地铁牵引整流器中逆流保护必要性的探讨与分析

陈智敏

（广州地铁集团有限公司，广东广州510000）

0 引言

城市轨道交通直流牵引供电整流机组中，每个整流桥臂采用两个或两个以上的二极管并联，并联数量与整理器容量正相关，每个二极管串联一个快速熔断器。当二极管失去反向截止能力，即造成整理器交流进线相间短路，我们称之为整流器内部短路。针对上述内部短路故障，整流器设备一般设置快速熔断器和逆流保护，同时高压侧整流机组开关亦设置相关电量保护作为其后备保护。由于实际应用中逆流保护的误动作故障率较高，下面我们探讨整流器逆流保护设置的必要性。

1 整流器内部短路电流的产生与计算

1.1 相间短路电流

如图1所示，当1U4桥臂的1Z41二极管击穿，即该二极管失去反向截止能力，则造成整流器交流侧内部相间短路，短路电流流经B相→1U6→1Z41（1U4桥臂）→A相，或C相→1U2→1Z41（1U4桥臂）→A相。由于相间短路，在1U4桥臂出现相对于二极管正向导通方向的逆向故障电流。

图1 整流机组电气原理示意图

1.2 短路电流的计算分析

以下以广州地铁七号线整流变及整流器参数为例进行计算。

整流器内部短路阀侧故障相瞬态峰值电流I计算式为：

式中，I为阀侧故障相瞬态峰值电流；K1为内部短路计算系数，取1.6；1.15为稳态短路电流计算因数；Id为整流器额定直流电流，取2 000 A；Uk为整流变压器短路阻抗百分比，低压侧全短路时取7.57%，星型短路时取6.38%，三角形短路时取6.40%；0.85为考虑电网阻抗等因素的修正系数。

将以上参数代入式（1）得：

故全短路时阀侧故障相的瞬态电流有效值为：

式中，I1为阀侧故障相瞬态电流有效值。

同理，星型短路：

三角形短路：

所以，按此算法，阀侧故障相的瞬态电流有效值最小值出现在低压侧全短路时，故障电流为14 611.4 A，但一般情况下只出现星形短路或三角形短路，短路电流为17 282.5～17 336.7 A。

2 快速熔断器过流保护分析

2.1 快速熔断器作用

每个二极管支路上都串联一只快速熔断器，整流桥内二极管、快速熔断器组件的并联数量与整流器的容量有关，串联快速熔断器的作用是分断因二极管击穿而造成的交流侧短路电流，防止变压器相间短路；同时快速熔断器的选取需考虑躲开外部短路电流、整流器的过负荷以及单只桥臂熔断时其他桥臂的可承受过载能力等。故快速熔断器灵敏性、速动性、可靠性参数选择尤为重要。

2.2 快速熔断器计算分析

以下以广州地铁七号线快速熔断器参数为例，分析快速熔断器分断短路电流的能力。七号线二极管快速熔断器（1FU41～1FU61）型号为170M6546，1250V/800A，IR1300-100KA，EATONBUSSMANN。熔断时间是指弧前时间与燃弧时间之和。

查阅EATON BUSSMANN 1 250 V/800 A的安秒特征曲线图可知，14 611 A短路电流时快速熔断器弧前时间约为1.5 ms；17 336 A短路电流时熔断器弧前时间约为1 ms；根据该型号快速熔断器焦耳积分公式计算，在14 611 A短路电流时燃弧时间约为6.1 ms，17 336 A短路电流时燃弧时间约为4.3 ms。因此，当整流变的低压侧两相短路电流在14 611～17 336 A之间时，快速熔断器将在5.3～7.6 ms内熔断，切断短路电流。

3 整流器逆流保护的作用原理

如果整流器桥臂内的某个二极管反向击穿，则在这个二极管支路的熔断器开始熔断的弧前时间和燃弧时间内，将有逆向的故障电流流经这个桥臂；同理，当该支路熔断器失效，无法熔断时，亦有逆向故障电流流过桥臂。在整流器的每个桥臂设置一个电流传感器（图1中的1SC1～1SC6），用于检测此逆向电流，出现逆流时输出信号给PLC，输出跳闸信号至33 kV整流牵引开关。以广州地铁七号线为例，当电流传感器检测到逆流1 500 A时，发送信号至PLC，延时8 ms出口跳闸信号，其原理逻辑图如图2所示。

图2 逆流保护原理逻辑图

4 整流变牵引开关过流保护分析

33 kV整流变牵引开关设置电流速断保护、定时限过电流保护等。电流速断整定原则为动作电流应能躲过整流变压器空载合闸时的励磁涌流；过电流整定原则为动作电流应躲过可能出现的过负荷电流，保护牵引变二次侧短路和直流母线短路。

由上述章节计算分析可知，整流变低压侧发生相间短路，短路电流为14 611.4～17 336.7 A。结合七号线牵引整流机组整定值进行分析：

（1）电流速断保护：33 kV保护定值为544 A、0.1 s，折算二次侧为15 213.6 A。根据上述分析计算短路电流，在星型短路或三角形短路一般情况下，短路电流17 282.5～17 336.7 A，电流速断保护能准确可靠动作；在全短路极端情况下，电流速断保护不动作。

（2）定时限过电流：保护定值为196 A、0.3 s，折算二次侧为5 481.4 A，小于上述分析计算的故障电流，保护能准确可靠动作，作为整流器内部短路快熔保护的后备保护。

5 国标与行业标准无相关要求

在GB 50157—2013《地铁设计规范》、JB/T 9689—1999《牵引变电站用整流器》、CJ/T 370—2011《城市轨道交通直流牵引供电整流机组技术条件》等国家标准或行业标准中没有要求设置逆流保护。

广州地铁多条线路已撤除整流器逆流保护；在其他城市，比如长沙、上海、南京等城市，地铁项目已不考虑设置整流器逆流保护。

6 结语

通过上述分析可知，当整流器内部发生短路故障时，与二极管串联的快速熔断器在5.3～7.6 ms内迅速熔断；当快熔失效时，33 kV牵引开关电流速断保护一般情况下在0.1 s内能准确可靠跳闸，切断短路电流，作为快熔保护的后备保护；在电流速断保护失效时，过电流保护在0.3 s内能准确可靠跳闸，作为快熔保护及电流速断保护的后备保护。因此，综合逆流保护的可靠性、建设和维护成本考虑，同时从整流机组的供电可靠性出发，牵引整流器可不再考虑设置逆流保护。

[1]城市轨道交通直流牵引供电整流机组技术条件：CJ/T 370—2011[S].

[2]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.

[3]丁光发，张刚，周华杰.对整流器不必设置逆流保护的探讨[J].都市快轨交通，2005，18（1）：74-75.

[4]于松伟，杨兴山，韩连祥，等.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M].成都：西南交通大学出版社，2008.