取消地铁牵引整流器逆流保护的可行性研究

林勇波 刘晓晖

（广州地铁集团有限公司，广东广州510000）

0 引言

在城市轨道交通牵引变电所内通过整流变压器将AC 33 kV降到AC 1.18 kV，经整流器转换成DC 1 500 V向接触网送电，每座牵引变电所由整流变压器和整流器组成整流机组，24脉波整流电路由两组12脉波整流电路组成，12脉波整流由两个6脉波3相整流桥并联组成。整流器交流侧及直流侧均设有过电压保护，同时整流器内部还设有短路保护，包括快速熔断器保护和逆流保护，针对牵引整流器取消逆流保护的可行性，本文将从多个方面阐述说明。

1 整流器本体的保护设置

整流器本体交直流侧均接有压敏电阻及特种熔断器实现过电压保护，整流器内部每个二极管支路上串联一个快速熔断器，可快速隔离桥臂支路二极管击穿造成的整流器阀侧相间短路。

除以上保护，整流器还设有逆流保护。当某一桥臂二极管反向击穿后，内部两相间发生短路情况，支路上熔断器因质量问题未熔断，支路电流互感器采集逆流信号给整流机组高压侧断路器继保发出跳闸信息，跳开高压断路器保护整流机组。

鉴于目前整流器逆流保护范围其他保护已经覆盖，为进一步保障直流牵引系统供电的可靠性，本文将对整流器是否可取消逆流保护做进一步的全面探讨。

2 可取消整流器逆流保护的理由

2.1 从整流器交流侧及直流侧分析短路故障时保护动作情况

2.1.1 交流侧整流器元件击穿造成内部短路故障

如图1所示，支路快速熔断器保护及整流机组高压侧断路器保护可快速切除故障。

判断无逆流保护情况下快速熔断器等各保护功能是否能够准确保护动作，需计算故障后的短路电流大小。举例广州地铁6号线整流机组参数计算，目前6号线整流变容量有两种，分别为3 300 kVA和2 200 kVA，以容量3 300 kVA的整流变进行短路电流计算。

2.1.1.1 3 300 kVA变压器短路电流计算

S=3 300 kVA，变比：U1/U2=33 kV/1.18 kV，短路阻抗电压6.5%（阀侧两绕组一组开路一组短路），短路阻抗的误差允许范围为±10%。

据此，计算二极管反向击穿后的两相短路电流。

图1 整流器电路原理图

2.1.1.1.1 高压侧

三相短路电流：

两相短路电流：

2.1.1.1.2 低压侧

三相短路电流：

两相短路电流：

2.1.1.2 3 300 kVA变压器低压侧短路后相关保护启动情况分析

2.1.1.2.1 快速熔断器保护动作情况分析

整流器的快速熔断器型号规格为800 A/1 250 V，根据此熔断器安秒特征曲线可知，10 000 A短路电流时快速熔断器熔化时间是3.16 ms；20 000 A短路电流时熔断器熔化时间是0.50 ms。另，该型号熔断器燃弧时间均约2 ms，全分断时间为熔化时间与燃弧时间之和，因此故障后快速熔断器全分断时间约5.16 ms至2.5 ms。取最大值，5.16 ms。3 300 kVA整流变的低压侧两相短路电流为19 556.71 A，因此故障后快速熔断器能准确保护动作。

2.1.1.2.2 33 kV开关保护动作情况分析

整流器二极管反向击穿后，整流变低压侧两相短路，高压侧故障电流为699.30 A。依据目前3 300 kVA整流变对应的保护整定值可得：

（1）33 kV侧速断保护整定值564 A/0.1 s，故速断保护将作为后备保护准确保护动作；

（2）过流保护整定值197 A/0.3 s，故过流保护将作为后备保护，能准确保护动作。

2.1.1.2.3 电流型框架保护动作情况分析

在整流器二极管击穿情况下，柜内可能产生燃弧，带电体可能对外壳放电，当放电电流达到或超过80 A后电流型框架保护立即动作，此保护无延时。

2.1.2 直流侧整流器元件击穿造成内部短路故障

此时，根据二极管单向导通的特点，直流侧故障时不能将短路电流反馈至交流侧。正因如此，在GB 5951—1986《城市无轨电车和有轨电车供电系统》中规定有半导体器件组成的整流装置不需要设置逆流保护。

2.2 从保护动作时间考虑可取消逆流保护

整流器二极管击穿造成内部故障，在整流器支路熔断器未熔断情况下，造成整流变压器阀侧两相短路，整流变压器网压侧电流互感器CT g检测短路电流，通过继保CP的电流速断保护跳开整流机组进线开关，而逆流保护通过桥臂CT n采集逆流信号，通过整流器PLC逻辑判断将逆流信号通过IP硬接点输出至继保CF，发跳闸指令跳开整流机组进线开关，如图2所示，可以判断逆流动作时间大于33 kV高压侧速断保护时间，故可不必再设置逆流保护。

图2 整流器元件击穿的后备保护

2.3 其他理由

（1）地铁直流供电系统为双边供电，同一供电臂由两个牵引混合所通过整流机组将AC 33 kV降压逆变成DC 1 500 V电源，当邻所有逆流过来时，本所通过直流201、202进线开关逆流保护动作切断短路电流。

（2）单个牵引变电所通过两台整流机组并列运行实现降压整流，当单台或两台整流器故障时，整流机组高压侧断路器将采集短路电流，跳开高压侧106、107断路器及本所直流断路器，使故障点与外部隔离。

（3）城市轨道交通牵引所整流器实现逆流保护，需要在每个整流桥臂串联一个CT作为采流装置，不但增加了投资，增加了维护成本，还增加了直流系统的不稳定性。据统计广州地铁已有多次因整流桥臂CT不稳定引起整流器逆流保护跳闸故障，从供电稳定性方面考虑，可以取消逆流保护。

3 结语

综上所述，整流器其他保护已经覆盖逆流保护范围，为进一步保障直流牵引系统供电的可靠性，可以考虑取消整流器逆流保护。

[1]高劲，董斌.广州地铁1号线牵引供电整流器的保护配置[J].机车电传动，2003（2）：31-32.

[2]城市无轨电车和有轨电车供电系统：GB 5951—1986[S].