城市轨道交通牵引供电整流机组的技术探讨

常国兰

城市轨道交通牵引供电整流机组的技术探讨

常国兰

摘 要：城市轨道交通牵引供电系统由牵引变电所和牵引网组成，牵引变电所的主要设备是整流机组，整流机组由牵引变压器与整流器组成。整流机组网侧谐波电流是电力系统主要的谐波源之一。为减少谐波电流对城市电网的影响，我国城市轨道交通牵引供电广泛使用24脉波直流电源。具体探讨与研究了24脉波整流机组作用、结构、整流原理和保护。

关键词：城市轨道交通；供电系统；牵引变电所；24脉波整流机组

常国兰：北京铁路电气化学校，高级讲师，北京 102202

0　前言

随着我国城市建设的发展，城市轨道交通建设也在蓬勃开展。城市轨道交通供电电源一般取自城市电网，对于电力系统，城市轨道交通供电系统是一个重要用电负荷。城市轨道交通牵引供电系统由牵引变电所和牵引网两部分组成，牵引网由接触网（或接触轨）和回流网组成。电能从牵引变电所经馈电线、接触网输送给电动列车，再由电动列车经钢轨、回流线流回牵引变电所。

城市轨道交通牵引供电系统的电压等级一般为交流中压10～35 kV之间，通过牵引变电所变压整流，经牵引网供给电动列车的电压为DC750V或DC1500V。直流制是城市轨道交通牵引供电多采用的方式，三轨方式常用DC750V，架空接触网方式采用DC1500V。其中北京、天津、杭州等城市采用DC750V接触轨馈电，上海、广州等城市采用DC1500V接触网馈电[1]。

大功率整流装置中网侧谐波电流是电力系统中主要的谐波源之一。谐波的危害体现在多个方面，包括：增加了城市轨道交通供电设备的附加损耗和发热量；对自身和邻近的通信系统造成干扰和危害；对周围民用电网造成影响；对无功补偿系统产生干扰，甚至引起误动作。为了减小牵引变电所网侧谐波电流的影响，需增加整流装置的脉动数，减少低次谐波，达到降低谐波的目的。我国城市轨道交通牵引供电广泛使用24脉波直流电源[2]。

1　24脉波整流机组的结构和整流原理

牵引变电所的主要功能是将其交流进线电压通过牵引变压器降压，然后经整流器将交流电变成直流电供电动列车使用。其主要设备是整流机组。整流机组由牵引变压器与整流器组成。图1所示为北京地铁牵引供电系统原理图。

图1　北京地铁牵引供电系统原理图

牵引变压器采用2台轴向双绕组双分裂式变压器。每台变压器结构如下：1台双绕组双分裂变压器由铁心、2个独立的高压网侧绕组和2个独立的低压阀侧绕组组成。高压2组网侧绕组用树脂浇注在一起，在外部并联。高压网侧绕组采用延边三角形联结，由主绕组和移相绕组组成。低压2组阀侧绕组沿轴向布置于同一铁心柱上，将其头尾各自采用y联结和d联结分别引出，分裂成2个支路。这种阀侧绕组分裂为2个支路布置在同一个铁心柱上的轴向双分裂变压器可以使阀侧2个支路并列运行，同时向负载供电，即同时各供1个三相桥式整流器[3]，即整流机组主要由2台轴向双分裂式牵引变压器1T、2T和4组全波整流桥B1～B4组成。

2台牵引变压器的网侧绕组采用沿边三角形接线分别移相±7.5°相位角，阀侧绕组采用d、y接法，2台变压器的阀侧绕组的线电压相位互差15°，分别经全波整流后，在直流侧并列运行，形成24脉波的整流变电系统[4]。图2所示为24脉波牵引整流机组原理图。

图2　24脉波牵引整流机组原理图

2　24脉波整流机组的保护

根据地铁设计规范，牵引整流机组的保护设置和整定，其原则应当是根据牵引负荷的特点，保证牵引整流机组的过负荷能力的充分利用，以提高牵引变电所的效率。整流机组的牵引负荷等级特性为：100%额定输出连续；150%额定输出2 h；300%额定输出1 min。牵引整流机组的短路故障及过负荷，包括直流母线短路，由变压器一次侧交流高压断路器实现保护。另在直流侧，应设直流快速断路器，在保护上是非常有利的。

为了实现牵引整流机组的可靠运行，牵引变压器应设如下保护：电流速断保护、过电流保护、零序过电流保护、过负荷保护、温度保护。整流器需设置过电压保护、内部短路保护、元件故障保护和温度保护。

以北京地铁为例进行分析，图3所示为北京地铁牵引供电系统部分主接线图。图3中：236、237为交流侧高压断路器，简称机组开关；1TA～4TA为电流互感器；236-7、237-7为接地闸刀；1T、2T为牵引变压器；60、70为直流进线断路器，简称总闸开关；63、73为正母线电动隔离开关，65、75为负母线电动隔离开关， 14、24、34、44为旁路电动隔离开关，93为备用电动隔离开关，90为备用直流断路器；10、20、30、40为直流馈线断路器，简称分闸开关，其中，10、30为上行分闸开关，20、40为下行分闸开关；16、26、36、46为上网电动隔离开关。

图3　北京地铁牵引供电系统主接线图

2.1牵引变压器保护

（1）电流速断保护是牵引变压器的主保护。它是保证在牵引变压器绕组范围内发生严重短路故障时，以最短的动作时限，迅速切除故障点的电流保护。当速断保护动作时，瞬时使断路器跳闸，切除故障。电流速断保护装于变压器的电源侧1TA 和2TA处，为保证选择性，主要保护到变压器高压绕组部分。电流速断保护有2个整定原则：一是按躲开变压器负荷侧出口处最大短路电流来整定（1.2～1.3倍负荷侧出口最大三相短路电流，并将其折算到原边）；二是按躲过励磁涌流来整定（3～4倍变压器原边额定电流）；选择其中较大值作为变压器电流速断保护的整定值。

（2）过电流保护是变压器的后备保护，反应相间短路电流增大而动作的电流保护。过电流保护装置装于变压器的电源侧1TA和2TA处，保护范围为变压器高、低压绕组，还兼作变压器负荷侧的远后备保护。它是按照躲开最大负荷电流而整定的，应能躲过电动列车的自启动电流。当继电保护装置中流过的电流达到保护整定的整定电流时，经过整定延时后使断路器跳闸。因国标规定牵引变压器3倍额定电流时，可运行1 min，所以，过电流保护动作电流整定应躲开变压器的3倍额定电流，动作时限按阶梯形原则整定，即比下一级线路过电流保护的动作时间大0.5 s。

（3）零序过电流保护是反应零序电流增大超过定值而动作的保护，当10 kV系统中性点采用大电流接地方式时，用于变压器单相接地短路故障保护。零序过电流保护装置装于变压器的电源侧3TA和4TA处，保护范围为牵引变压器高压侧绕组、引出套管和引出线。

（4）为了使牵引变压器安全运行，使其运行寿命不低于设计使用年限。牵引变压器设置了过负荷保护。过负荷保护是按照变压器的额定电流限定的最大负荷电流而整定的。因国标规定牵引变压器1.5倍额定电流输出2 h的过负荷能力。所以，过负荷保护可按动作电流为1.4～1.5倍额定电流，动作时间为20 s来整定。当电力变压器的负荷电流超过额定值而达到继电保护的动作电流时，经过整定延时，发出过负荷信号，工作人员可根据该信号对变压器的运行负荷加以调整和控制，防止长期过负荷而加速绕组老化。

（5）为了监视牵引变压器的运行温度，设置了温度保护，分为报警和跳闸2种整定状态。在牵引变压器中设置温度控制器，监测绕组和铁心温度，根据设定温度实现自动报警（130 ℃）、跳闸（150 ℃）功能。

1T或2T牵引变压器保护动作于跳闸时，机组开关236或237跳闸，并联跳总闸开关60或70，以切断整流机组两侧电源。

2.2整流器保护

整流器保护分为整流柜整体保护和硅元件保护。整流柜整体保护包括交流侧过电压保护、直流侧过电压保护、过电流保护、温度保护、逆流保护和框架保护。硅元件保护分为过电压保护、过电流保护和故障硅元件检测等。图4所示整流器本体自带保护原理图。

图4　整流器本体自带保护原理图

（1）交流侧过电压保护。在交流侧突然接通和断开牵引变压器电源时，会在变压器阀侧产生过电压，称为操作过电压；同时合闸时，在变压器网侧、阀侧之间会产生静电过电压。采用由电容器C1星形连接来抑制静电过电压；由压敏电阻RV1三角形连接来抑制操作过电压。

（2）直流侧过电压保护。直流侧开关合闸和断开时也会产生操作过电压。将电阻R2和电容C2串联后，并联在直流正、负母排两端，来抑制操作过电压；并用压敏电阻RV2来抑制残余过电压。

（3）硅元件换相过电压保护。硅元件在换相过程中，由于电流变化而引起的过电压称为换相过电压。采用在每条臂的硅元件两端并有电容R、电阻C组成的阻容回路，来吸收换相过电压。

（4）硅元件过电流保护。采用串联快速熔断器FU的方法来进行。

（5）整流器过电流保护。由机组开关236或237的过电流保护来实现。

（6）温度保护。在整流器预测温度最高的元件散热器或铜母排上设置温度传感器元件，用于监视元件散热器或铜母排的温度，温度结果1段用于报警，2段用于跳闸，并发出当地及远方信号。一般设定当整流器温度达到70 ℃时，实现报警；当整流器温度达到90 ℃时，实现跳闸。即相应的机组开关236或237跳闸，并联跳相应的总闸开关60或70，切断整流机组两侧电源。

（7）逆流保护。逆流保护是为整流柜内部交、直流母排出现短路故障而设置的保护装置。2台及以上的整流机组并列运行时，某一台整流柜内部交、直流母排或输出直流母线出现短路故障时，往往会使直流母线向该故障点回馈很大的电流，即形成逆流，在直流电压较高的情况下，这个逆流会很大，使故障扩大，甚至发生整流柜爆炸事故，造成很大经济损失。而通过配置逆流保护装置，当整流器发生逆流时，快速发出跳闸信号，相应的机组开关236 或237跳闸，并联跳相应的总闸开关60或70，切断整流机组两侧电源。

（8）框架保护。当整流柜内部的交、直流母排对柜体发生泄漏或绝缘损坏时，框架保护动作，使本所内机组开关236、237、所有的直流开关60、70、10、20、30、40以及邻所向本供电区段双边供电的直流开关（邻所1的10、20；邻所2 的30、40）全部跳闸，有效切断故障，从而保护设备安全。

（9）故障硅元件检测。为了防止出现硅管短路故障时电源短接的情况，采用快速熔断器并联信号器（熔断信号器）检测方法。当硅元件故障击穿时，快速熔断器熔断，熔断信号器发出信号。如1个桥臂上有2个硅元件并联，检测回路根据熔断信号器所在的桥臂，判断是1个硅元件故障还是同一桥臂内有2个硅元件故障，并正确发出故障信号或跳闸指令。当整流装置有1个硅元件发生故障时应报警；在同一桥臀内有2个硅元件发生故障时，相应的机组开关236或237跳闸，并联跳相应的总闸开关60或70，使其退出运行。

（10）硅元件冷却。为了防止运行中的硅管的PN结温度超过其额定结温，硅管要配有一定的冷却措施，配用相应的散热器。

整流机组一般配有自动化数据采集装置，用于收集跳闸信号、报警信号，采用数据传输方式与变电所监控系统接口，采用接点方式与二次保护接口，装置能显示各种报警、跳闸信号及保护信号。

3　总结

通过对城市轨道交通24脉波整流机组的作用、结构、整流原理和保护的技术探讨与研究，让我们对牵引供电整流机组有了系统的认识。随着科技的进步，这项技术也将会更加完善，为人们的交通出行提供更加安全便捷的服务。

参考文献

[1] 郑瞳炽，张明锐. 城市轨道交通牵引供电系统[M]. 北京：中国铁道出版社，2000.

[2] 王念同，魏雪亮. 轴向双分裂式12脉波牵引整流变压器谐波电流的分析[J]. 变压器，2001，38 （1）；（2）.

[3] 傅铭，王晨. 地铁牵引整流技术概述[J]. 上海电器技术，2005（1）.

[4] 龚孟荣. 等效24脉波整流机组原理分析[J]. 铁道勘测与设计，2008（4）.

[5] 陈海军. 24脉波整流机组的原理及保护方式[J]. 电工技术，2005 （4）.

责任编辑 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

中图分类号：U231.8