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地鐵牽引整流技術概述

(發布日期：2014-5-7 14:08:40) 來源：

目前，地鐵牽引供電系統多采用直流制，因此，變流設備成為該系統中的重要設備，并起著舉足輕重的作用。牽引直流電源是由牽引變電所通過整流機組降壓整流而獲得，為此就要充分研究整流技術的特點，并針對其特點對整流機組進行相應的保護。

2 地鐵整流技術的特點
2．1整流電路
目前，在建和已建地鐵的每座牽引變電所都設兩套整流設備(也稱為整流機組)。由于地鐵的直流牽引電壓比較高(北京、武漢采用750V電壓，其它城市都采用1 500V電壓)，所以整流設備幾乎都是采用橋式整流電路。為了減少地鐵諧波電流對城市電網的
污染，除北京部分地鐵線路采用三相橋式六脈波整流電路外，新建的地鐵線路都采用三相橋式并聯的十二脈波整流電路(簡稱雙橋并聯整流電路)。采用兩臺閥側電壓相位差30。的雙繞組整流變壓器牽引變壓器與兩臺三相橋式整流器構成的等效十二脈波整流電路用一臺三繞組或四象限整流變壓器，閥側電壓相位差同樣為30。與一臺雙三相橋式整流器構成一套十二脈波整流機組。兩套十二脈波整流機組并聯工作并不會改變整流脈波數，只有當兩套機組的整流變壓器網側繞組分別移相+7．50，一7．50并聯工作時，才形成等效二十四脈波整流。
2．2整流電路的特點
(1)對于各種整流電路，其二次繞組容量、一繞組容量、網側額定容量三者之間不盡相等，這是由于一次和二次繞組往往導電時間不等、電流波形不同、繞組利用率不一致所至。
(2)各種整流電路的變頻變壓器磁勢不一定平衡。
2．3六脈波三相橋式整流電路的特點
六脈波三相橋式整流電路是構成十二脈波整流電路的基礎。其特點如下：
1關于容量
對于各種單一的三相橋式整流電路(如Y／y、Y／d、D／y、D／d)，其閥側繞組容量、網次繞組容量、網側額定容量三者均相等。
(2)關于磁勢
對于上述四種形式的整流電路，只要一次或二次有一個D(d)接繞組，則三次諧波就構成通路，從而消除激磁磁勢不平衡現象，所以，工程上優先采用有D(d)接線形式，以利于磁勢平衡。
(3)與其他形式的整流電路比較的主要特點
1)變壓器結構簡單，計算容量最小；
21反電壓峰值最小；
3)繞組接線組合多，易形成等效十二相。
4)臂電流有效值大，臂并聯整流元件多；
5)整流元件正向功率損耗比半波整流電路大。
(4)關于省去平衡電抗器的說明
雙橋整流電路可以看作由兩個相位差為300的脈動直流電源并聯的電路，兩者始終存在瞬時電壓差，該電壓差傳統的做法是在兩橋間加裝平衡電抗器來吸收。有文獻介紹，對于采用三繞組或四繞組的整流變壓器的雙橋整流機組，選擇合適的整流變
壓器阻抗參數值(全短路、半短路阻抗)，變壓器的阻抗可起到平衡電抗器的作用，從而可以省去該裝置。
構成等效十二脈波的三相橋式整流機組間的平衡電抗可以不裝，也不必采用什么措施。
2．4單機組十二脈波整流電路
(1)單機組十二脈波整流電路的特點
單機組十二脈波整流電路與雙機組等效十二脈波整流電路相比，其特點如下：
1)脈波數不受運行機組的影響，對五次及七次諧波的抑制較好。
2)兩閥側繞組間存在符合分配不均問題。
如果v接、d接的閥側繞組匝數比偏離1／3較大，則理想直流空載電壓不等，因而負荷分配不可能平均。
(2)整流變壓器接線組別
多種整流變壓器接線組別都能滿足十二脈波整流功能要求。目前，常用的四繞組整流變壓器的奄：Dd0|Dy5．Dd0}Dy7，Dd2 f Dyl。
滿足等效二十四脈波整流要求的兩臺整流變壓器組(上海在建和已建地鐵線路上均有采用)有兩種組別組合，一種是由西門子公司提供的產品，組別：一7．50 Dy5，Dd0，+7．50 Dy5／Dd0。兩臺變壓器的組別雖是一樣，但為了滿足-I-7．50的移相要求，
它們內部的接線不完全一樣，因此存在兩個缺點：
1)不能因改變外部接線來滿足互換要求；21兩臺變壓器網側三相接線端子相序不一致。針對上述缺點，目前，國內生產的產品克服了上述缺點，其組別為一7．50 Dy5／Dd0，+7．5。Dy7／Dd2。
2．5地鐵牽引整流機組的并聯運行
對于單機組十二脈波整流方式，牽引變電所中的兩套牽引整流機組并聯后一起向牽引網供電，總負載電流應在機組間合理平均分配。對于雙機組等效十二脈波整流方式，是由變電所中兩套相位差300的單機組并聯后，構成等效十二脈波整流系統，向牽引網供電。除要求負載在每個機組問合理分配外，還要求限制機組間均衡電流到適當程度。對于沒有直流電壓調節措施的機組，在條件相似即在同一地點并聯運行及由同一交流電源供電的情況下，當其在90％的額定負載時，每臺機組的直流電流與它應分配的負載電流的差別不應大于10％。
如無特別需要，并聯運行的整流機組，其交流側不應由兩個電源分別同時供電；如有必需，則對兩個交流電源的供電特性，如電壓水平、周波等應有嚴格要求，而且應該注意當其中一個電源故障時，由另一個電源供電的另一套機組發生嚴重過載的可能性，保證其滿足標準IEC 146的有關要求。
3 整流機組的保護
以三相全波整流橋(見圖1)為例，整流器本體設置了如下一些保護：
(1)內部過電壓保護；
(2)外部過電壓限制；
(3)內部短路保護；
(4)電源保護；
(5)溫度保護。
3．1內部過電壓f換相過電壓)保護
當二極管通過正向電流時，正電荷及負電荷的載流子向PN結方向擴散，于是正電荷載流子(空穴)就在P區與N區的交接面附近聚積起來。由于這些載流子的聚積，在二極管正向電流過零時，二極管不能立即恢復反向截止能力，這時，會在二極管中開始出
現類似于短路電流的反向電流，逆向電流也或快或慢地突然消失。電流的突然中斷引起整流電路中的感性負載產生感應電壓，該電壓疊加于正常反向電壓之上形成內部過電壓。
為避免內部過電壓將二極管反向擊穿，可在每個二極管上并聯安裝RC過電壓限制回路。見圖1。
3．2直流側過電壓保護
為限制直流側或整流器交流進線側可能出現的過電壓，例如大電流隔離開關操作過電壓或大氣過電壓，在整流器直流輸出端并聯安裝RC和壓敏電阻R。過電壓限制回路。RC電路由串聯阻尼電阻Rl和電容C1組成。
另外，在整流器的直流輸出端還并聯起穩壓作用的電阻R2，用于限制整流器的空載電壓。
3．3整流器內部短路保護
當某個二極管失去反向截止能力，即造成整流器交流進線相間短路，我們稱這種情況為整流器內部短路。針對整流器內部短路故障，可在整流器設置快速熔斷器和逆流監視。
3．3．1快速熔斷器
在每個二極管支路上串聯一個快速熔斷器，其作用是在整流器發生內部短路故障時，有選擇地隔離故障二極管，避免故障二極管內部因過熱而暴裂。
快速熔斷器主要是針對整流器內部短路故障，
所以在選擇熔斷器的額定電流時，必須考慮躲開負荷電流及外部短路電流，同時，需要使用廠家提供的安一秒特性曲線，即在規定的條件下，熔斷器的預期開斷電流與弧前時間的對應關系曲線。在安一秒特性曲線的基礎上，根據相應標準(如IECl46—6)，可得到熔斷器的過載能力曲線。根據這條過載能力曲線，可校驗熔斷器是否滿足過載能力要求。
3．3．2整流臂逆流監視單元
對于內部短路故障，可在整流器上設置逆流保護，該逆流保護由逆流電流互感器和逆流保護單元組成。在整流器的每一個整流橋臂上都裝有一個穿心式電流互感器，這種電流互感器的鐵心由高等級的鎳鐵合金組成，具有近似于矩形的磁滯回線。如果整流橋臂內的某個二極管反向擊穿，則在這個二極管支路上的熔斷器開始熔斷的弧前時間和燃弧時間內，將有故障電流流過這個橋臂，而接在電流互感器二次側的逆流保護單元就有信號輸出，該輸出信號可用作熔斷器熔斷指示信號。
3．4電流保護
整流機組應設以下電流保護：
(1)過載保護；
(2)過流保護；
(3)電流速斷保護。
整流機組由整流變壓器和整流器組成，它們有一根電流／時間過載合成曲線。整流機組的工作范圍被劃定在電流／時間過載合成曲線下方，為此，上述保護合成后的包絡線必須在上述曲線下方。上述兩根曲線稱為保護配合曲線，有成套供應商提
供。
廣州地鐵一號線的整流機組由西門子公司提供，它的保護配合曲線見圖2。
3．5整流機組溫度保護
整流機組溫度保護有變壓器溫度保護和整流器溫度保護兩個部分。
本文所述的整流變壓器都是指干式變壓器。變壓器三相繞組設溫度保護。溫度傳感器被安置在繞組溫度最高部位，也稱為熱點。溫度傳感器的信號送到溫控儀，溫控儀上可設定兩個溫度，一個是報警溫度，另一個是跳閘溫度，兩個定值可以調整。溫控儀的報警、跳閘信號通過無源接點或通信口送出。
整流器內部設兩種溫度保護，一種是母線溫度保護；另一種是二極管溫度保護。溫度傳感器是分別安裝在整流器最熱部位
的母線和二極管散熱器上。母線及二極管溫度保護分別各設兩個定值，一個是報警溫度，另一個是跳閘溫度。

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