城市轨道交通牵引供电系统48脉波整流技术研究

姜筱靥

0 引言

城市轨道交通牵引供电系统中的牵引变电所通过整流机组将中压交流电降压整流为直流电，并通过牵引网系统向列车供电[1]，其负载特性为冲击性的整流负荷，因此在牵引变电所整流机组的高压侧将不可避免地产生谐波，成为系统中的谐波源。该谐波会向城市电网输出，从而造成电网污染，降低电能质量。

谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染[2]，其对公用电网和其他系统的危害大致体现在以下几方面：（1）谐波使公用电网中的元件（感应电机、同步电机）产生附加谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率；（2）谐波影响各电气设备的正常工作，对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏；（3）谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，使上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起严重事故；（4）谐波会导致继电保护和自动装置误动作，并使电气测量仪表计量不准确；（5）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。

上述谐波的不良影响可划分为热影响、冷影响和谐振影响三类。热影响系因发热而产生的不良影响，有长期性和积累效应，主要是谐波或合成谐波的幅值起作用；冷影响是瞬间产生的不良影响，主要是谐波或合成谐波的幅值或相位起作用；谐振影响是网络的拓扑结构和参数对谐波源激励的一种响应，其发生时将引起相关元件的过电流或过电压。国家技术监督局于1993年发布了GB/T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》，该标准对用户所产生谐波对公用电网的影响进行了严格限制，电力部门要求地铁供电系统注入电网系统PCC点的高次谐波不超过国标允许值；在地铁供电系统内部也不允许发生危险的高次谐波谐振现象。因此，如何解决牵引变电所中整流机组所产生的高次谐波对公用电网和地铁供电系统的“污染”，成为电力部门和地铁部门共同关心的问题。通过研究表明，提高整流机组输出脉波数，可以大幅降低谐波水平。

1 地铁整流机组现状及发展

1.1 地铁整流机组发展历程

我国早期城市轨道交通牵引供电系统与世界其他国家相似，均采用6脉波整流机组，如早期北京地铁750 V整流机组为6脉波桥式整流。约在20世纪80年代中期，为治理牵引整流谐波，北京地铁开始推广采用12脉波整流机组供电。

20世纪90年代末期，上海轨道交通2号线牵引供电系统首次采用24脉波整流技术，主要包括上下双分裂的12脉波干式整流变压器、高电压大电流整流二极管、24脉波整流和保护技术等。24脉波整流较12脉波整流技术极大地减少了11次和13次整流谐波，整流谐波总含量减少约80%，极大改善并提高了电网质量。

随后，我国较快地完成引进技术的消化吸收，全面推广采用国产24脉波牵引整流技术和装备。目前国内城市轨道交通普遍采用的整流机组为24脉波整流机组。

1.2 现有整流机组存在的谐波情况

理想情况下，整流机组网侧只含有h=kp±1次特征谐波（k为正整数），第h次谐波的理论幅值为Ih=I1/h（I1为基波的幅值）。实际上，由于各种非理想因素（电网电压不对称、整流变压器三相不平衡等），不可避免产生非特征次数的谐波。

目前，我国和世界各国采用的24脉波整流装置通常是由2台12脉波整流变压器和与之配套的整流器共同组成，如图1所示。当2台整流变压器高压网侧绕组分别采用±7.5°外延三角形连接移相时，通过2套整流器并联运行即可构成等效24脉波整流。

图1 24脉波整流装置

24脉波整流机组工作时，大大减少了5、7、11、13次等特征谐波，但整流产生的23、25次特征谐波仍存在。单一的整流变电所产生的23、25次整流谐波对供电电网产生的危害不大，但一条地铁或数条地铁线联合产生的整流谐波有可能会造成谐波含量超标。

随着我国城市轨道交通的快速大规模发展，为配合节能降耗、低碳、环保，作为预防性措施，国内已开始着手研发新一代整流机组，即在24脉波整流机组的基础上提出了48脉波整流机组方案，为整流机组的更新换代作出了尝试。

2 48脉波整流方案

目前国内48脉波整流机组有2种方案，分别为“分布式等效48脉波整流方案”和“集中式等效48脉波整流方案”。

2.1 分布式等效48脉波整流方案

2.1.1 方案介绍

分布式等效48脉波整流是根据地铁牵引供电的特点，将原来各自独立的24脉波整流机组相互移相并组成网络意义的48脉波整流，以降低电网中23、25次整流谐波含量。

分布式等效48脉波整流的通用互换技术方案，是将目前各牵引变电所的等效24脉波整流变压器设计成移相角可7.5°两档（Ⅰ档和Ⅱ档）调节，Ⅰ档24脉波整流变压器与Ⅱ档24脉波整流变压器输出交流电压相差7.5°相角。将地铁沿线的24脉波整流变压器分别间隔调节到Ⅰ档和Ⅱ档，沿线Ⅰ档24脉波整流变压器与Ⅱ档24脉波整流变压器组成分布式等效48脉波整流。

如图2（a）所示，牵引变电所等效24脉波整流变压器包括2台12脉波整流变压器（T1和T2），变压器在Ⅰ档：变压器T1正移相3.75°，变压器T2负移相-11.25°，该牵引变电所的T1和T2组成24脉波整流。如图2（b）所示，变压器在Ⅱ档：变压器T1负移相-3.75°，变压器T2正移相11.25°，该牵引变电所的T1和T2也组成24脉波整流；Ⅰ档24脉波整流变压器与Ⅱ档24脉波整流变压器相互之间相差7.5°移相角，共同组成分布式等效48脉波整流。

图2 24脉波整流变压器

各牵引变电所并网运行时，电网侧Ⅰ档24脉波整流变压器23、25次整流谐波电流分别与II档24脉波整流变压器的23、25次整流谐波电流之间相位角为24×7.5°，即180°，此时23、25次整流谐波电流可部分相互抵消，从而减少23、25次谐波电流。

经试验表明，分布式等效48脉波整流可降低网侧23、25次整流谐波电流85%以上，降低总谐波电流含量约20%。图3为等效24脉波整流和等效48脉波整流直流电压输出波形（交流分量）。

图3 直流电压输出波形

2.1.2 性能分析

（1）可靠性。在目前地铁等效24脉波整流变压器基础上，采用两档（Ⅰ档和Ⅱ档）7.5°移相角调节变压器组成分布式等效48脉波整流方案，仅改变了变压器的移相方式。每个牵引变电所变压器T1和T2均为原有成熟技术的轴向双分裂12脉波整流变压器，技术可靠性相对较高。

（2）互换性。虽然整流变压器T1和T2的移相角不同（不可互换），T1是+3.75°移相角与-3.75°移相角可调节，T2是-11.25°移相角与+11.75°移相角可调节；但每个牵引变电所包含的2台变压器是相同的T1和T2整流变压器，即各牵引变电所之间是可互换的。将所有牵引变电所的整流变压器同时调为Ⅰ档时，或同时调为Ⅱ档时，牵引变电所均为原来意义的等效24脉波整流。将所有牵引变电所的整流变压器间隔调为Ⅰ档和Ⅱ档时（现有地铁整流机组按照相邻牵引变电所一、二段母线间隔设置，故可通过在第1、3、5……或第2、4、6……牵引变电所间隔设为Ⅰ档和Ⅱ档整流变压器来实现48脉波整流），各牵引变电所在电网组成分布式48脉波整流，可抵消原来相互叠加的23、25次整流谐波。

（3）经济性。整流变压器T1和T2相比原整流变压器，无成本增加。

（4）对系统的影响。对于分布式48脉波整流，各牵引变电所的整流变压器具有通用互换性，整流器和继电保护与原24脉波整流相同，并维持现有牵引供电模式不变，具有改善电网质量、不增加牵引整流供电设备成本的优点。

2.2 集中式等效48脉波整流方案

集中式48脉波整流的技术方案如下：三相48脉波整流变压器由2台24脉波整流变压器组成，每台24脉波整流变压器带有4套低压阀侧输出绕组，4套低压绕组相互移相15°。

图4给出变压器绕组上下分列布置示意图。图示为一相，高压2个分裂线圈H1和H2上下分列布置；低压侧包括4套绕组L1、L2、L3和L4及低压移相绕组S1、S2、S3和S4。

图4 24脉波（4套低压输出）变压器绕组布置

1台24脉波整流变压器的4套低压阀侧输出绕组接4套整流器，4套整流器输出并联，组成24脉波整流。2台24脉波整流装置之间高压绕组相互再移相7.5°，整流机组并联运行，组成等效集中式48脉波整流。

采用集中式48脉波整流方案，每个整流变电所需包括8台6脉波整流装置，每个牵引变电所的整流器由原来的24脉波整流的2台整流器增加到4台。

从整流变压器的角度看，虽然每个牵引变电所的变压器仍为2台，未增加变压器的数量；但单台变压器低压绕组的数量由原来的2个增加到4个，且为了实现低压绕组相互移相15°的要求，低压绕组增加了移相绕组，一定程度增加了变压器的工艺难度和成本。

从整流效果和谐波治理角度看，由于较多的低压绕组径向布置，整流绕组的电磁耦合系数较大，相互之间干扰较大，极大地影响了整流效果和谐波治理效果，集中式48脉波整流技术还有待进一步完善和提高。

2.3 两种方案的分析比较

对于集中式48脉波整流方案，一个牵引变电所内实现48脉波整流，需将原来2台三相整流器增加到4台，牵引变电所的占地面积和设备造价将增加，引起工程投资费用增大。目前单台24脉波整流变压器尚存在低压绕组移相及整流绕组相互干扰的技术难点，有待进一步完善提高。

对于分布式48脉波整流方案，针对电网中23、25次整流谐波，能够有效降低整流谐波含量，各牵引变电所整流变压器通用互换，不改变整流器和供电系统的设计，维持了原有设备的高可靠性，且不增加设备成本，经济可行。

3 结论和建议

分布式48脉波整流变压器可在保证24脉波整流安全基础上，通过变压器无载调节变换实现分布式48脉波整流；各牵引变电所的整流变压器具有通用互换性；不改变目前牵引变电所的配置且不增加其他成本。从原理上讲，增加整流机组的脉波数能够更有效地降低谐波含量，48脉波整流机组能够有效降低牵引整流23、25次谐波。

分布式48脉波整流方案作为节能以及提高电网电能质量的预防性措施，可以大幅降低牵引供电系统谐波水平；目前主流牵引机组供货商均可提供相关产品，后续可结合工程需求逐步推广应用。