常國蘭

城市軌道交通牽引供電整流機(jī)組的技術(shù)探討

常國蘭

摘 要：城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)由牽引變電所和牽引網(wǎng)組成，牽引變電所的主要設(shè)備是整流機(jī)組，整流機(jī)組由牽引變壓器與整流器組成。整流機(jī)組網(wǎng)側(cè)諧波電流是電力系統(tǒng)主要的諧波源之一。為減少諧波電流對城市電網(wǎng)的影響，我國城市軌道交通牽引供電廣泛使用24脈波直流電源。具體探討與研究了24脈波整流機(jī)組作用、結(jié)構(gòu)、整流原理和保護(hù)。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；供電系統(tǒng)；牽引變電所；24脈波整流機(jī)組

常國蘭：北京鐵路電氣化學(xué)校，高級講師，北京 102202

0　前言

隨著我國城市建設(shè)的發(fā)展，城市軌道交通建設(shè)也在蓬勃開展。城市軌道交通供電電源一般取自城市電網(wǎng)，對于電力系統(tǒng)，城市軌道交通供電系統(tǒng)是一個重要用電負(fù)荷。城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)由牽引變電所和牽引網(wǎng)兩部分組成，牽引網(wǎng)由接觸網(wǎng)（或接觸軌）和回流網(wǎng)組成。電能從牽引變電所經(jīng)饋電線、接觸網(wǎng)輸送給電動列車，再由電動列車經(jīng)鋼軌、回流線流回牽引變電所。

城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)的電壓等級一般為交流中壓10～35 kV之間，通過牽引變電所變壓整流，經(jīng)牽引網(wǎng)供給電動列車的電壓為DC750V或DC1500V。直流制是城市軌道交通牽引供電多采用的方式，三軌方式常用DC750V，架空接觸網(wǎng)方式采用DC1500V。其中北京、天津、杭州等城市采用DC750V接觸軌饋電，上海、廣州等城市采用DC1500V接觸網(wǎng)饋電[1]。

大功率整流裝置中網(wǎng)側(cè)諧波電流是電力系統(tǒng)中主要的諧波源之一。諧波的危害體現(xiàn)在多個方面，包括：增加了城市軌道交通供電設(shè)備的附加損耗和發(fā)熱量；對自身和鄰近的通信系統(tǒng)造成干擾和危害；對周圍民用電網(wǎng)造成影響；對無功補(bǔ)償系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，甚至引起誤動作。為了減小牽引變電所網(wǎng)側(cè)諧波電流的影響，需增加整流裝置的脈動數(shù)，減少低次諧波，達(dá)到降低諧波的目的。我國城市軌道交通牽引供電廣泛使用24脈波直流電源[2]。

1　24脈波整流機(jī)組的結(jié)構(gòu)和整流原理

牽引變電所的主要功能是將其交流進(jìn)線電壓通過牽引變壓器降壓，然后經(jīng)整流器將交流電變成直流電供電動列車使用。其主要設(shè)備是整流機(jī)組。整流機(jī)組由牽引變壓器與整流器組成。圖1所示為北京地鐵牽引供電系統(tǒng)原理圖。

圖1　北京地鐵牽引供電系統(tǒng)原理圖

牽引變壓器采用2臺軸向雙繞組雙分裂式變壓器。每臺變壓器結(jié)構(gòu)如下：1臺雙繞組雙分裂變壓器由鐵心、2個獨(dú)立的高壓網(wǎng)側(cè)繞組和2個獨(dú)立的低壓閥側(cè)繞組組成。高壓2組網(wǎng)側(cè)繞組用樹脂澆注在一起，在外部并聯(lián)。高壓網(wǎng)側(cè)繞組采用延邊三角形聯(lián)結(jié)，由主繞組和移相繞組組成。低壓2組閥側(cè)繞組沿軸向布置于同一鐵心柱上，將其頭尾各自采用y聯(lián)結(jié)和d聯(lián)結(jié)分別引出，分裂成2個支路。這種閥側(cè)繞組分裂為2個支路布置在同一個鐵心柱上的軸向雙分裂變壓器可以使閥側(cè)2個支路并列運(yùn)行，同時向負(fù)載供電，即同時各供1個三相橋式整流器[3]，即整流機(jī)組主要由2臺軸向雙分裂式牽引變壓器1T、2T和4組全波整流橋B1～B4組成。

2臺牽引變壓器的網(wǎng)側(cè)繞組采用沿邊三角形接線分別移相±7.5°相位角，閥側(cè)繞組采用d、y接法，2臺變壓器的閥側(cè)繞組的線電壓相位互差15°，分別經(jīng)全波整流后，在直流側(cè)并列運(yùn)行，形成24脈波的整流變電系統(tǒng)[4]。圖2所示為24脈波牽引整流機(jī)組原理圖。

圖2　24脈波牽引整流機(jī)組原理圖

2　24脈波整流機(jī)組的保護(hù)

根據(jù)地鐵設(shè)計規(guī)范，牽引整流機(jī)組的保護(hù)設(shè)置和整定，其原則應(yīng)當(dāng)是根據(jù)牽引負(fù)荷的特點，保證牽引整流機(jī)組的過負(fù)荷能力的充分利用，以提高牽引變電所的效率。整流機(jī)組的牽引負(fù)荷等級特性為：100%額定輸出連續(xù)；150%額定輸出2 h；300%額定輸出1 min。牽引整流機(jī)組的短路故障及過負(fù)荷，包括直流母線短路，由變壓器一次側(cè)交流高壓斷路器實現(xiàn)保護(hù)。另在直流側(cè)，應(yīng)設(shè)直流快速斷路器，在保護(hù)上是非常有利的。

為了實現(xiàn)牽引整流機(jī)組的可靠運(yùn)行，牽引變壓器應(yīng)設(shè)如下保護(hù)：電流速斷保護(hù)、過電流保護(hù)、零序過電流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、溫度保護(hù)。整流器需設(shè)置過電壓保護(hù)、內(nèi)部短路保護(hù)、元件故障保護(hù)和溫度保護(hù)。

以北京地鐵為例進(jìn)行分析，圖3所示為北京地鐵牽引供電系統(tǒng)部分主接線圖。圖3中：236、237為交流側(cè)高壓斷路器，簡稱機(jī)組開關(guān)；1TA～4TA為電流互感器；236-7、237-7為接地閘刀；1T、2T為牽引變壓器；60、70為直流進(jìn)線斷路器，簡稱總閘開關(guān)；63、73為正母線電動隔離開關(guān)，65、75為負(fù)母線電動隔離開關(guān)， 14、24、34、44為旁路電動隔離開關(guān)，93為備用電動隔離開關(guān)，90為備用直流斷路器；10、20、30、40為直流饋線斷路器，簡稱分閘開關(guān)，其中，10、30為上行分閘開關(guān)，20、40為下行分閘開關(guān)；16、26、36、46為上網(wǎng)電動隔離開關(guān)。

圖3　北京地鐵牽引供電系統(tǒng)主接線圖

2.1牽引變壓器保護(hù)

（1）電流速斷保護(hù)是牽引變壓器的主保護(hù)。它是保證在牽引變壓器繞組范圍內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重短路故障時，以最短的動作時限，迅速切除故障點的電流保護(hù)。當(dāng)速斷保護(hù)動作時，瞬時使斷路器跳閘，切除故障。電流速斷保護(hù)裝于變壓器的電源側(cè)1TA 和2TA處，為保證選擇性，主要保護(hù)到變壓器高壓繞組部分。電流速斷保護(hù)有2個整定原則：一是按躲開變壓器負(fù)荷側(cè)出口處最大短路電流來整定（1.2～1.3倍負(fù)荷側(cè)出口最大三相短路電流，并將其折算到原邊）；二是按躲過勵磁涌流來整定（3～4倍變壓器原邊額定電流）；選擇其中較大值作為變壓器電流速斷保護(hù)的整定值。

（2）過電流保護(hù)是變壓器的后備保護(hù)，反應(yīng)相間短路電流增大而動作的電流保護(hù)。過電流保護(hù)裝置裝于變壓器的電源側(cè)1TA和2TA處，保護(hù)范圍為變壓器高、低壓繞組，還兼作變壓器負(fù)荷側(cè)的遠(yuǎn)后備保護(hù)。它是按照躲開最大負(fù)荷電流而整定的，應(yīng)能躲過電動列車的自啟動電流。當(dāng)繼電保護(hù)裝置中流過的電流達(dá)到保護(hù)整定的整定電流時，經(jīng)過整定延時后使斷路器跳閘。因國標(biāo)規(guī)定牽引變壓器3倍額定電流時，可運(yùn)行1 min，所以，過電流保護(hù)動作電流整定應(yīng)躲開變壓器的3倍額定電流，動作時限按階梯形原則整定，即比下一級線路過電流保護(hù)的動作時間大0.5 s。

（3）零序過電流保護(hù)是反應(yīng)零序電流增大超過定值而動作的保護(hù)，當(dāng)10 kV系統(tǒng)中性點采用大電流接地方式時，用于變壓器單相接地短路故障保護(hù)。零序過電流保護(hù)裝置裝于變壓器的電源側(cè)3TA和4TA處，保護(hù)范圍為牽引變壓器高壓側(cè)繞組、引出套管和引出線。

（4）為了使?fàn)恳儔浩靼踩\(yùn)行，使其運(yùn)行壽命不低于設(shè)計使用年限。牽引變壓器設(shè)置了過負(fù)荷保護(hù)。過負(fù)荷保護(hù)是按照變壓器的額定電流限定的最大負(fù)荷電流而整定的。因國標(biāo)規(guī)定牽引變壓器1.5倍額定電流輸出2 h的過負(fù)荷能力。所以，過負(fù)荷保護(hù)可按動作電流為1.4～1.5倍額定電流，動作時間為20 s來整定。當(dāng)電力變壓器的負(fù)荷電流超過額定值而達(dá)到繼電保護(hù)的動作電流時，經(jīng)過整定延時，發(fā)出過負(fù)荷信號，工作人員可根據(jù)該信號對變壓器的運(yùn)行負(fù)荷加以調(diào)整和控制，防止長期過負(fù)荷而加速繞組老化。

（5）為了監(jiān)視牽引變壓器的運(yùn)行溫度，設(shè)置了溫度保護(hù)，分為報警和跳閘2種整定狀態(tài)。在牽引變壓器中設(shè)置溫度控制器，監(jiān)測繞組和鐵心溫度，根據(jù)設(shè)定溫度實現(xiàn)自動報警（130 ℃）、跳閘（150 ℃）功能。

1T或2T牽引變壓器保護(hù)動作于跳閘時，機(jī)組開關(guān)236或237跳閘，并聯(lián)跳總閘開關(guān)60或70，以切斷整流機(jī)組兩側(cè)電源。

2.2整流器保護(hù)

整流器保護(hù)分為整流柜整體保護(hù)和硅元件保護(hù)。整流柜整體保護(hù)包括交流側(cè)過電壓保護(hù)、直流側(cè)過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、溫度保護(hù)、逆流保護(hù)和框架保護(hù)。硅元件保護(hù)分為過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)和故障硅元件檢測等。圖4所示整流器本體自帶保護(hù)原理圖。

圖4　整流器本體自帶保護(hù)原理圖

（1）交流側(cè)過電壓保護(hù)。在交流側(cè)突然接通和斷開牽引變壓器電源時，會在變壓器閥側(cè)產(chǎn)生過電壓，稱為操作過電壓；同時合閘時，在變壓器網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)之間會產(chǎn)生靜電過電壓。采用由電容器C1星形連接來抑制靜電過電壓；由壓敏電阻RV1三角形連接來抑制操作過電壓。

（2）直流側(cè)過電壓保護(hù)。直流側(cè)開關(guān)合閘和斷開時也會產(chǎn)生操作過電壓。將電阻R2和電容C2串聯(lián)后，并聯(lián)在直流正、負(fù)母排兩端，來抑制操作過電壓；并用壓敏電阻RV2來抑制殘余過電壓。

（3）硅元件換相過電壓保護(hù)。硅元件在換相過程中，由于電流變化而引起的過電壓稱為換相過電壓。采用在每條臂的硅元件兩端并有電容R、電阻C組成的阻容回路，來吸收換相過電壓。

（4）硅元件過電流保護(hù)。采用串聯(lián)快速熔斷器FU的方法來進(jìn)行。

（5）整流器過電流保護(hù)。由機(jī)組開關(guān)236或237的過電流保護(hù)來實現(xiàn)。

（6）溫度保護(hù)。在整流器預(yù)測溫度最高的元件散熱器或銅母排上設(shè)置溫度傳感器元件，用于監(jiān)視元件散熱器或銅母排的溫度，溫度結(jié)果1段用于報警，2段用于跳閘，并發(fā)出當(dāng)?shù)丶斑h(yuǎn)方信號。一般設(shè)定當(dāng)整流器溫度達(dá)到70 ℃時，實現(xiàn)報警；當(dāng)整流器溫度達(dá)到90 ℃時，實現(xiàn)跳閘。即相應(yīng)的機(jī)組開關(guān)236或237跳閘，并聯(lián)跳相應(yīng)的總閘開關(guān)60或70，切斷整流機(jī)組兩側(cè)電源。

（7）逆流保護(hù)。逆流保護(hù)是為整流柜內(nèi)部交、直流母排出現(xiàn)短路故障而設(shè)置的保護(hù)裝置。2臺及以上的整流機(jī)組并列運(yùn)行時，某一臺整流柜內(nèi)部交、直流母排或輸出直流母線出現(xiàn)短路故障時，往往會使直流母線向該故障點回饋很大的電流，即形成逆流，在直流電壓較高的情況下，這個逆流會很大，使故障擴(kuò)大，甚至發(fā)生整流柜爆炸事故，造成很大經(jīng)濟(jì)損失。而通過配置逆流保護(hù)裝置，當(dāng)整流器發(fā)生逆流時，快速發(fā)出跳閘信號，相應(yīng)的機(jī)組開關(guān)236 或237跳閘，并聯(lián)跳相應(yīng)的總閘開關(guān)60或70，切斷整流機(jī)組兩側(cè)電源。

（8）框架保護(hù)。當(dāng)整流柜內(nèi)部的交、直流母排對柜體發(fā)生泄漏或絕緣損壞時，框架保護(hù)動作，使本所內(nèi)機(jī)組開關(guān)236、237、所有的直流開關(guān)60、70、10、20、30、40以及鄰所向本供電區(qū)段雙邊供電的直流開關(guān)（鄰所1的10、20；鄰所2 的30、40）全部跳閘，有效切斷故障，從而保護(hù)設(shè)備安全。

（9）故障硅元件檢測。為了防止出現(xiàn)硅管短路故障時電源短接的情況，采用快速熔斷器并聯(lián)信號器（熔斷信號器）檢測方法。當(dāng)硅元件故障擊穿時，快速熔斷器熔斷，熔斷信號器發(fā)出信號。如1個橋臂上有2個硅元件并聯(lián)，檢測回路根據(jù)熔斷信號器所在的橋臂，判斷是1個硅元件故障還是同一橋臂內(nèi)有2個硅元件故障，并正確發(fā)出故障信號或跳閘指令。當(dāng)整流裝置有1個硅元件發(fā)生故障時應(yīng)報警；在同一橋臀內(nèi)有2個硅元件發(fā)生故障時，相應(yīng)的機(jī)組開關(guān)236或237跳閘，并聯(lián)跳相應(yīng)的總閘開關(guān)60或70，使其退出運(yùn)行。

（10）硅元件冷卻。為了防止運(yùn)行中的硅管的PN結(jié)溫度超過其額定結(jié)溫，硅管要配有一定的冷卻措施，配用相應(yīng)的散熱器。

整流機(jī)組一般配有自動化數(shù)據(jù)采集裝置，用于收集跳閘信號、報警信號，采用數(shù)據(jù)傳輸方式與變電所監(jiān)控系統(tǒng)接口，采用接點方式與二次保護(hù)接口，裝置能顯示各種報警、跳閘信號及保護(hù)信號。

3　總結(jié)

通過對城市軌道交通24脈波整流機(jī)組的作用、結(jié)構(gòu)、整流原理和保護(hù)的技術(shù)探討與研究，讓我們對牽引供電整流機(jī)組有了系統(tǒng)的認(rèn)識。隨著科技的進(jìn)步，這項技術(shù)也將會更加完善，為人們的交通出行提供更加安全便捷的服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯 冒一平

Study on Rectifi er Technology in Traction Power Supply on Transit

Chang Guolan

Abstract:The traction power supply system of urban rail transit consists of traction substations and traction network. The main equipment in the traction substation includes rectification unit, and the rectifi cation unit is composed of traction transformer and rectifi er. The network side harmonic current of rectification unit is one of the main harmonic sources in power supply system. In order to reduce the influence of harmonic current on power grid of the city, the traction power supply of urban rail transit in China uses 24 pulse DC power supply system. The paper discusses and makes studies on the 24 pulse rectifi cation unit function, structure, working principle of rectifi er and the protection system.

Keywords:urban rail transit, power supply system, traction substation, 24 pulse rectifi cation unit

收稿日期2014-09-10

中圖分類號：U231.8