城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)雙向變流器直流側短路保護方案

王 雄，陳潔蓮，吳雪峰，尹維恒

（株洲中車時代電氣股份有限公司， 湖南 株洲 412001）

0 引言

目前，城市軌道交通（簡稱“城軌”）牽引供電系統(tǒng)主要采用二極管整流機組模式，其具有可靠性高、結構簡單等特點，但存在能量單向傳輸、輸出特性不可控、線路損耗大、直流網(wǎng)壓波動大、再生制動能量無法被有效利用等缺點[1]。雙向變流器允許能量雙向流動，可取代牽引供電系統(tǒng)中的二極管整流機組和再生制動能量利用裝置，具有直流母線電壓穩(wěn)定、線路損耗小的特點，已成為未來城市軌道交通供電技術發(fā)展方向[2-4]。

針對城軌牽引供電系統(tǒng)中接觸網(wǎng)側短路故障，傳統(tǒng)繼電保護方案是通過直流饋線柜斷路器進行大電流脫扣保護，就近切除短路故障點，然后進行大雙邊供電以確保供電安全[5-6]。單個直流饋線柜大電流脫扣保護值通常為8～13 kA；為了保證故障時饋線柜能被可靠分開，雙向變流器需提供27 kA、持續(xù)120 ms的短路電流。由于該短路電流值遠遠超過IGBT器件所能承受的極限，雙向變流器為保護裝置自身安全，選擇跳開直流開關柜方式退出供電；然而，因為地鐵牽引供電系統(tǒng)通常采用雙邊供電，直流側具有貫通特性，相當于多臺雙向變流器并聯(lián)，其中、遠端的短路電流仍會超過雙向變流器IGBT器件的電流承受極限，進而引起多個站點雙向變流器的跳閘，使故障保護失去選擇性?？梢?。對于基于雙向變流器的城軌牽引供電系統(tǒng)，傳統(tǒng)的直流繼電保護方法是無效的。

為此，本文提出一種基于晶閘管整流橋的雙向變流器短路保護方法，其在雙向變流器的IGBT整流橋上并聯(lián)一組或多組晶閘管整流橋，通過對晶閘管橋進行合理的參數(shù)設計、短路電流分布設計和控制器的快速驅動設計，實現(xiàn)直流側短路故障保護。在雙向變流器正常工作時，晶閘管整流橋處于截止狀態(tài)；當發(fā)生直流側短路故障時，短路電流被快速轉移至晶閘管整流橋；由于晶閘管耐沖擊能力（I2t ）強，因此晶閘管整流橋可為近端變電所提供直流饋線柜脫扣電流通路，中、遠端變電所的短路電流達不到對應直流饋線柜脫扣電流值，通過大雙邊供電繼續(xù)為列車供電，從而保證供電安全。

1 基于雙向變流器的城軌牽引供電系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)工作原理

基于雙向變流器的城軌牽引供電系統(tǒng)（圖1）是將地鐵線路上各個牽引混合變電所中的24脈波整流機組和再生制動能量利用裝置替換為雙向變流器。通常為了確保供電系統(tǒng)可靠性，一個牽引混合變電所由兩套雙向變流器并聯(lián)來承擔供電和再生制動能量利用任務。雙向變流器直流側與直流母線相連，并通過直流母線與直流牽引網(wǎng)相連，正常工況下為雙邊供電模式；交流側與35 kV環(huán)網(wǎng)相連。

圖1 基于雙向變流器的牽引供電系統(tǒng)拓撲Fig. 1 Topology of the traction power supply system with bi-directional converter

雙向變流器具有牽引整流和回饋逆變兩種功能，如圖2所示。在列車正常牽引啟動及運行時，兩套雙向變流裝置同時啟用整流功能，將直流母線電壓穩(wěn)定在1 700 V（可調），并向直流牽引網(wǎng)供電，給車輛提供牽引電能；在列車制動運行（電制動）時，牽引電機處于再生發(fā)電運行狀態(tài)，將列車的動能和勢能轉換為電能并回饋到直流牽引網(wǎng)，這些能量一部分被線網(wǎng)中鄰近啟動車輛所吸收，另一部分則經(jīng)雙向變流器逆變后回饋到中壓交流電網(wǎng)中[7]。

圖2 雙向變流器牽引供電/能量回饋系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the traction power supply/energy feedback system with bi-directional converter

1.2 雙向變流裝置電路拓撲

雙向變流裝置通常由交流開關柜、變壓器柜、雙向變流器柜、直流開關柜和負極柜組成，整體接線方案與現(xiàn)有二極管整流機組的相一致。其交流側通過35 kV開關柜被接于牽引變電所內的35 kV母線段；直流側正極通過1 500 V直流開關柜被接于牽引變電所內的直流母線段正極，負極仍保留直流控制柜內的隔離開關（QS1），且被接于牽引變電所內的直流母線段負極，具體如圖3所示。

圖3 雙向變流器電路拓撲Fig. 3 Topology of the bidirectional converter circuit

傳統(tǒng)二極管整流機組牽引供電方式直流側短路保護主要依賴直流進線柜和直流饋線柜的保護設施。直流進線柜保護包含大電流脫扣保護和逆流保護；直流饋線柜保護包含大電流脫扣保護、ΔI保護、di/dt保護、過電流保護和雙邊聯(lián)跳保護，各種保護相互配合，從而實現(xiàn)牽引網(wǎng)近、中、遠端短路的全范圍保護[8-9]。采用雙向變流器后，直流系統(tǒng)保護配置方案維持與整流方式的保護配置方案一致。雙向變流器采用PWM變流器，其中IGBT的短路電流承受能力遠不及整流機組的平板式二極管的。為了保證短路工況下保證雙向變流器的安全，需要從短路電流的旁路、分流、快速轉移控制以及旁通回路與IGBT回路互不干擾等方面進行設計。

2 雙向變流器直流側短路保護方案設計

采用雙向變流器后，直流系統(tǒng)的保護配置方案需維持與整流方式的相同，雙向變流器需耐受27 kA、持續(xù)時間達120 ms的短路電流，為此，需要在IGBT模塊上并聯(lián)晶閘管旁通回路（圖4）：雙向變流器正常牽引供電/逆變回饋時，晶閘管旁通回路不工作；當直流側發(fā)生短路時，快速觸發(fā)晶閘管旁路導通，使大部分短路電流經(jīng)過晶閘管旁通回路，IGBT模塊只分擔小部分短路電流，從而保證IGBT模塊安全。若在120 ms內系統(tǒng)檢測發(fā)現(xiàn)直流電壓和直流電流已恢復至正常值，則停止晶閘管旁路導通，雙向變流器繼續(xù)正常工作；若持續(xù)120 ms后仍然檢測到直流電壓和直流電流異常，則雙向變流器跳閘退出工作。

圖4 基于晶閘管旁路的雙向變流器電路拓撲Fig. 4 Circuit topology of the bidirectional converter based on thyristor bypass

2.1 晶閘管整流橋旁路設計

假設所選擇的能饋變壓器的容量為2.2 MW，短路阻抗為8%，等效電感L=0.23 mH，交流側線電壓Uac=900 V，角頻率ω=2πf，其中f為電網(wǎng)頻率，f=50 Hz。在直流側外部短路時，忽略線路阻抗，則短路電流峰值為

短路電流平均值為

利用式(1)和式(2)計算得到短路電流的峰值為11.7 kA，平均值為11.16 kA，則每條支路的耐受電流值必須大于5.85 kA，單個器件I2t值必須大于410.67×104A2·s。傳統(tǒng) IGBT 器件的I2t值一般為59×104A2·s，無法滿足耐沖擊能力要求；晶閘管和板式二極管器件的I2t值都能滿足耐沖擊能力要求，但因二極管不受控，會影響雙向變流器的正常運行，因此本文選擇晶閘管作為短路電流旁通回路器件。晶閘管整流橋旁路拓撲如圖5所示，在變流器模塊兩端并聯(lián)晶閘管整流橋，實時檢測直流側電流。當電流大于保護值時，判斷變流器模塊為直流短路，并觸發(fā)晶閘管使其導通，提供短路電流泄放通路。

圖5 晶閘管整流橋旁路拓撲Fig. 5 Thyristor recti fier bridge bypass topology

在裝置正常工作時，晶閘管承受反向的陽極與陰極間電壓，并且不給晶閘管門極觸發(fā)脈沖使其始終保持關斷狀態(tài)；當檢測到直流側短路時，晶閘管的陽極與陰極間存在正向電壓，同時給門極觸發(fā)脈沖使其導通，在撤掉脈沖后由于晶閘管內部強烈的正反饋仍然維持導通狀態(tài)，直至直流斷路器分斷保護，主回路的電壓減小至接近于零，晶閘管關斷[10-12]。

2.2 短路電流分布設計

晶閘管整流橋和IGBT整流橋采用并聯(lián)方式，兩者電壓相等，直流側短路時，流經(jīng)各支路的電流大小與該支路的阻抗有關。IGBT模塊支路和晶閘管旁路支路的阻抗都是由交流側銅排阻抗、直流側銅排阻抗和器件阻抗組成。經(jīng)過計算，IGBT模塊支路阻抗與晶閘管旁路支路阻抗分布如表1所示。可以看出，75%的短路電流經(jīng)過晶閘管整流橋到短路點，IGBT整流橋只需承受25%的短路電流。

表1 變流器內部等效阻抗Tab.1 Internal equivalent impedance of the converter

2.3 短路電流計算

以直流側電壓為1 500 V、額定容量S為2.2 MW、交流側電壓為900 V的雙向變流器供電系統(tǒng)為研究對象，分析直流側短路時系統(tǒng)的安全性，其變壓器、接觸網(wǎng)和鋼軌的參數(shù)如表2所示。

近端短路通常是指離牽引變電所100 m以內發(fā)生的接觸網(wǎng)短路故障，為了方便計算，本研究中短路點定位于距離牽引變電所100 m處。從表2可知，此時接觸網(wǎng)阻抗為1.837 mΩ，鋼軌阻抗為3.5 mΩ，短路點等效短路電弧電阻為4 mΩ。

表2 雙向變流器供電系統(tǒng)的變壓器、接觸網(wǎng)和鋼軌參數(shù)Tab. 2 Parameters of the transformer, catenary and rail in bidirectional converter power supply system

在直流側短路時，考慮變流器內部阻抗分布，其短路簡化模型如圖6所示。圖中，R0為短路點等效短路電弧電阻，4 mΩ；XT為變壓器等效阻抗，58.9 mΩ；Z直流電纜為直流電纜阻抗(接觸網(wǎng)阻抗和鋼軌阻抗之和)，5.337 mΩ；ZIGBT為IGBT模塊支路總阻抗，0.598 2 mΩ；Z旁路為晶閘管旁路總阻抗，0.199 7 mΩ；I總為穩(wěn)態(tài)短路總電流。

圖6 直流側短路時線路阻抗模型Fig. 6 Line impedance model when the DC-side circuit is short

以短路電流最大的近端短路為例計算流經(jīng)變流器的電流，其值主要由變壓器的等效阻抗值、線路阻抗和變壓器二次側電壓決定。

單重穩(wěn)態(tài)短路電流為

將圖6中相關參數(shù)代入式(3)，得I總=8 089 A。由于雙向變流器采用兩重設計，因此總的穩(wěn)態(tài)短路電流為16 178 A。

2.4 短路旁路與IGBT回路互不干擾設計

晶閘管整流橋與IGBT整流橋直接并聯(lián)，IGBT正常工作時產(chǎn)生的電壓變化率dv/dt對晶閘管的影響是設計的難點，dv/dt值過大，容易導致晶閘管擊穿[12-13]。采用圖7所示測試主電路對晶閘管保護方案中的IGBT由開通到關斷瞬間其反并聯(lián)二極管的dv/dt值進行測試，在直流母線正極和變流器交流側間接入負載電感L，T1和T4常關斷，T2常導通，給T3雙脈沖信號，測試晶閘管兩端間電壓，得到D1的反向恢復特性和T3的開關特性，如圖8所示。從圖中可以看出，T3的瞬時dv/dt值為1 000 V/μs。因此，選擇斷態(tài)電壓臨界上升率dv/dt值大于1 000 V/μs的晶閘管器件，即可滿足短路故障保護要求。

圖7 測試主電路Fig. 7 Test circuit

圖8 雙向變流器正常工作時晶閘管承受的dv/dt值Fig. 8 dv/dt of the thyristor when the bi-directional converter is working normally

2.5 晶閘管旁路快速響應設計

當直流側發(fā)生短路、直流電流升高至一定值時，雙向變流器測控保護單元會觸發(fā)晶閘管整流橋旁通回路為短路點提供電流通路，以保護IGBT的反并聯(lián)二極管不受損壞，觸發(fā)脈沖寬度120 ms。

為了實現(xiàn)2個三相整流橋共12只晶閘管的觸發(fā)，晶閘管之間電壓差達到1 000 V，晶閘管單次最長工作時間120 ms。從體積、成本、性能方面考慮，選擇電磁觸發(fā)方式，其觸發(fā)性能可達到電流上升沿小于2 μs、同步性延遲小于1 μs、峰值電流1 A、頻率20 kHz。

晶閘管整流橋旁路觸發(fā)邏輯如圖9所示。直流短路保護根據(jù)直流電流設定值啟動保護，給各晶閘管發(fā)送脈沖并同時啟動計時，當時間達到120 ms時，封鎖晶閘管脈沖。

圖9 晶閘管整流橋旁路觸發(fā)邏輯圖Fig. 9 Thyristor recti fier bridge bypass trigger logic diagram

按照上述設計，對晶閘管觸發(fā)時間進行測試，測量保護單元檢測到直流母線短路到給出晶閘管觸發(fā)脈沖的時間t1，測試結果如圖10所示，其中CH1為輸入端電壓，CH4為晶閘管的驅動信號，實測t1值為 25.53 μs。

圖10 測控保護單元響應時間Fig. 10 Response time of the measurement and control protection unit

從晶閘管門極脈沖信號給出到晶閘管實際導通的時間與門極脈沖的上升沿和觸發(fā)電流有關，本文所采用的電磁觸發(fā)方案脈沖上升沿時間t2約為2 μs（所有晶閘管t2均按2 μs考慮），觸發(fā)電流峰值為1 A左右。

因此，從直流母線短路到晶閘管旁路開通的時間（t1+t2）大概為 27.53 μs，即在 27.53 μs左右可實現(xiàn)短路電流的轉移。

3 仿真驗證

在Matlab上搭建基于晶閘管旁路保護方案的接觸網(wǎng)短路模型，以驗證晶閘管旁路保護的有效性，如圖11所示。圖中，IGBT模塊和晶閘管模塊支路阻抗參數(shù)參照表1，變壓器、接觸網(wǎng)和鋼軌的參數(shù)參照表2，系統(tǒng)參數(shù)參照表3，短路位置均設置為距離牽引變電所100 m的近端處。

圖11 晶閘管旁路保護仿真模型Fig. 11 Simulation model of the thyristor bypass protection

表3 仿真模型參數(shù)Tab. 3 Simulation model parameters

在晶閘管旁路保護系統(tǒng)仿真模型中，假設在0.1 s時發(fā)生短路故障，故障持續(xù)時間120 ms，測試通過旁路晶閘管、IGBT反并聯(lián)二極管的直流電流如圖12所示，交流側短路電流如圖13所示。

圖12 直流側短路電流Fig. 12 DC-side short-circuit currents

圖12表明，當接觸網(wǎng)發(fā)生短路故障時，由于電容器放電和晶閘管的導通延時，通過旁路晶閘管的瞬時直流短路電流峰值為8 000 A，穩(wěn)態(tài)直流短路電流峰值為7 000 A；通過反并聯(lián)二極管的瞬時直流短路電流峰值為9 600 A，穩(wěn)態(tài)直流短路電流峰值為2 000 A；IGBT承受的短路電流占比為22.2%，與理論計算值25%基本一致。

圖13表明，直流短路時，旁路晶閘管交流側進線穩(wěn)態(tài)電流峰值為7 500 A，反并聯(lián)二極管的交流側進線穩(wěn)態(tài)電流峰值為1 000 A。所選用IGBT的額定電流為1 400 A，并且采用雙管并聯(lián)方式，因而短路電流在器件安全范圍內，滿足設計要求。

圖13 交流側短路電流Fig. 13 AC-side short-circuit currents

4 試驗測試與分析

實物試驗拓撲如圖14所示，短接直流控制柜直流進線端，從交流開關柜一端給定一個交流電源，分別測試在該情況下雙向變流器單重交流側（1號點）總電流、晶閘管交流回路（2號點）電流、IGBT交流回路（3號點）電流和直流側（4號點）短路電流。

圖14 試驗系統(tǒng)原理圖Fig. 14 Schematic diagram of the test system

在交流側給定一個726 V的交流電壓，持續(xù)時間為146 ms。測試圖14中的1～4號點位波形（圖15），其中1號點位電流I1為10.03 kA，2號點位電流I2為8.906 kA，3號點位電流I3為1.049 kA，4號點位電流I4為27.11 kA。

圖15 短路試驗各支路電流值及晶閘管導通時間Fig. 15 Current values of each branch in the short-circuit test and conduction time of the thyristor

通過試驗驗證，雙向變流器旁路可承受27.11 kA、持續(xù)146 ms的短路電流，從檢測到短路電流開始到晶閘管橋完全觸發(fā)導通為止用時53 μs。在試驗中測得的流經(jīng)IGBT反并聯(lián)二極管的短路電流大小為1 049 A，流經(jīng)晶閘管橋的旁路電流為8 906 A，IGBT承受的短路電流占比為10.5%。試驗結果中IGBT支路的短路電流占比比仿真結果的更優(yōu)，其主要原因是仿真時忽略了螺栓接觸電阻。試驗后設備運行正常，驗證了該直流側短路保護方案的合理性。

5 結語

本文提出了一種基于晶閘管整流橋旁路的城軌牽引供電系統(tǒng)雙向變流器直流側短路保護方案，其既適應現(xiàn)有的地鐵直流繼電保護系統(tǒng)，能確保接觸網(wǎng)接地故障時系統(tǒng)實現(xiàn)就近保護，從而保證供電安全；同時又不影響雙向變流器的正常工作。仿真分析以及試驗驗證表明，該保護方案有以下特點：

（1）晶閘管旁路提供短路電流能力強，電磁觸發(fā)速度快；

（2）采用電磁觸發(fā)技術，使短路電流轉移時間僅為 53 μs；

（3）雙向變流器正常工作時，晶閘管整流橋不導通，兩者相互不影響；

（4）IGBT支路和晶閘管支路的阻抗設計差異實現(xiàn)了短路電流的合理分配（IGBT支路電流只占短路電流的10.5%），有效保護了設備安全。

本方案設計時忽略了晶閘管支路與IGBT支路母排剛性連接的接觸電阻，這影響了仿真結果的可信度。后續(xù)可以在母排剛性連接位置涂導電膏，以增加導電性能，減小接觸電阻，從而減小仿真誤差。