地铁再生能量回馈装置用避雷器选型分析

0 引言

逆变型地铁再生能量回馈装置由于节能效益好、性能稳定、价格适中，近年来在全国各大城市地铁、轻轨系统得到了广泛推广和应用，正在逐步取代传统电阻能耗型装置[1]。逆变型再生能量回馈装置作为牵引供电系统的一部分，与牵引整流机组并联运行，其过电压防护不仅需要考虑直流系统的过电压特点，还需要考虑交流系统的过电压特点，目前尚无对逆变型再生制动能量回馈装置的过电压防护问题开展研究的相关文献。本文从直流牵引供电系统及回馈装置运行的特点入手，依据国家相关标准，对地铁再生能量回馈装置用交、直流侧避雷器选型进行研究和分析。

1 回馈装置接入方案

根据回馈装置接入供电系统的方式不同，可以分为直接35 kV 接入和通过整流变1 180 V 侧接入2 种方案，分别如图1（a）、图1（b）所示。

回馈装置直流侧与牵引供电系统正负母线相接，交流侧通过隔离变压器接入35 kV 中压电网，用于将地铁车辆制动时生产的制动能量回馈到中压电网，提高能源利用效率。

回馈装置直流工作电压范围一般为1 600～1 800 V，交流工作电压一般选为1 000 V，采用SVPWM 调制方式实现DC/AC 能量变换。

图1 回馈装置接入供电系统方案

2 过电压分析

2.1 直流过电压分析

根据GB/T 1402-2010 标准规定，对于标称电压为1 500 V的直流供电系统，其最高持续运行电压Umax2= 1 950 V。

2.2 交流过电压分析

回馈装置主电路拓扑结构如图2 所示，交流侧对地电压等于交流相电压和中性点对地共模电压之和，即UaG=UaO+UOG。牵引供电系统通常采用绝缘安装，负极对地存在一定的泄漏电阻，对地电位呈现悬浮状态，随着车辆运行状态及位置的改变而发生变化，正常运行情况下不超过90 V，发生直流短路时可达到600 V以上。

图2 回馈装置主电路图

中性点对地共模电压可表示为UOG=UON+UNG，UNG即负极对地悬浮电位，因此可通过分析中性点对负极电压UON得出交流侧对地电压。中性点对负极电压[2]UON= (UAN+UBN+UCN) /3。

UON随回馈装置3 个桥臂IGBT的通断状态而变化，上管IGBT导通时UAN=Ud，下管导通时UAN= 0。采用SVPMW调制时，3 个桥臂的IGBT通断状态共有8 种组合，如表1 所示。表中S1、S2、S3表示3 个桥臂，为“1”表示上管开通、下管关断，为“0”表示上管关断、下管开通。

表1 不同开关状态下的UONS1 S2 S3 UON 0 0 0 0 0 0 1 Ud / 3 0 1 0 Ud / 3 0 1 1 2Ud /3 1 0 0 Ud / 3 1 0 1 2Ud / 3 1 1 0 2Ud / 3 1 1 1 Ud

利用Plecs 仿真软件建立能量回馈装置模型，对直流电压1 800 V、交流电压1 000 V 工况下回馈装置交流对地电压进行仿真，波形如图3 所示。可以发现，交流对地电压为交流相电压、中性点对负极电压和负极对地悬浮电位的叠加，正常运行情况下（负极对地电位不超过90 V 时），交流侧对地电压可达2 710 V，直流短路时交流对地电压可达3 220 V。

图3 回馈装置交流对地电压仿真波形

在直流电压1 700 V、交流电压1 000 V 工况下进行试验测试，波形如图4 所示。负极对地电位为0 时，交流对地电压为2 472 V，仿真结果为2 510 V，两者相吻合，验证了分析的正确性。

图4 回馈装置交流对地电压试验波形（负极对地电位为0）

3 避雷器参数选择

无间隙金属氧化物避雷器具备优异的非线性伏安特性和通流能力，在电力系统过电压防护领域得到了广泛的应用。避雷器在正常运行电压下呈现高阻状态，只有几十μA的漏电流流过，当出现雷电或操作过电压时，系统呈现低阻状态，将过电压能量释放到大地，避免设备受到损坏[3]。

3.1 直流避雷器选型

回馈装置直流侧与牵引供电系统1 500 V 母线直接相接，其过电压防护参考供电系统直流过电压特点进行。直流避雷器的选型原则主要考虑雷击过电压、操作过电压及暂态过电压的防护，选型主要考虑以下技术参数：

（1）持续运行电压Uc：允许持续施加到避雷器端子间的直流电压。根据直流侧过电压分析，可以将持续运行电压确定为2 kV，这也符合GB/T .5-2010 标准中对直流无间隙金属氧化物避雷器持续运行电压的推荐优选值[4～6]。

（2）额定电压Ur：施加到避雷器端子间的最大允许直流电压。额定电压根据避雷器承受的最大暂态过电压确定，根据EN -2004 标准中最高长时限过电压（20 ms以上）Umax3= 2 540 V，则直流侧避雷器额定电压的选取应不低于2 540 V；GB/T .5-2010 标准中规定，对于1 500 V系统使用的避雷器额定电压等于持续运行电压，可选择为2 000 V。DL/T 804-2002 标准对交流系统无间隙金属氧化物避雷器额定电压选择规定，持续运行电压一般选取为额定电压的75%～80%。对以上情况进行综合考虑，结合厂家避雷器产品运行情况，可将直流侧避雷器额定电压确定为持续运行电压的1.2 倍，即2.4 kV[7～9]。

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