摘要：地铁采用大环网供电方式后，采用数字通信过流保护才能满足时间极差配合的要求，而能馈式再生制动系统的引入，对数字通信过流保护带来的一些不利的影响。本文通过深入分析各种工况下能馈系统对保护的不利影响，提出合理的应对方案，有助于中压供电环网供电的可靠性。
关键词：地铁；再生式能馈；数字通信过流保护；大分区供电
0引言
为了降低建设投资，采用结构简单的“大分区”中压环网供电系统，已经成为地铁供电系统的主流方案，由此带来的问题是传统过流保护作为后备保护，无法实现时间极差的逐级配合。数字通信过流保护，依赖地铁单端供电的运行方式，以上下级开关是否均有过电流作为判据，通过保护装置间的光纤通信进行信息互传、比较和逻辑判断，实现保护的完全选择性[1]，无需考虑时间极差配合问题，很好的解决了大分区供电的问题。
在地铁运营中，能耗主要为列车牵引耗电，由于地铁车站的站间距较短，列车启停频繁，列车制动导致了40%左右的牵引电能被消耗[2]。为了降低地铁电能消耗，降低运营成本，采用能馈式再生制动技术，将制动电能反馈到中压供电环网中，将大大提高制动能量的再生利用率。目前能馈式再生制动系统已经在若干线路上投入运行，将会成为轨道交通制动能量再生的重要发展方向。
再生能馈系统的出现，使地铁中压供电系统不再是简单的单端供电系统，在中压系统发生故障时，能馈系统的工作，将列车制动回收的能量反馈到中压环网，对故障点提供故障电流，这将影响到数字通信过流保护的基本判断原理。本文通过对各类故障情况下过流保护的动作进行分析，说明能馈系统对数字通信过流保护的不利影响，并提出相应的应对方案。
1 能馈系统带来的问题及分析
1.1 数字通信过流保护失去选择性
能馈系统在列车制动时，将制动能量逆变后输送到中压网。当中压供电网发生故障时，除电源端提供故障电流外，能馈系统也会提供故障电流，供电系统将不再是单端电源系统。
如图1所示，在未设置能馈系统的情况下，系统为单端电源，电流由牵引所1流向牵引所5。K1点故障时，变电所2-104开关有过电流，变电所3-102开关无过电流，通过保护装置间的数字通信，可准确快速判断出故障点K1位于变电所2-104与变电所3-102之间。
图1 未设置能馈系统的故障电流示意图
如图2所示，在设有能馈系统的情况下，牵引所4-112开关会有逆变电流流入母线。K1点故障时，变电所2-104、变电所3-102开关都有过电流，无法准确判出故障点K1的位置，数字通信过流保护拒动，由后备过流保护经过较长延时后动作。
图2 设有能馈系统的故障电流示意图
1.2 故障范围扩大
能馈系统的逆变单元中最主要的元器件是IGBT，出于自我保护的需要，在过电流时，其保护控制系统需要关断IGBT，同时联跳上级AC35kV开关和下级DC1500V开关。
为了充分发挥能馈系统的作用，需要在每个接触网区间都设置能馈系统，所以整条地铁线路上会有多套能馈系统。那么当中压供电网发生故障时，所有的能馈系统都将有故障电流流过，中压供电网上的一点故障，会扩大到整条线上所有设有能馈系统的变电站，造成故障的影响范围扩大，非常不利于运行检修。
图3
如图3所示，牵引所2，牵引所4，以及另一供电区间的牵引所5都设有能馈系统，在K1点故障时，理论上3组能馈系统都有过电流，会跳开相应的112断路器，使故障范围扩大。
2 解决方案
2.1保护选择性问题
如图2所示，能馈系统使中压环网变为多端电源，在数字通信过流保护的故障判别周期内，上下级开关均有过电流，导致保护失去选择性。
能馈系统的IGBT在短路和过流时，必须在微秒级的时间内关断电流，否则就会导致器件失效[3]。而数字通信过流保护的故障判别周期为50毫秒，远远大于能馈系统关断过电流的时间要求。所以在发生故障后，首先是能馈系统迅速关断IGBT，停止逆变，使系统在几百微秒内恢复为单电源系统，这个延时对保护装置的电流采样、数据通信和逻辑判断等不会产生实质性的影响，也不会对保护的故障判别时间有太多的影响，数字通信过流保护完全可以按照单端电源系统方式下进行工作，保护的选择性、快速性仍然可以并存。
图4
2.2故障范围扩大
如图3所示，故障情况下，全线多个能馈系统均有故障电流，出于能馈自我保护的需要，关断IGBT后，还需要联跳上下级开关，彻底隔离过电流。由此可见，联跳开关造成了故障范围扩大，但若取消联跳，能馈系统自身又将承担一定的风险。综合两方面需求考虑，提出以下的解决方案。
能馈系统在检测到过电流后，100微秒内关断电流，然后经过时间延时后，再结合母线电压的判据，才发出联跳AC35kV、DC1500V开关的信号。正常情况下数字通信过流保护切除故障时间200ms，能馈系统联跳的时间延迟与数字通信过流保护延时进行极差配合，可以设为IGBT关断后300ms出口。
如图5所示，K1点（牵引所2母线）发生故障，牵引所1、牵引所2、牵引所5的能馈间隔均检测到过流后，关断IGBT，并延时出口联跳上下级开关。在此延时时间内，保护动作跳开牵引所2-102、104开关，牵引所1、牵引所2的母线电压恢复正常，则联跳出口返回，导通IGBT恢复运行；牵引所2在保护动作后，母线仍然处于故障状态，母线失压，则牵引所2的能馈系统联跳出口动作，跳开牵引所2-112
开关。
图5
由此可以让能馈系统有效的区分区内区外故障，缩小故障范围，并能快速恢复供电。
3引申问题及分析
根据上述的解决方案，能馈系统联跳出口的延时需要匹配数字通信过流保护动作延时。但是如果能馈系统设置在故障点以下的站，则仅仅考虑与保护动作延时匹配是不够的。
图6
如图6所示，牵引所2、3之间的环网电缆K1发生故障，牵引所4的能馈系统联跳出口考虑与数字通信过流保护配合，延时300ms后，结合母线电压判据出口联跳上下级开关。在300ms延时后，牵引所4的母线电压是无法恢复的，因为牵引所4的母线电压恢复，是依靠牵引所3的母联合闸，母联通过备自投合闸的延时，通常是在500ms以上的。那么造成的结果就是牵引所4-112被联跳，牵引所2、3之间的环网电缆K1点的故障被扩大到牵引所4。
为了能够避免这样的问题，能馈系统联跳出口还需要考虑与备自投动作延时匹配，在备自投合闸成功后，如果仍然母线无压，才能联跳出口。
4 结论
通过对中压环网各类故障情况的分析，讨论了能馈系统对数字通信过流保护的一些不利影响，并针对这些影响提出了应对方案：
首先，能馈系统需要在自身的保护控制系统中，保证在微秒级的时间内关断IGBT，确保自身不被过流损坏，同时这也是数字通信过流保护判据的前提条件。
其次，过流保护需要能够接收能馈系统的联跳信号，以确保在故障时有效的隔离，避免能馈系统的损坏。
第三，能馈系统联跳上下级开关的逻辑，需要考虑母线无压的判据，同时设置合适的延时定值，该延时定值需要与过流保护和备自投的延时时间匹配。该逻辑的实现，可以由能馈系统来实现，也可以由过流保护来实现，具体可根据工程情况酌情确定。
参考文献：
[1]高云霞，王立天. 地铁供电系统电流选跳保护及方案优化[].现代城市轨道交通,2011,1-4
[2]王彦峥，苏鹏程. 城市轨道交通再生电能回收技术方案的研究[J].电气化铁道,2004,（2）：37-40.
[3]刘云峰，陈国平. IGBT的过流保护策略[] .电子器件,1999（）：31-39.
作者简介：
高宇膺（1986-），男，陕西定边人，大学学历，助理工程师，主要从事电力系统继电保护的设计和研究工作。Email：gaoyy@nrec.com
论文作者:高宇膺
论文发表刊物:《电力设备》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/19
标签：故障论文; 系统论文; 过流论文; 电流论文; 母线论文; 数字通信论文; 中压论文; 《电力设备》2017年第33期论文;