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摘要：本文介绍了小功率牵引试验平台的继电保护设计原理以及关键设备参数计算方法，为继电保护装置选型提供了依据。
关键字： 小功率牵引试验平台 继电保护设计原理 关键设备参数计算方法
Abstract This paper introduces the small power relay protection design principle of the traction test platform and key equipment parameter calculation method, provide the basis for selection of relay protection device。
Key words Small power traction test platform，Design principle of relay protection，Key equipment parameter calculation method
在配电系统中，通过设置继电保护装置可以实现短路保护、过负荷保护以及接地故障等保护功能，从而防止因设备或线路故障导致设备过热损害、人员伤害、甚至导致电气火灾，所以在配电系统中选择合适的继电保护装置非常重要。本文主要通过研究小功率牵引试验平台的继电保护设计原理和关键设备参数计算来确定继电保护装置选型，同时为以后类似系统继电保护装置选型提供了参考。
1.小功率牵引试验平台继电保护原理
1.1 牵引试验平台系统分析
该试验平台系统采用共直流母线的能量互馈方案，其结构如图1所示。系统的主要设备是八台机械轴连的异步电机以及驱动相应电机的逆变器，系统通过有源整流器将三相AC380V变换为DC530V作为母线电源为八台逆变器供电，制动斩波器用于在异常情况下吸收回馈能量，以保证整个系统的正常运行。
图1 试验平台系统结构图
1.2继电保护原理设计
通过分析小功率牵引试验平台的系统结构，可以看出其继电保护需求较简单，通过选用基础的继电保护装置，即可满足小功率牵引试验平台的要求。
根据分析各个继电保护装置的特性，可选择用断路器保护交流主电路，熔断器保护直流母线和各直流支路电气设备，隔离开关配合熔断器以便检修。继电保护原理设计如图2所示：
图2 小功率牵引试验平台继电保护原理图
图2中，断路器QF1的作用是，一旦有源整流器单元发生故障，对输入电网进行保护。FU1熔断式隔离开关的作用是对主电网进行后备保护，一旦QF1失效时需要FU1熔断从而保护试验室AC380输入电网。FU2 熔断器的作用是，一旦直流母线发生短路，对有源整流器单元进行保护。FU3-FU11熔断器的作用是，当对应的直流支路故障时，用于切断故障支路，从而保护试验平台的其他部分不受影响。熔断器的价格较低廉，可以节约成本。断路器与熔断器的保护等级不相同。
由于试验平台采用了能量互馈方案，为避免能量反馈导致直流母线电压过高，损伤设备，在直流母线上设置了电压表，方便试验人员实时监测母线上的直流电压。另外还在直流母线上设置直流母线电压监测装置，通过电压检测装置控制断路器QF1的分励脱扣器， 当母线电压过高时，断开QF1，保护电路。
2.关键电路电流的参数计算
2.1牵引试验平台主要电气设备参数
牵引试验平台采用三相AC380/50Hz电源，经有源整流器整流后成为530V直流电给公共母线，为4台被试逆变器供电。可根据该试验平台电气设备参数来计算关键继电保护装置的参数，参见牵引试验平台主要电气设备参数表1
上式中，为额定输出功率，分别为逆变器和电机的工作效率。
瞬态电流（电机轴达到最大加速度的工况）
在牵引或制动变化过程中，电机转子还需要额外的能量以增加其旋转动能，因此电源的最大供电功率等于最大稳态功率加上最大瞬态功率，而最大瞬态功率出现在电机转速和角加速度同时达到最大值时（实际上列车最高运行速度时加速度限值会下降，所以该计算值比实际值大一些）。
上式中，为有源滤波整流器的输出电流，为交流额定电压，为有源滤波整流器工作效率
3.继电保护装置参数计算
通常在计算保护装置参数时，按最大功率消耗考虑，假设所有被试侧逆变器、制动斩波器全负荷工作，陪试侧所有整流器未工作（无能量反馈），既直流侧总线电路由电机稳态的工作是电流和斩波器输入电流组成。
3.2熔断器的参数计算
FU1熔断式隔离开关保护的本试验平台的整个线路，作为整个平台的后备保护。通过上述公式计算出有源滤波器输出电流参数来确定，考虑一定的修正系数。
FU2 熔断器保护的是直流母线侧线路，通过上述公式计算直流母线电流参数，可计算出直流侧熔断器FU2的整定电流I=K*I，K为修正参数
FU3-FU9熔断器保护的是保护逆变器和电机设备，其对应的整定电流是根据逆变器直流侧电流来计算的，考虑一定的修正系数。
FU11熔断器的保护的制动斩波器设备，其对应的整定电流是根据制动斩波器直流侧电流来计算的，同时需考虑修正系数。
在正常工作中一般熔断器额定工作电流修正系数为1.5至2.0。
3.3隔离开关的参数计算
因隔离开关是和熔断器一起配合工作，其隔离开关的整定电流参数可以参考熔断器的整定电流参数计算方法。
在正常工作中，隔离开关的额定工作电流修正系数为1.2，
4计算验证
该试验平台选择的断路器型号为T4S250PR221DS+分励脱扣器，额定电压690V AC,额定电流250A，分段能力52,5KA，附加的电子脱扣单元, 提供过载保护（L），延时短路保护（S）及瞬时短路保护（I）。
通过设置过载脱扣电流门限值I1为0.9In(225A),短路脱扣电流门限值I3为10In(2500A)。考虑到逆变器的过压承受能力，将直流母线上最大能承受的电压设置为600V，即电压检测装置的断路器分断命令触发限值为600V。当电压检测装置检测到直流母线上电压超过600V时，电压检测装置通过控制电路给分励脱扣器SOR发出断开指令，分励脱扣器动作断开QF1,从而实现电路过压保护。T4S250断路器电子脱扣曲线图参见下图3所示
图3 T4S250断路器电子脱扣曲线
若过载电流在2×I1时，在热状态下，脱扣时间再21.4s与105.3s之间；在冷状态下，脱扣时间再105.33s与357.8s之间。故障电流高于2500A时，断路器立即脱扣。
该试验平台选择的熔断器具体参数见表3所示：
假设INU1逆变器出现过载，过载电流达到90A，过载支路中熔断器FU3的熔断时间tFU3=0.97/90/90×103=0.12s，上一级熔断器FU2额定电流为500A，直流母线电流为162.2A，则熔断器 FU2不动作;断路器QF1通过的电流为167.6A，未达到断路器QF1过载脱扣电流门限值，则断路器QF1也不动作。因此，仅试验平台故障部分被切除，其余部分仍可正常工作。
假设INU1逆变器出现短路时，短路电流高达数千安,熔断器FU3的熔断时间接近为0s，立即切断故障点，若FU3熔断器出现故障不能熔断，则FU2熔断器作为后备保护立即熔断；若FU2熔断器也同时出现故障，则断路器QF1动作断开，保护线路。
5结束语
该继电保护装置已经成功应用于小功率试验牵引平台，运用效果良好。通过本项目继电保护设计和关键设备参数计算方法的研究，为以后参与设计配电系统中的继电保护的工程人员提供思路和途径。
参考文献：
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[2]任元会. 工业与民用配电设计手册北京中国电力出版社
[3]开嘉. 低压配电系统断路器的选型问题电气应用.建筑电气 2010年第29卷11期
论文作者:龚丽丽,黄坤林
论文发表刊物:《防护工程》2017年第7期
论文发表时间:2017/7/26
标签：熔断器论文; 电流论文; 母线论文; 断路器论文; 平台论文; 参数论文; 逆变器论文; 《防护工程》2017年第7期论文;