基于列车负荷特性的电流增量保护优化设计

2019-10-14王蓉蓉章鼎然

城市轨道交通研究 2019年9期

师睿王蓉蓉章鼎然

(1.北京京港地铁有限公司,100068,北京; 2.国网冀北电力有限公司管理培训中心,100068,北京;3.北京市轨道交通运营管理有限公司,100068,北京//第一作者,高级工程师)

北京地铁4号线采用了第三轨供电制式，其直流馈线开关使用西门子SITRAS DPU系列保护装置，设置了电流速断、电流增量、电流变化率、过负荷等保护。在日常运行过程中，曾出现当列车通过第三轨断电区时，由于充电电流过大引起Delta保护动作的情况，对运营带来一定影响。

本文从电客车内部主电路入手，分析了电客车通过第三轨断电区时LC回路的电流动态过程，推导了计算公式，并在此基础上提出了优化馈线开关增量保护的整定方法。

1 电客车主回路分析

目前，城市轨道交通电客车基本都采用VVVF(可变频)型牵引变流器。因此，直流牵引系统负荷特性即为VVVF型变流器的基本特性。

图1是典型的VVVF型变流器等效简化的主回路接线。电客车通过受电靴或受电弓从第三轨(3rd Rail)或接触网(OHL)引入直流牵引电源后，经过高速断路器(HSCB)、预充电回路(包括接触器S1、S2和限流电阻R)，接入直流侧LC(电感电容)滤波回路，之后再进入电机逆变器模块(MCM)。

图1 VVVF型牵引逆变器主电路简化示意图

电客车在正常起动时，预充电回路的S1闭合，S2分断； HSCB合闸后，在R的限流作用下，向MCM直流侧电解电容组C充电，待C两端电压达到额定工作电压后， S2合闸，短接R；正常情况下，由于MCM预充电回路的存在，车辆直流侧电解电容充电电流将被限制，不会造成牵引变电所馈线保护动作跳闸。

当电客车通过第三轨断电区、并且与电客车相邻供电区间第三轨或接触网对钢轨短路等情况时， C的电流将发生瞬时变化。由于此过程持续时间仅数十毫秒，小于预充电回路的动作时间，故充电电流不会受到限制，并导致牵引所直流馈线保护动作跳闸。

因此，在直流馈线开关保护整定时，应通过调整定值参数或其他措施，避开上述瞬态过电流，避免继电保护误动作。

2 电客车通过第三轨断电区时的电流分析

第三轨供电系统均会在牵引站站台列车尾端的外侧设置电分段。该电分段距离大于电客车受电靴间距，以隔离不同供电分区。

当列车以惰行工况通过电分段时，由于MCM没有输出，其直流侧电容的电压不会波动，但若电客车临时在站前停车，之后再以牵引工况通过电分段，则该直流侧电容会有一个放电后重新充电的过程。这个充电过程常常会导致继电保护误动作，其过程如图2所示。

图2 电客车通过电分段示意图

在图2a)中，电客车进入电分段，与供电网络脱离接触，如此时车辆处于牵引状态，牵引逆变器将持续工作，“抽”走滤波电容器上存储的电荷，使滤波电容电压急剧下降；而当电客车行驶至图2b)位置，受流器重新与第三轨接触时，由于此时电客车预充电回路并不起作用，将产生一个非常大的电容充电电流，这个充电过程的等效电路如图3所示。

图3 列车触碰第三轨时的等值电路

从图3可知，列车受流器触碰第三轨的瞬间，其滤波器充电回路是一个典型的二阶零状态过程，设此时电容电压下降至UC0，第三轨电压为US，滤波电感和滤波电容分别为L和C，充电电流为ich，则该回路的时域状态方程可写为：

(1)

式中：

t——时间。

解此二阶微分方程得：

(2)

考虑最不利的情况，即滤波电容电压在充电前为0，则充电电流表达式变为：

(3)

以4号线电客车滤波回路的参数为例，MCM滤波电感L=1.2 mH，直流侧电容C=2×12 mF，取第三轨空载电源电压US=825 V，代入式(3)，计算可得，该车辆过分段区时的充电电流幅值I0=3 689 A，周期T=33.78 ms，电流变化率时域表达式为：

di/dt=i′ch=687.5 cos(0.186t)

(5)

其中，t单位取ms。图4为列车过第三轨电分段致使断路器跳闸时采集到的电流波形。其中该波形与式(3)的表达式非常接近，但由于整流机组的单向导电性，充电过程不会出现负向电流，波形仅为正弦波的正向部分。由此可以基本断定，列车LC回路的充电电流就是导致牵引所馈线跳闸的原因。

3 馈线断路器跳闸原因及优化方案

3.1 跳闸原因分析

以北京地铁4号线为例进行分析,牵引直流馈线断路器di/dt+ΔI保护参数的原设置如表1所示。

表1 直流馈线断路器保护整定值原设置

按照ΔI保护的动作逻辑，当电流变化率大于50 kA/ms且持续5 ms，同时电流增量大于3 500 A，则ΔI保护动作于跳闸；

由式(3)计算可得，电流增量由0增至3 500 A的时间为t3 500=6.717 ms。此时的电流变化率为di/dt=217.2 kA/s。大于整定值50 kA/s，时间、幅值、变化率均满足ΔI保护动作条件，因此电客车通过电分段区时产生的充电电流将导致ΔI保护动作。虽然从图3中可以看出，在断路器断开主回路前(约在25 ms左右)充电过程已经结束，回路电流降低到0，但由于跳闸信号已经出口，断路器仍然会跳闸。