地鐵牽引整流器交直流側(cè)RC阻容回路替代壓敏電阻可行性研究

蘇維杰 林勇波

廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東廣州 510000

壓敏電阻是一種限壓型保護(hù)器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當(dāng)過電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓限位到相對固定的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)對后級電路的保護(hù)。因其快速有效限制電壓常用于地鐵牽引整流器保護(hù)回路中，但壓敏電阻使用壽命較短（國內(nèi)廠家推薦為 2年左右），運(yùn)營維護(hù)成本高且受外界環(huán)境影響大。在廣州地鐵運(yùn)營維護(hù)中出現(xiàn)多次因壓敏電阻不穩(wěn)定性造成直流系統(tǒng)故障，為優(yōu)化整流器交直流側(cè)的保護(hù)回路，提出采用RC阻容回路替代壓敏電阻進(jìn)行保護(hù) 。

整流器內(nèi)部二級管為電力電子半導(dǎo)體器件，其對電壓非常敏感，當(dāng)外加電壓超過元器件所允許的最大數(shù)值時(shí)，元器件將大概率損壞。因此在整流器交直流側(cè)及二極管中均設(shè)有過壓保護(hù)，是否可用RC阻容回路替代壓敏電阻保護(hù)，重點(diǎn)驗(yàn)證RC阻容回路是否可滿足保護(hù)過電壓情況下保護(hù)整流器二極管等內(nèi)部器件。

1 整流器主回路簡介

在城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中，主變所AC110kV電源通過AC33kV環(huán)網(wǎng)供電方式輸送到每個(gè)變電所，變電所內(nèi)AC33kV通過整流變壓器降到AC1.18kV，再經(jīng)整流器轉(zhuǎn)換成DC1500V電源向列車送電。牽引變電所內(nèi)整流機(jī)由整流變壓器和整流器組成，由兩個(gè)6脈波3相整流橋并聯(lián)組成12脈波整流，及兩組12脈波整流電路組成24脈波整流電路。以廣州地鐵六號線為例，整流器交流側(cè)有壓敏電阻及特殊熔斷器過壓保護(hù)，直流側(cè)均RC阻容回路，壓敏電阻及特種熔斷器過壓保護(hù)如圖1所示。

圖1 廣州地鐵六號線整流器主電路原理簡圖

2 整流器過電壓產(chǎn)生的原因

（1）雷電引起過電壓：雷電直接擊于電氣設(shè)備時(shí)，巨大的雷電流在被擊設(shè)備上流過造成的過電壓。

（2）交流側(cè)過電壓：整流器交流側(cè)由變壓器提供電源，由于變壓器網(wǎng)側(cè)繞組的漏抗與閥側(cè)繞組的分布電容或抑制電容組成振蕩電路，在接通變壓器繞組時(shí)，會產(chǎn)生瞬變過程及由此而引起的過電壓。

（3）直流側(cè)過電壓：直流側(cè)裝有快速斷路器，當(dāng)斷開直流側(cè)故障電流時(shí)，由于分?jǐn)嗷芈冯姼写蠡蛘叻謹(jǐn)嚯娏鞔螽a(chǎn)生過電壓。

（4）換向過電壓 ：由于整流器內(nèi)部元器件二極管在換向結(jié)束后，因二極管不能立即恢復(fù)阻斷能力，存在較大的反向電流，而當(dāng)二極管阻斷能力恢復(fù)時(shí)，反向電流急速減小到零，反向電流突變會因線路電感存在而在器件兩端產(chǎn)生過電壓。

3 整流器交直流側(cè)阻容保護(hù)回路

為進(jìn)一步優(yōu)化整流器交直流側(cè)保護(hù)回路，整流器交直流側(cè)采用加裝RC回路抑制過電壓，整流器主電路原理簡圖如圖2所示，二極管主要參數(shù)如表1所示。

圖2 整流器主電路原理簡圖

表1 二極管主要參數(shù)表

4 整流器交直流側(cè)RC阻容保護(hù)回路可行性分析

4.1 交流側(cè)過電壓情況下分析

4.1.1 理論計(jì)算

變壓器接通、斷開產(chǎn)生的操作過電壓可以用下式來進(jìn)行計(jì)算。

式中：Urms—變壓器閥側(cè)線電壓，1180V；KV—網(wǎng)壓升高系數(shù)；KG—過電壓系數(shù)；計(jì)算得出，U約為3671V。

4.1.2 現(xiàn)場測量

為驗(yàn)證電阻電容的吸收效果，在廣州地鐵十三號線正線上進(jìn)行了現(xiàn)場測試。測試表明，經(jīng)過電阻電容吸收回路后，變壓器接通、斷開瞬間相間的電壓約為2000V左右，具體可見圖3、圖4。

圖3 變壓器合閘瞬間兩相間波形

圖4 變壓器分閘瞬間兩相間波形

根據(jù)以上分析，理論計(jì)算所得的變壓器接通、斷開時(shí)的過電壓小于整流器的二極管反向重復(fù)峰值電壓4400V，經(jīng)過阻容吸收后電壓降為2000V左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于4400V，因此在RC阻容回路保護(hù)下整流器二極管不會受到過電壓的沖擊而損壞。

4.2 直流側(cè)過電壓情況分析

雷電引起的過電壓，一般采用避雷器進(jìn)行防護(hù)。整流器后端設(shè)備（直流開關(guān)進(jìn)線柜、饋線柜、負(fù)極柜）均配備了避雷器，因此即使受到雷電沖擊引起的過電壓，避雷器已逐級將過電壓吸收到可允許范圍內(nèi)。整流器直流側(cè)能承受8.8kV的反向重復(fù)峰值電壓（兩個(gè)二極管串聯(lián)），而直流開關(guān)柜內(nèi)的避雷器雷電沖擊電流下殘壓（峰值）為5.3kV/20kA，加之還有直流側(cè)電阻電容的保護(hù)，因此亦不會對柜內(nèi)二極管造成損壞。

5 整流器交直流側(cè)RC阻容保護(hù)回路運(yùn)用成果

在廣州地鐵十三號線、成都地鐵3號線、成都地鐵4號線、福州地鐵1號線、長沙地鐵1號線、長沙地鐵2號線、整流器均取消了交流側(cè)壓敏電阻保護(hù)，改為RC阻容保護(hù)，并已投入運(yùn)營，目前運(yùn)行良好。

6 結(jié)語

綜上所述，RC阻容回路滿足過電壓情況下保護(hù)整流器二極管等內(nèi)部器件，可以考慮整流器交直流側(cè)RC阻容回路替代壓敏電阻。