整流器承受短路电流能力分析

刘爱华，华春阳

整流器承受短路电流能力分析

刘爱华，华春阳

分析了整流器在发生正负极之间的短路故障、正极对外壳的碰壳故障等故障方式下的承受短路电流值、承受短路电流时间值，并最终确定了整流器的承受短路电流能力。

承受短路电流；碰壳故障；正负极之间的短路故障

0 引言

供电系统作为城市轨道交通的重要组成部分，其安全可靠运行是整个城市轨道交通系统安全畅通运行的基础，因此供电系统设备的安全可靠性显得尤为重要。

供电系统设备的承受短路电流能力，对于系统能否安全可靠运行，有着至关重要的作用。当供电系统发生短路故障时，系统中所有设备都应在断路器跳闸切除故障前，承受回路中流经的短路电流，否则系统将出现设备烧毁，甚至爆炸的事故。因此，为设备选择合理的承受短路电流能力，是方案设计、设备选型中的重中之重。

整流器作为牵引系统中的重要整流设备，在变电所中更是占据举足轻重的地位。而目前直流设备的承受短路电流能力并没有完善的设计规范指导，设计院、设备厂家在工程实践中均缺乏相应的设计依据。

本文以典型变电所主接线（其中整流机组容量按3 000 kW考虑）为例，根据整流器发生故障的不同位置，从设备承受的短路容量、切除故障的保护类型、保护范围及动作时间进行讨论分析，以最终确定整流器的承受短路电流能力。

1 发生在整流器正负极之间的短路故障

当整流器内部发生正负极之间短路故障时，整流机组进线开关及直流进线开关将会出口跳闸，切除故障。在断路器出口跳闸切除故障之前，整流器应保证自身能够耐受系统的短路电流，不会因此出现烧毁进而影响系统的安全可靠运行。

1.1 承受短路电流的估算

整流器内部发生的正负极之间短路故障，等效于直流1 500 V正负极母线处的短路。

该正负极短路点流经的短路电流，除本整流机组提供的短路电流I1外，还包括本所1 500 V直流母线上并联的另一套整流机组提供的短路电流I2，以及接触网线路上并联的其他变电所提供的短路电流I3，短路电流如图1所示。

图1 整流器发生正负极短路时电流流向示意图

众所周知，正负极间的短路电流特性曲线如图2所示，图2中，Id代表直流断路器的实际开断电流，Icc为稳态短路电流。对于整流器而言，直流断路器的跳闸并不能立即切除自身承受的短路电流，而交流断路器跳闸切除故障时间又大于系统达到稳态电流的时间，因此整流器承受短路电流应参考稳态短路电流Icc。

图2 短路电流曲线及直流断路器分断特性曲线图

变压器短路阻抗按8%考虑时，3 000 kW整流机组在直流1 500 V母线侧稳态短路电流为

即当整流器正负极之间发生短路故障时，整流器承受的短路电流约为25 kA。

1.2 承受短路电流的时间

当整流器正负极之间发生短路故障时，该整流机组进线开关123的保护应出口跳闸，完成故障切除。同时直流进线开关202的保护也应动作，切除本所1 500 V直流母线上并联的另一套整流机组及接触网线路上并联的其他变电所向故障点提供的短路电流。

整流机组进线开关处的保护配置有：电流速断、过电流、零序电流、过负荷保护，以及整流变压器、整流器内部保护。其中，电流速断、过电流保护可作为整流器内部正负极短路故障的保护。

1.2.1 电流速断保护

电流速断保护范围是否包括整流器还需做进一步分析计算。

首先计算直流母线处最小短路电流，假设输入条件：主所110 kV的系统短路容量S= 1 200 MV·A；主变短路阻抗Ud% = 10.5，容量Se= 25 MV·A；截面为300 mm2的电缆长度L= 20 km；整流变短路阻抗Ud% = 8，容量Se= 3.3 MV·A。

将上述条件输入到Matlab内，根据组建模型，计算出整流器出口处正负极短路时，暂态峰值电流为34.2 kA，约在54 ms时达到稳态，稳态电流为20.5 kA。

稳态电流折算至整流机组进线处为545 A。按灵敏度系数1.2考虑，折算至整流机组进线处电流值小于454 A时，方可出口跳闸。

整流机组进线开关电流速断保护按9倍额定电流进行整定，由此3 300 kV·A整流变压器的电流速断保护整定值为490 A，接近且略大于454 A。

即整流机组进线开关123处电流速断保护的范围不包括整流器。

1.2.2 过电流保护

（1）保护范围。整流机组进线开关的过电流保护按4倍额定电流进行整定，3 300 kV·A整流变压器的过电流保护整定值为218 A，远小于直流母线处最小短路电流454 A。

即整流机组进线开关123处过电流保护的范围包括整流器。

（2）切除故障时间。整流机组进线开关过电流保护时间延时一般为300 ms，而35 kV断路器的全分断时间一般不超过60 ms。

因此，整流机组进线开关123处的过电流保护启动后，断路器分闸切除故障的时间应不超过370 ms。

（3）承受短路电流的时间。整流器承受短路电流的时间，从发生短路故障起，到保护出口驱动断路器跳闸止。

从发生短路故障到过电流保护启动的时间，最大不超过从发生短路故障到短路电流达到稳态电流的时间54 ms。

因此由过电流保护出口跳闸切除短路故障时，整流器承受短路电流的时间约为430 ms。

1.2.3 直流进线开关的逆流保护

直流进线开关202处的逆流保护，能够切除故障发生在整流器出口处，由直流母线逆向向短路点提供的短路电流。

直流进线开关逆流保护的整定值一般仅为几百安培，完全能够保护该处的短路故障。

由于逆流保护定值较低，系统短路电流上升率较高，发生短路故障后瞬间即可达到逆流保护定值，因此从发生短路故障到逆流保护启动前的时间可以忽略不计。

直流断路器在启动逆流保护后的40 ms之内能够切除来自直流母线侧的故障电流，包括本所另一套整流机组提供的短路电流I2，以及接触网线路上并联的其他变电所提供的短路电流I3。

逆流保护出口后，联跳整流机组进线开关123，故障发生100 ms后出口跳闸，切除故障。

1.3 小结

综上，整流器正负极间的短路故障切除是由直流进线开关202逆流保护动作并联跳整流机组进线开关123跳闸完成的，整流器承受短路电流的时间约为100 ms。

在本文所述的输入条件下，整流机组进线开关的电流速断保护范围不包括整流器。特别说明的是：本结论并不适用于所有工程，在工程中应根据具体的输入条件计算确定。

整流机组进线的过电流保护范围包括整流器，整流器承受短路电流的时间约为430 ms。需特别说明的是：从发生短路到达到稳态电流的时间54 ms是在本文所述的输入条件下计算得出，并不适用于所有工程，在工程中应根据具体的输入条件计算确定。

因此，整流器所承受的短路电流能力是至少保证其在100 ms内能承受25 kA短路电流。

对于不同的整流器柜体的工艺及结构设计，发生正负极间短路故障的概率也不相同。对于不可能发生正负极短路故障的整流器柜体，其承受短路电流能力的计算可不考虑该种故障。

2 正极对外壳的碰壳故障

当整流器发生正极对外壳的碰壳故障时，框架泄漏保护将会出口动作，使整流机组进线开关、本所的直流断路器分闸，切除故障。在整流机组进线断路器、本所的直流断路器出口跳闸切除故障之前，整流器应保证自身能够耐受系统的短路电流，不会因此出现烧毁进而影响系统的安全可靠运行。

2.1 承受短路电流的估算

当整流器发生框架泄漏故障时，正极的高电压经外壳、小电阻的电流元件，瞬间将地电位抬高，使得地与轨之间电位差变大，满足钢轨电位限制装置晶闸管的动作电压，导致晶闸管0.1 ms内启动闭合，形成地与轨之间的电气连通。

因此，当整流器发生框架泄漏故障时，由于钢轨电位限制装置晶闸管的快速闭合，导致正极—外壳—地—轨电位—轨—负极的回路电阻大大降低，在忽略正极对外壳的弧光电压时，回路的短路电流与正负极之间发生短路故障时的短路电流相当。其中，流经故障整流器主回路的短路电流I1仍为25 kA。同时，本所另一套整流器提供短路电流I2，线路上左右邻所共提供短路电流I3，短路电流如图3所示。

图3 整流器发生碰壳故障时电流流向示意图

2.2 承受短路电流的时间

框架泄漏保护电流元件启动后，经联跳电阻转接入整流机组进线开关柜121、123，直流开关柜211、212、213、214联跳断路器出口跳闸。

不同开关柜厂家由于转接继电器的选型及数量不同，其延迟时间也不尽相同，但都可在110 ms内完成交流电源侧的断路器出口跳闸，80 ms内完成直流电源侧的断路器出口跳闸。

2.3 小结

综上，整流器正极对外壳的碰壳故障是由框架泄漏保护联跳整流机组进线开关、直流开关，切除本所和邻所的故障电流完成的。

此时对整流器提出的承受短路电流能力是至少保证其在110 ms内能承受25 kA短路电流。

3 结语

综合上述分析可知，对于整流变压器短路阻抗为8%、容量为3 000 kW的整流机组而言，其整流器的承受短路电流能力应满足：至少保证其在110 ms内能承受25 kA短路电流。

本文对整流器承受短路电流能力进行了计算分析，希望能够在缺少设计规范的指导下，为相关技术人员在工程实践中提供参考及帮助。

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

刘爱华.中铁电气化勘测设计研究院有限公司，高级工程师，电话：13370336630；华春阳.中交铁道勘察设计院有限公司，工程师。