城市軌道交通牽引供電整流機組的技術探討

常國蘭

城市軌道交通牽引供電整流機組的技術探討

常國蘭

摘 要：城市軌道交通牽引供電系統由牽引變電所和牽引網組成，牽引變電所的主要設備是整流機組，整流機組由牽引變壓器與整流器組成。整流機組網側諧波電流是電力系統主要的諧波源之一。為減少諧波電流對城市電網的影響，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脈波整流機組作用、結構、整流原理和保護。

關鍵詞：城市軌道交通；供電系統；牽引變電所；24脈波整流機組

常國蘭：北京鐵路電氣化學校，高級講師，北京 102202

0　前言

隨著我國城市建設的發展，城市軌道交通建設也在蓬勃開展。城市軌道交通供電電源一般取自城市電網，對于電力系統，城市軌道交通供電系統是一個重要用電負荷。城市軌道交通牽引供電系統由牽引變電所和牽引網兩部分組成，牽引網由接觸網（或接觸軌）和回流網組成。電能從牽引變電所經饋電線、接觸網輸送給電動列車，再由電動列車經鋼軌、回流線流回牽引變電所。

城市軌道交通牽引供電系統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，經牽引網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接觸網饋電[1]。

大功率整流裝置中網側諧波電流是電力系統中主要的諧波源之一。諧波的危害體現在多個方面，包括：增加了城市軌道交通供電設備的附加損耗和發熱量；對自身和鄰近的通信系統造成干擾和危害；對周圍民用電網造成影響；對無功補償系統產生干擾，甚至引起誤動作。為了減小牽引變電所網側諧波電流的影響，需增加整流裝置的脈動數，減少低次諧波，達到降低諧波的目的。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脈波整流機組的結構和整流原理

牽引變電所的主要功能是將其交流進線電壓通過牽引變壓器降壓，然后經整流器將交流電變成直流電供電動列車使用。其主要設備是整流機組。整流機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原理圖。

圖1　北京地鐵牽引供電系統原理圖

牽引變壓器采用2臺軸向雙繞組雙分裂式變壓器。每臺變壓器結構如下：1臺雙繞組雙分裂變壓器由鐵心、2個獨立的高壓網側繞組和2個獨立的低壓閥側繞組組成。高壓2組網側繞組用樹脂澆注在一起，在外部并聯。高壓網側繞組采用延邊三角形聯結，由主繞組和移相繞組組成。低壓2組閥側繞組沿軸向布置于同一鐵心柱上，將其頭尾各自采用y聯結和d聯結分別引出，分裂成2個支路。這種閥側繞組分裂為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2個支路并列運行，同時向負載供電，即同時各供1個三相橋式整流器[3]，即整流機組主要由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臺牽引變壓器的網側繞組采用沿邊三角形接線分別移相±7.5°相位角，閥側繞組采用d、y接法，2臺變壓器的閥側繞組的線電壓相位互差15°，分別經全波整流后，在直流側并列運行，形成24脈波的整流變電系統[4]。圖2所示為24脈波牽引整流機組原理圖。

圖2　24脈波牽引整流機組原理圖

2　24脈波整流機組的保護

根據地鐵設計規范，牽引整流機組的保護設置和整定，其原則應當是根據牽引負荷的特點，保證牽引整流機組的過負荷能力的充分利用，以提高牽引變電所的效率。整流機組的牽引負荷等級特性為：100%額定輸出連續；150%額定輸出2 h；300%額定輸出1 min。牽引整流機組的短路故障及過負荷，包括直流母線短路，由變壓器一次側交流高壓斷路器實現保護。另在直流側，應設直流快速斷路器，在保護上是非常有利的。

為了實現牽引整流機組的可靠運行，牽引變壓器應設如下保護：電流速斷保護、過電流保護、零序過電流保護、過負荷保護、溫度保護。整流器需設置過電壓保護、內部短路保護、元件故障保護和溫度保護。

以北京地鐵為例進行分析，圖3所示為北京地鐵牽引供電系統部分主接線圖。圖3中：236、237為交流側高壓斷路器，簡稱機組開關；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為直流進線斷路器，簡稱總閘開關；63、73為正母線電動隔離開關，65、75為負母線電動隔離開關， 14、24、34、44為旁路電動隔離開關，93為備用電動隔離開關，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，其中，10、30為上行分閘開關，20、40為下行分閘開關；16、26、36、46為上網電動隔離開關。

圖3　北京地鐵牽引供電系統主接線圖

2.1牽引變壓器保護

（1）電流速斷保護是牽引變壓器的主保護。它是保證在牽引變壓器繞組范圍內發生嚴重短路故障時，以最短的動作時限，迅速切除故障點的電流保護。當速斷保護動作時，瞬時使斷路器跳閘，切除故障。電流速斷保護裝于變壓器的電源側1TA 和2TA處，為保證選擇性，主要保護到變壓器高壓繞組部分。電流速斷保護有2個整定原則：一是按躲開變壓器負荷側出口處最大短路電流來整定（1.2～1.3倍負荷側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的整定值。

（2）過電流保護是變壓器的后備保護，反應相間短路電流增大而動作的電流保護。過電流保護裝置裝于變壓器的電源側1TA和2TA處，保護范圍為變壓器高、低壓繞組，還兼作變壓器負荷側的遠后備保護。它是按照躲開最大負荷電流而整定的，應能躲過電動列車的自啟動電流。當繼電保護裝置中流過的電流達到保護整定的整定電流時，經過整定延時后使斷路器跳閘。因國標規定牽引變壓器3倍額定電流時，可運行1 min，所以，過電流保護動作電流整定應躲開變壓器的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的動作時間大0.5 s。

（3）零序過電流保護是反應零序電流增大超過定值而動作的保護，當10 kV系統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。零序過電流保護裝置裝于變壓器的電源側3TA和4TA處，保護范圍為牽引變壓器高壓側繞組、引出套管和引出線。

（4）為了使牽引變壓器安全運行，使其運行壽命不低于設計使用年限。牽引變壓器設置了過負荷保護。過負荷保護是按照變壓器的額定電流限定的最大負荷電流而整定的。因國標規定牽引變壓器1.5倍額定電流輸出2 h的過負荷能力。所以，過負荷保護可按動作電流為1.4～1.5倍額定電流，動作時間為20 s來整定。當電力變壓器的負荷電流超過額定值而達到繼電保護的動作電流時，經過整定延時，發出過負荷信號，工作人員可根據該信號對變壓器的運行負荷加以調整和控制，防止長期過負荷而加速繞組老化。

（5）為了監視牽引變壓器的運行溫度，設置了溫度保護，分為報警和跳閘2種整定狀態。在牽引變壓器中設置溫度控制器，監測繞組和鐵心溫度，根據設定溫度實現自動報警（130 ℃）、跳閘（150 ℃）功能。

1T或2T牽引變壓器保護動作于跳閘時，機組開關236或237跳閘，并聯跳總閘開關60或70，以切斷整流機組兩側電源。

2.2整流器保護

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

圖4　整流器本體自帶保護原理圖

（1）交流側過電壓保護。在交流側突然接通和斷開牽引變壓器電源時，會在變壓器閥側產生過電壓，稱為操作過電壓；同時合閘時，在變壓器網側、閥側之間會產生靜電過電壓。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）直流側過電壓保護。直流側開關合閘和斷開時也會產生操作過電壓。將電阻R2和電容C2串聯后，并聯在直流正、負母排兩端，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。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。采用串聯快速熔斷器FU的方法來進行。

（5）整流器過電流保護。由機組開關236或237的過電流保護來實現。

（6）溫度保護。在整流器預測溫度最高的元件散熱器或銅母排上設置溫度傳感器元件，用于監視元件散熱器或銅母排的溫度，溫度結果1段用于報警，2段用于跳閘，并發出當地及遠方信號。一般設定當整流器溫度達到70 ℃時，實現報警；當整流器溫度達到90 ℃時，實現跳閘。即相應的機組開關236或237跳閘，并聯跳相應的總閘開關60或70，切斷整流機組兩側電源。

（7）逆流保護。逆流保護是為整流柜內部交、直流母排出現短路故障而設置的保護裝置。2臺及以上的整流機組并列運行時，某一臺整流柜內部交、直流母排或輸出直流母線出現短路故障時，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，使故障擴大，甚至發生整流柜爆炸事故，造成很大經濟損失。而通過配置逆流保護裝置，當整流器發生逆流時，快速發出跳閘信號，相應的機組開關236 或237跳閘，并聯跳相應的總閘開關60或70，切斷整流機組兩側電源。

（8）框架保護。當整流柜內部的交、直流母排對柜體發生泄漏或絕緣損壞時，框架保護動作，使本所內機組開關236、237、所有的直流開關60、70、10、20、30、40以及鄰所向本供電區段雙邊供電的直流開關（鄰所1的10、20；鄰所2 的30、40）全部跳閘，有效切斷故障，從而保護設備安全。

（9）故障硅元件檢測。為了防止出現硅管短路故障時電源短接的情況，采用快速熔斷器并聯信號器（熔斷信號器）檢測方法。當硅元件故障擊穿時，快速熔斷器熔斷，熔斷信號器發出信號。如1個橋臂上有2個硅元件并聯，檢測回路根據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有2個硅元件故障，并正確發出故障信號或跳閘指令。當整流裝置有1個硅元件發生故障時應報警；在同一橋臀內有2個硅元件發生故障時，相應的機組開關236或237跳閘，并聯跳相應的總閘開關60或70，使其退出運行。

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

整流機組一般配有自動化數據采集裝置，用于收集跳閘信號、報警信號，采用數據傳輸方式與變電所監控系統接口，采用接點方式與二次保護接口，裝置能顯示各種報警、跳閘信號及保護信號。

3　總結

通過對城市軌道交通24脈波整流機組的作用、結構、整流原理和保護的技術探討與研究，讓我們對牽引供電整流機組有了系統的認識。隨著科技的進步，這項技術也將會更加完善，為人們的交通出行提供更加安全便捷的服務。

參考文獻

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[2] 王念同，魏雪亮. 軸向雙分裂式12脈波牽引整流變壓器諧波電流的分析[J]. 變壓器，2001，38 （1）；（2）.

[3] 傅銘，王晨. 地鐵牽引整流技術概述[J]. 上海電器技術，2005（1）.

[4] 龔孟榮. 等效24脈波整流機組原理分析[J]. 鐵道勘測與設計，2008（4）.

[5] 陳海軍. 24脈波整流機組的原理及保護方式[J]. 電工技術，2005 （4）.

責任編輯 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