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地鐵牽引整流技術(shù)概述

(發(fā)布日期：2014-5-7 14:08:40) 來源：

目前，地鐵牽引供電系統(tǒng)多采用直流制，因此，變流設(shè)備成為該系統(tǒng)中的重要設(shè)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(jī)組降壓整流而獲得，為此就要充分研究整流技術(shù)的特點，并針對其特點對整流機(jī)組進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)。

2 地鐵整流技術(shù)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(shè)兩套整流設(shè)備(也稱為整流機(jī)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(shè)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(wǎng)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(lián)的十二脈波整流電路(簡稱雙橋并聯(lián)整流電路)。采用兩臺閥側(cè)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(gòu)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(cè)電壓相位差同樣為30。與一臺雙三相橋式整流器構(gòu)成一套十二脈波整流機(jī)組。兩套十二脈波整流機(jī)組并聯(lián)工作并不會改變整流脈波數(shù)，只有當(dāng)兩套機(jī)組的整流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組分別移相+7．50，一7．50并聯(lián)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(wǎng)側(cè)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(dǎo)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(gòu)成十二脈波整流電路的基礎(chǔ)。其特點如下：
1關(guān)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(cè)繞組容量、網(wǎng)次繞組容量、網(wǎng)側(cè)額定容量三者均相等。
(2)關(guān)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(gòu)成通路，從而消除激磁磁勢不平衡現(xiàn)象，所以，工程上優(yōu)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(jié)構(gòu)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(lián)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(guān)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(lián)的電路，兩者始終存在瞬時電壓差，該電壓差傳統(tǒng)的做法是在兩橋間加裝平衡電抗器來吸收。有文獻(xiàn)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(jī)組，選擇合適的整流變
壓器阻抗參數(shù)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(gòu)成等效十二脈波的三相橋式整流機(jī)組間的平衡電抗可以不裝，也不必采用什么措施。
2．4單機(jī)組十二脈波整流電路
(1)單機(jī)組十二脈波整流電路的特點
單機(jī)組十二脈波整流電路與雙機(jī)組等效十二脈波整流電路相比，其特點如下：
1)脈波數(shù)不受運行機(jī)組的影響，對五次及七次諧波的抑制較好。
2)兩閥側(cè)繞組間存在符合分配不均問題。
如果v接、d接的閥側(cè)繞組匝數(shù)比偏離1／3較大，則理想直流空載電壓不等，因而負(fù)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(chǎn)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(nèi)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(wǎng)側(cè)三相接線端子相序不一致。針對上述缺點，目前，國內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)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(jī)組的并聯(lián)運行
對于單機(jī)組十二脈波整流方式，牽引變電所中的兩套牽引整流機(jī)組并聯(lián)后一起向牽引網(wǎng)供電，總負(fù)載電流應(yīng)在機(jī)組間合理平均分配。對于雙機(jī)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(jī)組并聯(lián)后，構(gòu)成等效十二脈波整流系統(tǒng)，向牽引網(wǎng)供電。除要求負(fù)載在每個機(jī)組問合理分配外，還要求限制機(jī)組間均衡電流到適當(dāng)程度。對于沒有直流電壓調(diào)節(jié)措施的機(jī)組，在條件相似即在同一地點并聯(lián)運行及由同一交流電源供電的情況下，當(dāng)其在90％的額定負(fù)載時，每臺機(jī)組的直流電流與它應(yīng)分配的負(fù)載電流的差別不應(yīng)大于10％。
如無特別需要，并聯(lián)運行的整流機(jī)組，其交流側(cè)不應(yīng)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(yīng)有嚴(yán)格要求，而且應(yīng)該注意當(dāng)其中一個電源故障時，由另一個電源供電的另一套機(jī)組發(fā)生嚴(yán)重過載的可能性，保證其滿足標(biāo)準(zhǔn)IEC 146的有關(guān)要求。
3 整流機(jī)組的保護(hù)
以三相全波整流橋(見圖1)為例，整流器本體設(shè)置了如下一些保護(hù)：
(1)內(nèi)部過電壓保護(hù)；
(2)外部過電壓限制；
(3)內(nèi)部短路保護(hù)；
(4)電源保護(hù)；
(5)溫度保護(hù)。
3．1內(nèi)部過電壓f換相過電壓)保護(hù)
當(dāng)二極管通過正向電流時，正電荷及負(fù)電荷的載流子向PN結(jié)方向擴(kuò)散，于是正電荷載流子(空穴)就在P區(qū)與N區(qū)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(fù)反向截止能力，這時，會在二極管中開始出
現(xiàn)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(fù)載產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該電壓疊加于正常反向電壓之上形成內(nèi)部過電壓。
為避免內(nèi)部過電壓將二極管反向擊穿，可在每個二極管上并聯(lián)安裝RC過電壓限制回路。見圖1。
3．2直流側(cè)過電壓保護(hù)
為限制直流側(cè)或整流器交流進(jìn)線側(cè)可能出現(xiàn)的過電壓，例如大電流隔離開關(guān)操作過電壓或大氣過電壓，在整流器直流輸出端并聯(lián)安裝RC和壓敏電阻R。過電壓限制回路。RC電路由串聯(lián)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(lián)起穩(wěn)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(nèi)部短路保護(hù)
當(dāng)某個二極管失去反向截止能力，即造成整流器交流進(jìn)線相間短路，我們稱這種情況為整流器內(nèi)部短路。針對整流器內(nèi)部短路故障，可在整流器設(shè)置快速熔斷器和逆流監(jiān)視。
3．3．1快速熔斷器
在每個二極管支路上串聯(lián)一個快速熔斷器，其作用是在整流器發(fā)生內(nèi)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(nèi)部因過熱而暴裂。
快速熔斷器主要是針對整流器內(nèi)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(fù)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(guī)定的條件下，熔斷器的預(yù)期開斷電流與弧前時間的對應(yīng)關(guān)系曲線。在安一秒特性曲線的基礎(chǔ)上，根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)(如IECl46—6)，可得到熔斷器的過載能力曲線。根據(jù)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(jiān)視單元
對于內(nèi)部短路故障，可在整流器上設(shè)置逆流保護(hù)，該逆流保護(hù)由逆流電流互感器和逆流保護(hù)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(nèi)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(nèi)，將有故障電流流過這個橋臂，而接在電流互感器二次側(cè)的逆流保護(hù)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(hù)
整流機(jī)組應(yīng)設(shè)以下電流保護(hù)：
(1)過載保護(hù)；
(2)過流保護(hù)；
(3)電流速斷保護(hù)。
整流機(jī)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(jī)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(hù)合成后的包絡(luò)線必須在上述曲線下方。上述兩根曲線稱為保護(hù)配合曲線，有成套供應(yīng)商提
供。
廣州地鐵一號線的整流機(jī)組由西門子公司提供，它的保護(hù)配合曲線見圖2。
3．5整流機(jī)組溫度保護(hù)
整流機(jī)組溫度保護(hù)有變壓器溫度保護(hù)和整流器溫度保護(hù)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(shè)溫度保護(hù)。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(shè)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(diào)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(nèi)部設(shè)兩種溫度保護(hù)，一種是母線溫度保護(hù)；另一種是二極管溫度保護(hù)。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(hù)分別各設(shè)兩個定值，一個是報警溫度，另一個是跳閘溫度。

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