中國標準動車組高壓系統接地故障定位方案優化

劉斌普,李海濤,王春浩,于 東,雷露飛

(中車青島四方機車車輛股份有限公司 檢修服務事業部,山東 青島 266111)

鑒于CR400AF型“復興號”動車組在報出網側過流故障后無法準確判斷出接地故障單元,直接影響故障發生后的應急處置決策,通過換弓試驗來輔助判斷接地故障單元導致故障再次發生的概率為50%,若在停車狀態下重復發生接地故障有可能造成故障擴大化。

通過分析原有主電路拓撲結構,在不增加電流互感器的前提下,通過調整電流互感器的安裝位置及采集方式,既可實現牽引變壓器的過流、接地保護,當網側發生過流故障后還可以通過系統組合邏輯實現接地故障單元的定位,為應急處置提供決策依據[1]。

1 高壓接地故障

目前國內接觸網實際使用27.5 kV單相工頻交流電,動車組使用單受電弓從接觸網取流,通過高壓母線向2個單元輸送高壓電,高壓電纜外漏部分不可避免受到異物擊打,逐漸導致高壓部件氣隙擴展,發生擊穿放電[2-3],查看前期高壓系統接地故障時地面監測數據,發現第一次接地故障放電最大電流4 545 A,第二次接地故障放電最大電流高達6 367 A,如表1所示。首次放電發生后絕緣已被完全破壞,導致二次故障時電流再次增加,對接觸網造成的影響更加明顯,不計車輛、接觸網及受電弓接觸阻值僅按照接觸網側變壓器參數計算,理論最大電流3 475～6 370 A。

表1 接地故障電氣參數值

當高壓母線連接的設備及線纜發生接地故障時,由于高壓母線都連接在一起,發生故障時若動車組不降弓情況下,接觸網2 s自動重合閘將發生第二次接地故障,由于動車組單元之間沒有檢測元件,車組無法直接判斷出故障點是否位于升弓單元,2個單元通過高壓隔離開關隔斷后,升起任意一架受電弓就存在50%概率將故障單元重新投入工作,再次發生放電故障,發生故障后檢查接觸網及動車組碳滑板外觀均存在灼傷痕跡[4],如圖1所示。

圖1 動車組受電弓碳滑板灼傷

2 原有高壓系統故障技術方案

2.1 原有高壓系統拓撲結構

CR400AF平臺動車組除受電弓、車頂避雷器、牽引變壓器接地端電流互感器(CT3)外,其他高壓設備均安裝在高壓設備箱內,高壓系統通過受電弓從接觸網取流,通過主斷路器VCB后分為2路,分別去往本單元牽引變壓器及其他單元高壓設備箱[5],2個單元高壓設備箱之間通過高壓隔離開關連接,某一單元發生故障時可通過斷開高壓隔離開關實現2個單元分離,使用無故障單元單獨牽引,動車組原高壓系統拓撲如圖2所示。

圖2 動車組高壓系統拓撲圖

由圖2可以看出,CR400AF型動車組在網側、牽引變壓器的原邊和接地端分別設置了電流互感器,其中CT1驅動過流繼電器實現網側電流過流保護并由電能監控裝置采集,并未采集至TCMS系統及牽引變流器;CT2和CT3分別采集進入各自牽引單元的兩臺牽引變流器,通過牽引變流器實現牽引變壓器的保護功能,并未對2個單元之間的高壓母線采集任何信號[6]。

2.2 原有高壓系統故障保護功能

原有高壓系統故障保護通過CT1、CT2、CT3電流互感器實現,具體通過CT1實現受電弓至高壓設備箱母線過流檢測,CT2、CT3電流互感器實現牽引變壓器保護[7-8],當受電弓升弓時僅可通過CT1檢測是否有大電流通過,無法判斷具體接地點在升弓單元還是在非升弓單元,具體邏輯見表2。

表2 改進前方案保護邏輯

2.3 接觸網保護功能

短路故障啟動保護方式:電流速斷保護、電流增量保護、阻抗保護等。

保護時間:發現故障信號至發出斷路器動作控制命令的時間,電流速斷保護100 ms、電流增量保護400 ms、阻抗保護100 ms,其中車輛高壓擊穿放電由電流速斷保護實現,再考慮饋線斷路器動作時間40～60 ms,因此從變電所發現短路,到變電所斷路器開關斷開,接觸網失電,整個過程耗時在140～160 ms之間[9-10]。

變電所饋線斷路器重合閘時間:對于接觸網單相供電線路,檢測出故障及合閘時間2 s,變電所重合閘時序過程如圖3所示。

圖3 變電所重合閘時序

2.4 原有方案存在的問題

由于兩個高壓單元之間未設置電流互感器,升弓單元與非升弓單元的電流信息無法進行互通,該拓撲結構下,無法檢測通過兩個單元之間的高壓母線去往其他單元的電流,兩個單元中具體哪一單元發生接地故障無法判斷。

雖然TCMS可以通過牽引變流器MVB協議獲取其他單元CT2和CT3的數據,但是牽引變流器與TCMS之間最快傳輸端口周期為32 ms,TCMS采集加上傳輸延遲時間約為200～300 ms左右,而網側過流故障保護時間一般在80 ms以內,使得TCMS無法完成主電路過流的快速保護,而且CT2和CT3的數據僅能檢測變壓器前后發生的高壓故障,對于其他單元高壓設備箱內CT2之前的高壓故障依然無法檢測出故障具體發生在哪一單元。由于未在高壓單元之間設置檢測信號,無法區分接地點在升弓單元還是非升弓單元,無法準確決策斷開母線后使用哪一單元維持運行,存在再次投入故障單元風險。

3 改進高壓系統故障技術方案

3.1 改進思路

現有的CT2和CT3均已由牽引變流器TCU進行采集,實現牽引變壓器的過流和接地保護,動車組CT1僅實現硬件保護斷開VCB,未直接進入變流器采集數值,考慮到TCU的采樣速度(TCU采集周期小于80 μs)較快,數據采集同步性和一致性較好,因此考慮將CT1回路串聯進入變流器電流采集口,實時采集CT1電流互感器電流值,實現主電路電流互感器數據的采集和邏輯判斷。

若要實現2個高壓單元接地準確定位,需在兩個單元之間的高壓母線上增加一個信息采集電流互感器,該電流互感器在動車組正常運行時,檢測的是非升弓單元的工作電流,由此可分為兩種方案:

(1) 保留CT1、CT2、CT3在主電路的現有布置,在高壓母線增加一個電流互感器CT4,將一個高壓單元的所有4個電流互感器數據采集進入本單元的牽引變流器TCU,如圖4所示。

圖4 新增CT4電流互感器

(2) 保留CT1、CT3在主電路的現有布置,將牽引變壓器原邊側電流互感器CT2從原位置拆除,挪至高壓母線處改名稱為CT4,如圖5所示。

圖5 更改CT2為CT4并虛擬CT2

將一個高壓單元的所有3個電流互感器數據采集進入本單元的牽引變流器TCU,再挪走CT2的位置形成一個“虛擬CT2”,該“虛擬CT2”的值通過升弓單元的CT1與升弓單元的CT2進行換算,換算后的電流值實際為牽引變壓器原邊高壓側+高壓設備箱內部設備的泄露電流,可節約1個電流互感器成本。

3.2 改進方案

為實現高壓接地定位功能,將CT2由牽引變壓器原邊移至高隔后端的高壓貫穿母線并更改名稱為CT4,并將網側CT1電流信號采集進本單元兩臺牽引變流器如圖6,通過牽引變流器判斷實現高壓接地定位。同時,為采集半剛性終端絕緣失效時通過屏蔽層的泄放電流,將屏蔽層在高壓設備箱內穿過CT1。

圖6 改進方案

網側過流保護功能:進行硬件變更后,網側過流故障保留并且范圍由受電弓升起單元的兩臺牽引變流器進行判斷,可判斷出是否本單元發生接地故障,具體方法見表3。

表3 改進后方案保護邏輯

因此報出相應故障代碼時可以立即確認故障點所在單元,切除高壓隔離開關、升非故障單元受電弓即可維持運行。

4 總結

通過新方案的實施,實現了高壓系統發生故障后,系統直接判斷出故障發生在升弓單元還是非升弓單元,直接指導現場人員切除故障單元,使用非故障單元維持運行,減小了對行車秩序的影響,通過直接切除故障點,避免了故障車廂再次投入發生接地故障對接觸網的影響,避免了故障擴大化,但是高壓系統故障的提前識別仍需深入研究,預防接地故障的發生[11]。