地鐵直流牽引供電12脈波整流機組運行分析及改造

王曉博 趙 壘

(西安市地下鐵道有限責(zé)任公司運營分公司，710016，西安∥第一作者，工程師)

地鐵牽引供電系統(tǒng)主要采用直流供電方式。早期部分地鐵線路采用了12 脈波整流方式。為了降低整流機組一次側(cè)交流線電壓波形畸變對電網(wǎng)的干擾，減小直流輸出電壓的紋波系數(shù)，在12 脈波的基礎(chǔ)上開發(fā)了24 脈波整流技術(shù)。該技術(shù)有效地提高了供電質(zhì)量并得到廣泛應(yīng)用。

目前，24 脈波整流是由2 臺整流機組并聯(lián)工作實現(xiàn)的。其存在的問題是:當(dāng)其中1 臺整流器機組出現(xiàn)逆流保護、熔斷器熔斷等故障時會聯(lián)跳另外1臺整流機組，進(jìn)而導(dǎo)致一個變電所退出牽引供電。這種情況將直接導(dǎo)致接觸網(wǎng)失壓，電客車無法運行，對車輛段、停車場等此類接觸網(wǎng)單邊供電區(qū)域的影響也較嚴(yán)重。西安地鐵2號線渭河車輛段發(fā)生過這種故障，導(dǎo)致車輛段接觸網(wǎng)全部失壓。故障發(fā)生后，根據(jù)設(shè)計運行方案采取正線支援供電，經(jīng)過近30 min，渭河車輛段接觸網(wǎng)才恢復(fù)供電。此類故障不僅對車輛段行車造成很大影響，同時支援供電過程中會直接影響到正線的行車組織，影響范圍可擴大至故障范圍外。為此，有必要對12 脈波牽引供電的地鐵單臺整流機組運行進(jìn)行研究。

1 12脈波與24脈波整流原理

圖1 為24 脈波整流機組的基本結(jié)構(gòu)。在圖1中，24 脈波整流機組包含2 臺變壓器(T1 和T2)，均為雙低壓輸出變壓器。每臺整流機組T1 和D1，T2和D2 單獨工作時均可輸出12 脈波的直流電源，組成各自獨立的12 脈波整流系統(tǒng)。為了實現(xiàn)24 脈波整流，在高壓側(cè)采用延邊三角形移相方法，T1 和T2的基本聯(lián)接組別是在Dd0y11 基礎(chǔ)上，分別移相+7.5°和-7.5°，實現(xiàn) T1 和 T2 輸出低壓移相 15°。T1 和 D1，T2 和 D2 并聯(lián)工作時，合成輸出 24 脈波的直流電源。

12 脈波整流是在24 脈波整流基礎(chǔ)上減少一套整流機組實現(xiàn)的運行模式。西安地鐵牽引供電采用24 脈波供電。下文對12 脈波下電客車運行的可行性進(jìn)行論證。

2 12脈波與24脈波整流機組運行測試

通過對12 脈波與24 脈波運行參數(shù)對比，研究確保12 脈波下可滿足供電設(shè)備及電客車運行的要求。本文以西安地鐵2號線渭河車輛段2 000 kW整流機組為樣本，進(jìn)行了12 脈波和24 脈波的單體設(shè)備運行測試。由于12 脈波運行為一種應(yīng)急運行模式，整流機組測試項目重點針對影響電客車運行的參數(shù)，包括額定電壓負(fù)載測試、直流電壓的紋波因數(shù)、功率效率等。

2.1 額定電壓負(fù)載測試

表1 為12 脈波與24 脈波整流機組額定電壓負(fù)載測試數(shù)據(jù)。

表1 12 脈波與24 脈波整流機組額定電壓負(fù)載測試數(shù)據(jù)

表1 測試數(shù)據(jù)表明:12 脈波下，負(fù)載由93.96 kW 升至 650.68 kW 時，直流電壓由 1 605.8 V 降至了1 521.0 V，壓降84.8 V，下降率 5.28%;24 脈波下負(fù)載由 93.96 kW 升至 650.69 kW 時，直流電壓由1 619.6 V 降至了 1 562.1 V，壓降 57.5 V，下降率3.55%。同負(fù)荷下，12 脈波相較于24 脈波額定輸出電壓降低41.1 V，電壓下降率高出了1.73%，直流電壓下降率較高，因此需重點監(jiān)測12 脈波下的壓降問題。

12 脈波牽引供電方式下輸入功率與電壓基本呈線性比例關(guān)系。此次測試的最高負(fù)荷為650.68 kV，為額定功率2 000 kW 的32.5%，按照電壓線性比例下降來看其滿載2 000 kW 時最低電壓為1 345 V;整流機組允許在額定功率150%負(fù)荷下運行2 h，當(dāng)處于3 000 kW 負(fù)荷時最低電壓約為1 163 V，因此在滿負(fù)荷和極限負(fù)荷情況下，直流輸出電壓均能夠滿足電客車運行所要求的1 000～1 800 V 電壓值。

2.2 直流電壓紋波因數(shù)測試

表2 為12 脈波與24 脈波整流機組直流電壓紋波因數(shù)測試數(shù)據(jù)。

表2 12 脈波與24 脈波整流機組直流電壓紋波因數(shù)測試數(shù)據(jù)

直流牽引電源是通過三相交流電源經(jīng)整流得到，其直流電壓會產(chǎn)生紋波的脈動。由表2 的測試數(shù)據(jù)可知，12 脈波整流機組比24 脈波的直流輸出電源波動更大。12 脈波相較于24 脈波紋波因數(shù)高出0.9%，達(dá)到了3%。12 脈波空載輸出電壓按1 650 V 設(shè)計值計算，其最高波動電壓不超過1 699.5 V;滿載電壓1 345 V，最低波動電壓不低于1 304.6 V，因此輸出電壓可滿足電客車運行電壓1 000～1 800 V 的要求。

3 12脈波整流機組與電客車運行測試

設(shè)備基本運行情況的測試數(shù)據(jù)表明，12 脈波整流機組單體運行參數(shù)可滿足電客車需求。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步測試12 脈波整流機組與電客車的聯(lián)調(diào)情況，實現(xiàn)與電客車的聯(lián)動，檢驗實際運行工況。聯(lián)調(diào)測試在西安地鐵2號線渭河車輛段試車線進(jìn)行。12脈波整流機組額定功率為2 000 kW，電客車共進(jìn)行5 次啟停，測試過程中電客車以電機最大輸出功率啟動以檢驗極限工況，測試整流機組輸出的直流電壓、電流和功率。表3 為12 脈波和24 脈波整流機組與電客車聯(lián)調(diào)測試數(shù)據(jù)。

表3 12 脈波和24 脈波整流機組與電客車聯(lián)調(diào)測試數(shù)據(jù)

表3 中的測試數(shù)據(jù)顯示，在電客車全速起動、整流機組輸出功率最高時，12 脈波整流機組最低接觸網(wǎng)電壓未低于1 400 V，可以保證電客車對網(wǎng)壓的要求。但存在的問題是，滿負(fù)荷情況下整流機組輸出功率超過了其額定功率2 000 kW，這對整流機組是一個考驗。基于整流機組的設(shè)計原則，要求在150%額定功率下，可穩(wěn)定運行2 h，測試中最高功率為2 668.18 kW 為額定功率的133%。通過查看電客車運行參數(shù)發(fā)現(xiàn)，這種大負(fù)荷運行工況，時間均不會超過1 min，而在30 min 的測試中整流變壓器和整流器溫度顯示未上升，這表明整流機組可以滿足負(fù)荷需求。在日常電客車出/入場過程中不會出現(xiàn)全速啟動、最大負(fù)荷取流的情況，因此，12 脈波整流機組與電客車的聯(lián)調(diào)運行測試證明了單臺整流機組供電可滿足運營要求。

4 整流機組聯(lián)跳功能改造方案研究

聯(lián)跳功能改造，是對兩臺整流機組故障下相互聯(lián)跳35 kV 開關(guān)，導(dǎo)致接觸網(wǎng)整體失電這一情況進(jìn)行的功能改進(jìn)，以實現(xiàn)一臺整流機組出現(xiàn)故障不聯(lián)跳另外一臺整流機組，而使接觸網(wǎng)轉(zhuǎn)為12 脈波直流供電，避免接觸網(wǎng)整體失電影響運營。西安地鐵2號線整流器和35 kV 中壓開關(guān)柜分別選用永濟電機和西門子的產(chǎn)品，針對實際設(shè)備首先對聯(lián)跳功能改造后對設(shè)備的影響進(jìn)行分析。

4.1 聯(lián)跳功能改造對整流機組內(nèi)部保護功能的影響

根據(jù)整流器原理，其聯(lián)跳功能啟動條件為整流器逆流、熔斷器熔斷、整流器超溫3 類故障。當(dāng)單臺整流器發(fā)生內(nèi)部故障，另外一臺整流器繼續(xù)運行時，會繼續(xù)向故障整流器輸出直流電壓，下面對故障影響逐一進(jìn)行分析:

(1)逆流故障為二極管被反向擊穿，本臺整流器無法正常整流。當(dāng)1 個二極管被擊穿時，另一臺整流器直流電源反送至變壓器，由于是直流故不會對變壓器造成影響;當(dāng)不同橋臂2 個二極管被擊穿時，可能會導(dǎo)致正負(fù)極短路，另一臺整流機組會自行保護跳閘減輕危害。

(2)熔斷器熔斷和超溫故障是在為保護誤動或本體過負(fù)荷的情況下發(fā)生的。如果出現(xiàn)過負(fù)荷情況，另外一臺整流機組會根據(jù)自身設(shè)置實現(xiàn)保護。

因此，對整流機組內(nèi)部故障而言，聯(lián)跳功能改造不會造成設(shè)備損害的擴大化，均可通過自身內(nèi)部裝置實現(xiàn)保護。

4.2 聯(lián)跳功能改造對整流機組外部聯(lián)跳功能的影響

整流機組除了整流器內(nèi)部聯(lián)跳功能外，還具備外部故障聯(lián)跳功能，包括直流開關(guān)柜框架保護聯(lián)跳和直流開關(guān)柜進(jìn)線逆流保護聯(lián)跳。當(dāng)外部故障發(fā)生時必須將兩臺整流機組全部切除才能保證下級設(shè)備的安全，因此聯(lián)跳功能改造不能影響外部聯(lián)跳功能。

圖2 為西門子35 kV 開關(guān)柜故障跳閘回路。通過圖2 可知，整流器外部保護信號是通過直流開關(guān)柜的端子柜發(fā)出的，343、344 保護動作節(jié)點與整流器聯(lián)跳回路341、342 沒有關(guān)聯(lián)，因此，聯(lián)跳功能改造后對直流開關(guān)、對整流器的聯(lián)跳功能無影響。

圖2 西門子35 kV 開關(guān)柜故障跳閘回路

4.3 整流機組聯(lián)跳功能改造方案

西安地鐵2號線整流器聯(lián)跳信號采用外部硬線接入，通過中間繼電器K25(見圖2)將信號輸入西門子7SJ632 保護裝置，由該保護裝置發(fā)出跳閘信號使斷路器跳閘。

聯(lián)跳功能改造方案:可以斷開中間繼電器K25的13-14 輔助節(jié)點，也可斷開35 kV 開關(guān)柜內(nèi)的349 節(jié)點，還可以斷開35 kV 開關(guān)柜外部擴展接線中整流器的硬接線。通過對比分析，最終采用了斷開35 kV 開關(guān)柜349 接點的方案，首先故障信號不會發(fā)至K25 繼電器，避免了該繼電器的動作;其次35 kV 開關(guān)柜內(nèi)接點為插拔式，如果需恢復(fù)設(shè)備可以在不停電的情況下重新插頭重新即可，簡便快捷。

5 結(jié)語

通過對12 脈波整流機組運行原理、實測參數(shù)多方面的分析測試，充分驗證了12 脈波整流機組運行方案的可行性。在論證了可行性的基礎(chǔ)上實施聯(lián)跳功能的改造，有效提高了整流機組供電的可靠性，對車輛段、停車場等此類接觸網(wǎng)單邊供電區(qū)域有重要意義，能有效防止因整流器故障聯(lián)跳導(dǎo)致的接觸網(wǎng)失壓進(jìn)而造成中斷行車的事故;對牽引供電系統(tǒng)而言則實現(xiàn)了另外一種應(yīng)急供電模式，增強了供電系統(tǒng)的靈活性。研究人員通過對西安地鐵2號線渭河車輛段牽引變電所整流機組聯(lián)跳功能的成功改造與運營檢驗，為后續(xù)線路及軌道交通系統(tǒng)同類設(shè)備功能的改造提供了理論基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗。

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