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地铁牵引整流技术概述

(发布日期：2014-5-7 14:08:40) 来源：

目前，地铁牵引供电系统多采用直流制，因此，变流设备成为该系统中的重要设备，并起着举足轻重的作用。牵引直流电源是由牵引变电所通过整流机组降压整流而获得，为此就要充分研究整流技术的特点，并针对其特点对整流机组进行相应的保护。

2 地铁整流技术的特点
2．1整流电路
目前，在建和已建地铁的每座牵引变电所都设两套整流设备(也称为整流机组)。由于地铁的直流牵引电压比较高(北京、武汉采用750V电压，其它城市都采用1 500V电压)，所以整流设备几乎都是采用桥式整流电路。为了减少地铁谐波电流对城市电网的
污染，除北京部分地铁线路采用三相桥式六脉波整流电路外，新建的地铁线路都采用三相桥式并联的十二脉波整流电路(简称双桥并联整流电路)。采用两台阀侧电压相位差30。的双绕组整流变压器牵引变压器与两台三相桥式整流器构成的等效十二脉波整流电路用一台三绕组或四象限整流变压器，阀侧电压相位差同样为30。与一台双三相桥式整流器构成一套十二脉波整流机组。两套十二脉波整流机组并联工作并不会改变整流脉波数，只有当两套机组的整流变压器网侧绕组分别移相+7．50，一7．50并联工作时，才形成等效二十四脉波整流。
2．2整流电路的特点
(1)对于各种整流电路，其二次绕组容量、一绕组容量、网侧额定容量三者之间不尽相等，这是由于一次和二次绕组往往导电时间不等、电流波形不同、绕组利用率不一致所至。
(2)各种整流电路的变频变压器磁势不一定平衡。
2．3六脉波三相桥式整流电路的特点
六脉波三相桥式整流电路是构成十二脉波整流电路的基础。其特点如下：
1关于容量
对于各种单一的三相桥式整流电路(如Y／y、Y／d、D／y、D／d)，其阀侧绕组容量、网次绕组容量、网侧额定容量三者均相等。
(2)关于磁势
对于上述四种形式的整流电路，只要一次或二次有一个D(d)接绕组，则三次谐波就构成通路，从而消除激磁磁势不平衡现象，所以，工程上优先采用有D(d)接线形式，以利于磁势平衡。
(3)与其他形式的整流电路比较的主要特点
1)变压器结构简单，计算容量最小；
21反电压峰值最小；
3)绕组接线组合多，易形成等效十二相。
4)臂电流有效值大，臂并联整流元件多；
5)整流元件正向功率损耗比半波整流电路大。
(4)关于省去平衡电抗器的说明
双桥整流电路可以看作由两个相位差为300的脉动直流电源并联的电路，两者始终存在瞬时电压差，该电压差传统的做法是在两桥间加装平衡电抗器来吸收。有文献介绍，对于采用三绕组或四绕组的整流变压器的双桥整流机组，选择合适的整流变
压器阻抗参数值(全短路、半短路阻抗)，变压器的阻抗可起到平衡电抗器的作用，从而可以省去该装置。
构成等效十二脉波的三相桥式整流机组间的平衡电抗可以不装，也不必采用什么措施。
2．4单机组十二脉波整流电路
(1)单机组十二脉波整流电路的特点
单机组十二脉波整流电路与双机组等效十二脉波整流电路相比，其特点如下：
1)脉波数不受运行机组的影响，对五次及七次谐波的抑制较好。
2)两阀侧绕组间存在符合分配不均问题。
如果v接、d接的阀侧绕组匝数比偏离1／3较大，则理想直流空载电压不等，因而负荷分配不可能平均。
(2)整流变压器接线组别
多种整流变压器接线组别都能满足十二脉波整流功能要求。目前，常用的四绕组整流变压器的奄：Dd0|Dy5．Dd0}Dy7，Dd2 f Dyl。
满足等效二十四脉波整流要求的两台整流变压器组(上海在建和已建地铁线路上均有采用)有两种组别组合，一种是由西门子公司提供的产品，组别：一7．50 Dy5，Dd0，+7．50 Dy5／Dd0。两台变压器的组别虽是一样，但为了满足-I-7．50的移相要求，
它们内部的接线不完全一样，因此存在两个缺点：
1)不能因改变外部接线来满足互换要求；21两台变压器网侧三相接线端子相序不一致。针对上述缺点，目前，国内生产的产品克服了上述缺点，其组别为一7．50 Dy5／Dd0，+7．5。Dy7／Dd2。
2．5地铁牵引整流机组的并联运行
对于单机组十二脉波整流方式，牵引变电所中的两套牵引整流机组并联后一起向牵引网供电，总负载电流应在机组间合理平均分配。对于双机组等效十二脉波整流方式，是由变电所中两套相位差300的单机组并联后，构成等效十二脉波整流系统，向牵引网供电。除要求负载在每个机组问合理分配外，还要求限制机组间均衡电流到适当程度。对于没有直流电压调节措施的机组，在条件相似即在同一地点并联运行及由同一交流电源供电的情况下，当其在90％的额定负载时，每台机组的直流电流与它应分配的负载电流的差别不应大于10％。
如无特别需要，并联运行的整流机组，其交流侧不应由两个电源分别同时供电；如有必需，则对两个交流电源的供电特性，如电压水平、周波等应有严格要求，而且应该注意当其中一个电源故障时，由另一个电源供电的另一套机组发生严重过载的可能性，保证其满足标准IEC 146的有关要求。
3 整流机组的保护
以三相全波整流桥(见图1)为例，整流器本体设置了如下一些保护：
(1)内部过电压保护；
(2)外部过电压限制；
(3)内部短路保护；
(4)电源保护；
(5)温度保护。
3．1内部过电压f换相过电压)保护
当二极管通过正向电流时，正电荷及负电荷的载流子向PN结方向扩散，于是正电荷载流子(空穴)就在P区与N区的交接面附近聚积起来。由于这些载流子的聚积，在二极管正向电流过零时，二极管不能立即恢复反向截止能力，这时，会在二极管中开始出
现类似于短路电流的反向电流，逆向电流也或快或慢地突然消失。电流的突然中断引起整流电路中的感性负载产生感应电压，该电压叠加于正常反向电压之上形成内部过电压。
为避免内部过电压将二极管反向击穿，可在每个二极管上并联安装RC过电压限制回路。见图1。
3．2直流侧过电压保护
为限制直流侧或整流器交流进线侧可能出现的过电压，例如大电流隔离开关操作过电压或大气过电压，在整流器直流输出端并联安装RC和压敏电阻R。过电压限制回路。RC电路由串联阻尼电阻Rl和电容C1组成。
另外，在整流器的直流输出端还并联起稳压作用的电阻R2，用于限制整流器的空载电压。
3．3整流器内部短路保护
当某个二极管失去反向截止能力，即造成整流器交流进线相间短路，我们称这种情况为整流器内部短路。针对整流器内部短路故障，可在整流器设置快速熔断器和逆流监视。
3．3．1快速熔断器
在每个二极管支路上串联一个快速熔断器，其作用是在整流器发生内部短路故障时，有选择地隔离故障二极管，避免故障二极管内部因过热而暴裂。
快速熔断器主要是针对整流器内部短路故障，
所以在选择熔断器的额定电流时，必须考虑躲开负荷电流及外部短路电流，同时，需要使用厂家提供的安一秒特性曲线，即在规定的条件下，熔断器的预期开断电流与弧前时间的对应关系曲线。在安一秒特性曲线的基础上，根据相应标准(如IECl46—6)，可得到熔断器的过载能力曲线。根据这条过载能力曲线，可校验熔断器是否满足过载能力要求。
3．3．2整流臂逆流监视单元
对于内部短路故障，可在整流器上设置逆流保护，该逆流保护由逆流电流互感器和逆流保护单元组成。在整流器的每一个整流桥臂上都装有一个穿心式电流互感器，这种电流互感器的铁心由高等级的镍铁合金组成，具有近似于矩形的磁滞回线。如果整流桥臂内的某个二极管反向击穿，则在这个二极管支路上的熔断器开始熔断的弧前时间和燃弧时间内，将有故障电流流过这个桥臂，而接在电流互感器二次侧的逆流保护单元就有信号输出，该输出信号可用作熔断器熔断指示信号。
3．4电流保护
整流机组应设以下电流保护：
(1)过载保护；
(2)过流保护；
(3)电流速断保护。
整流机组由整流变压器和整流器组成，它们有一根电流／时间过载合成曲线。整流机组的工作范围被划定在电流／时间过载合成曲线下方，为此，上述保护合成后的包络线必须在上述曲线下方。上述两根曲线称为保护配合曲线，有成套供应商提
供。
广州地铁一号线的整流机组由西门子公司提供，它的保护配合曲线见图2。
3．5整流机组温度保护
整流机组温度保护有变压器温度保护和整流器温度保护两个部分。
本文所述的整流变压器都是指干式变压器。变压器三相绕组设温度保护。温度传感器被安置在绕组温度最高部位，也称为热点。温度传感器的信号送到温控仪，温控仪上可设定两个温度，一个是报警温度，另一个是跳闸温度，两个定值可以调整。温控仪的报警、跳闸信号通过无源接点或通信口送出。
整流器内部设两种温度保护，一种是母线温度保护；另一种是二极管温度保护。温度传感器是分别安装在整流器最热部位
的母线和二极管散热器上。母线及二极管温度保护分别各设两个定值，一个是报警温度，另一个是跳闸温度。

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