàn)開(kāi)關(guān)也將向故障點(diǎn)供給短路電流，此時(shí)，ΔI保護(hù)的全分?jǐn)鄷r(shí)間為：

tOFF=tΔI+tCB

(4)

式中：

tCB——保護(hù)回路延時(shí)和斷路器切斷短路電流的時(shí)間總和。

故toff≈35 ms。此時(shí)ΔI保護(hù)的總分閘時(shí)間與di/dt延時(shí)非常接近，有可能引起相鄰車(chē)站饋線(xiàn)di/dt保護(hù)動(dòng)作。

圖5 VVVF型牽引逆變器主電路示意圖

鑒于此，在調(diào)整ΔI動(dòng)作時(shí)間延時(shí)后，應(yīng)同步增加di/dt保護(hù)動(dòng)作時(shí)間延時(shí)至40 ms，確保繼電保護(hù)的選擇性。

3.2.2 調(diào)整電流變化率啟動(dòng)值

根據(jù)式(4)可知，若將ΔI保護(hù)變化率啟動(dòng)值調(diào)整至220 kA/s以上，保護(hù)也將在充電電流達(dá)到增量定值之前復(fù)歸.但根據(jù)相關(guān)研究，供電牽引網(wǎng)末端的短路電流上升率約為88.9～121 kA/s[4]，因此調(diào)整電流變化率將使ΔI保護(hù)不能識(shí)別牽引網(wǎng)末端的短路故障，影響繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，不建議調(diào)整。

3.2.3 調(diào)整電流增量

根據(jù)式(7)，取可靠系數(shù)為1.2，將ΔI保護(hù)電流增量保護(hù)調(diào)整為ΔItrip=1.2I0≈4 500 A。

此時(shí)ΔI保護(hù)電流增量大于電客車(chē)充電電流幅值，不會(huì)引起保護(hù)動(dòng)作跳閘，但此調(diào)整將降低ΔI保護(hù)的靈敏性。

圖6為接觸網(wǎng)末端短路保護(hù)試驗(yàn)波形，短路穩(wěn)態(tài)電流最小值IDl·min=9 000 A，驗(yàn)證保護(hù)靈敏性為：

符合繼電保護(hù)靈敏性要求。

圖6 接觸網(wǎng)末端短路試驗(yàn)電流

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)ΔI保護(hù)的延時(shí)定值或電流增量參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，均可在不影響直流系統(tǒng)繼電保護(hù)功能的前提下，有效避免列車(chē)電容充電電流引起的ΔI保護(hù)動(dòng)作跳閘，但考慮到應(yīng)盡量降低對(duì)既有保護(hù)體系的影響程度，調(diào)整電流增量的方案更加合理。

為提升地鐵直流牽引保護(hù)切斷故障的速度，ΔI保護(hù)的設(shè)置非常重要，應(yīng)與車(chē)輛專(zhuān)業(yè)充分溝通，獲取直流母線(xiàn)側(cè)LC回路參數(shù)、電客車(chē)起動(dòng)電流參數(shù)等，以便精確計(jì)算繼電保護(hù)定值。