牽引整流變壓器與硅整流器結(jié)構(gòu)和技術(shù)特性

1、第三章 牽引供變電電氣主設(shè)備原理第二節(jié) 牽引整流變壓器與硅整流器結(jié)構(gòu)和技術(shù)特性 軌道交通牽引供變電技術(shù)第二節(jié) 牽引整流變壓器與硅整流器結(jié)構(gòu)和技術(shù)特性 一、三繞組牽引整流變壓器 牽引整流機組中應(yīng)用的三繞組牽引整流變壓器一般的接線方式為Ydy和Ddy兩種，整流器由兩組并聯(lián)的三相6脈波全波整流器組成。如圖3.12所示為Ddy接線三繞組整流變壓器。軌道交通牽引供變電技術(shù) 軌道交通牽引供變電技術(shù)圖3.12 12脈波整流機組電路圖 其閥側(cè)（次邊電壓）星形（y接線）繞組接至一組三相整流橋RCT1，三角形（d接線）繞組接至另一組三相整流橋RCT2，由于整流變壓器閥側(cè)星形和三角形繞組對應(yīng)的線電壓相等，相位差為

2、（星形繞組引前 ），兩組三相整流橋并聯(lián)連接構(gòu)成12脈波整流電路。軌道交通牽引供變電技術(shù) 對于常規(guī)的三繞組整流變壓器，為使上述整流波形平緩，延長整流橋整流管的導(dǎo)電時間，往往在兩組整流橋共陰極輸出電路中串聯(lián)接入較大電抗量的平衡電抗器Lp，如圖3.12所示。圖中、為負載電阻和電抗。軌道交通牽引供變電技術(shù) 常規(guī)三繞組牽引整流變壓器與電力系統(tǒng)中通用的三繞組變壓器的鐵心和繞組結(jié)構(gòu)基本相同，兩個二次繞組容量相等，因其向擔負牽引負荷的多相整流電路供電，為適應(yīng)軌道交通地下建筑環(huán)境的特殊要求，在變壓器絕緣結(jié)構(gòu)、冷卻方式和安全方面的標準更高，要求更為嚴格。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 三繞組牽引整流變壓器的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特

3、點： （1）按城軌交通地下工程的要求，牽引整流變壓器絕緣材料采用環(huán)氧樹脂澆注，整體為戶內(nèi)型、自然風冷干式結(jié)構(gòu)，具有體積?。s為同容量油冷變壓器體積的1/2）、重量輕、噪聲?。~定負荷時小于55dB）、損耗低、防潮性能好、機械強度高、抗負荷沖擊能力強等結(jié)構(gòu)特征和運行特性。 軌道交通牽引供變電技術(shù) （2）承擔列車運行啟動、加速頻繁、波動性大的牽引負荷，負荷等級為類（按國家標準），即在100%IN（額定負荷）下保持連續(xù)工作；150%IN時，工作2小時；300%IN時，工作1分鐘；抗短路電流能力為在其次邊完全短路持續(xù)2秒時，應(yīng)不造成整流變壓器任何熱和機械的損傷，短路后銅導(dǎo)體繞組平均最高溫度應(yīng)小于350

4、C（短路前為額定負荷）。軌道交通牽引供變電技術(shù) 三繞組整流變壓器的重要電氣參數(shù)和等值電路：由于三個繞組在磁路上相互耦合，所以每個繞組都存在自感和該繞組與其他繞組產(chǎn)生磁通交鏈形成的互感，從而任一繞組等值電路的電壓方程中，必然包括繞組本身的自感電動勢和與其他繞組之間的互感電動勢，從這樣一組電壓方程，即可得到三個繞組包括繞組自感電抗和互感電抗在內(nèi)的組合電抗（或稱等值電抗），如圖3.13所示。軌道交通牽引供變電技術(shù) 軌道交通牽引供變電技術(shù)圖3.13 三繞組整流變壓器組合電抗等值電路圖 圖中X1、X2和X3是各繞組的組合電抗，而不是漏抗，其值一般通過短路實驗求得。制造廠給出的三繞組整流變壓器的短路阻抗百

5、分值，則是按閥側(cè)兩繞組全短路情況下的實驗數(shù)值（其值8%）得到的。 從上述等值電路圖3.13可知，三個繞組的電路是互相關(guān)聯(lián)的，在運行中，一個繞組負荷電流的變化將會影響其他繞組的電壓值。軌道交通牽引供變電技術(shù) 二、軸向雙分裂式四繞組牽引整流變壓器 所謂雙分裂式繞組是指在多繞組牽引整流變壓器中的兩個二次繞組，分裂成額定容量相等的兩個支路，它們在電氣上沒有聯(lián)系，僅有較弱的磁耦合。在牽引供電系統(tǒng)中應(yīng)用較多的是軸向雙分裂式四繞組三相牽引整流變壓器，它有兩個并聯(lián)的高壓一次繞組和兩個分裂的二次繞組。軌道交通牽引供變電技術(shù) 其結(jié)構(gòu)上有軸向布置和徑向布置之分，如圖3.14所示是三相三柱式鐵心結(jié)構(gòu)的三相整流變壓器中

6、一相繞組的軸向布置示意圖。 軌道交通牽引供變電技術(shù)圖3.14 軸向雙分裂四繞組變壓器的一相繞組圖中一次繞組分成兩個并聯(lián)的繞組H1和H2，分別對應(yīng)排列兩個分裂的二次繞組L1和L2，它們沿鐵心上下軸向布置。適當選擇H1、L1和H2、L2之間的距離可調(diào)節(jié)兩者之間的阻抗電壓百分數(shù)。 軌道交通牽引供變電技術(shù)圖3.14 軸向雙分裂四繞組變壓器的一相繞組 而徑向布置則是將分裂的二次繞組布置在一次繞組的兩側(cè)，將增大鐵心的徑向空間。 軌道交通牽引供變電技術(shù)圖3.14 軸向雙分裂四繞組變壓器的一相繞組 分裂繞組變壓器由于其漏抗增大，在電力系統(tǒng)大型機組發(fā)電廠的廠用電中常用這種分裂繞組變壓器限制短路電流數(shù)值。 軌道交

7、通牽引供變電技術(shù)圖3.14 軸向雙分裂四繞組變壓器的一相繞組 在直流牽引供電系統(tǒng)中，采用軸向雙分裂四繞組牽引整流變壓器的目的，在于利用其兩個二次繞組連接的多組三相橋式整流電路并聯(lián)構(gòu)成的12脈波和24脈波整流裝置中， 軌道交通牽引供變電技術(shù)圖3.14 軸向雙分裂四繞組變壓器的一相繞組 由于該類分裂繞組變壓器每相漏抗增大，可取代通用的平衡電抗器的作用（見圖3.12），使整流電壓波形平緩，延長整流橋每個橋臂整流管的導(dǎo)電時間，而在并聯(lián)整流橋的電路中不設(shè)平衡電抗器。軌道交通牽引供變電技術(shù)圖3.14 軸向雙分裂四繞組變壓器的一相繞組 由于軸向雙分裂式四繞組牽引整流變壓器的繞組配置結(jié)構(gòu)與普通多繞組變壓器不同

8、，其等值電路、阻抗參數(shù)和運行特性有較大差別，在軌道交通地下建筑牽引變電所中應(yīng)用時對其絕緣結(jié)構(gòu)、冷卻方式和安全等方面也有特殊的要求。下面分別給予分析和介紹。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 1. 等值電路和阻抗參數(shù) 按圖3.14繞組布置的軸向雙分裂式四繞組牽引整流變壓器的簡化等值電路如圖3.15（a）所示，圖中各阻抗均忽略電阻成分。軸向的上、下兩層繞組即L1、H1和L2、H2之間存在中間（過渡）阻抗，設(shè)為Xm，并定義該類變壓器不同運行方式下的3種阻抗如下： 軌道交通牽引供變電技術(shù)（1）穿越阻抗XK：閥側(cè)（二次繞組）兩個繞組并聯(lián)運行時，該側(cè)繞組對不分裂的網(wǎng)側(cè)（高壓繞組）繞組間的阻抗。（2）半穿越阻抗Xb：

9、閥側(cè)兩個繞組中任一繞組開路，另一繞組對不分裂的網(wǎng)側(cè)繞組間的阻抗。（3）分裂阻抗XF：兩個閥側(cè)分裂繞組間的阻抗。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 對于圖3.15（a），已知XL1XL2XH1XH2XK，可求得中間阻抗Xm為 式中 分裂系數(shù)， 且 ； 分裂阻抗。軌道交通牽引供變電技術(shù)（3.19） 將圖3.15（a）中A、M、N三點進行星形-三角形阻抗變換，并代入式（3.19），得到與一般三繞組變壓器等值電路形式一致的變換后等值電路，如圖3.15（b）所示。 軌道交通牽引供變電技術(shù)圖3.15（a）簡化等效電路 從圖3.15（b）可知，變換后的電路阻抗經(jīng)整理后化簡為 軌道交通牽引供變電技術(shù)圖3.15（b）等效

10、電路的變換形式（3.20） 因而，按前述三種阻抗定義對應(yīng)于變壓器不同運行方式，由圖3.15可得穿越阻抗 為 軌道交通牽引供變電技術(shù)（3.21）（3.22） 半穿越阻抗 （分別對閥側(cè)兩個繞組中之一開路時） 為 分裂阻抗 為軌道交通牽引供變電技術(shù)（3.23）（3.24） 根據(jù)國產(chǎn)軸向雙分裂式四繞組牽引整流變壓器給出的性能數(shù)據(jù)，當變壓器容量為2200kVA、2750kVA和3000kVA時，包含移相繞組在內(nèi)的有關(guān)短路阻抗和其他阻抗參數(shù)如下： 短路阻抗（百分比） 8%（閥側(cè)兩繞組全短路）； 分裂阻抗（百分比） 20%； 半穿越阻抗（百分比） 6.5%。軌道交通牽引供變電技術(shù) 2. 軸向雙分裂式四繞組牽

11、引整流變壓器的結(jié)構(gòu) 在軌道交通地下牽引變電所環(huán)境下，對軸向雙分裂式多繞組牽引整流變壓器在絕緣結(jié)構(gòu)、冷卻方式、安全和機械強度、負荷等級等方面的特殊要求，和前面三繞組牽引整流變壓器結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點中的（1）、（2）相同。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 軸向雙分裂式四繞組牽引整流變壓器在制造上比較復(fù)雜，工藝要求和技術(shù)指標都較高，而且由于軸向布置的兩個二次分裂繞組之間需增加支撐絕緣材料，另外當二次繞組發(fā)生接地故障時，有很大的故障電流流向該側(cè)繞組，將在分裂變壓器鐵心中失去磁的平衡，在其軸向上產(chǎn)生巨大的短路機械應(yīng)力，必須采用能承受這種巨大機械力的堅實支撐物，從而造成材料費用增大，因此，軸向雙分裂式四繞組牽引整流變

12、壓器比同容量的三繞組牽引整流變壓器的價格要昂貴得多。軌道交通牽引供變電技術(shù) 軸向雙分裂四繞組（干式）牽引整流變壓器結(jié)構(gòu)如圖3.16所示。 軌道交通牽引供變電技術(shù)圖3.16 軸向雙分裂四繞組（干式）牽引整流變壓器結(jié)構(gòu)圖 三、牽引整流變壓器的移相原理及其實現(xiàn) 牽引整流機組交流側(cè)諧波含量與整流的等效相數(shù)，即與每工頻周期內(nèi)整流電壓的脈波數(shù)有關(guān)。提高整流的等效相數(shù)是抑制諧波的有效措施，而等效多相制的形成則由牽引整流變壓器的移相和牽引整流機組的并聯(lián)組合來實現(xiàn)。等效多相制的等效相數(shù)，在牽引供電系統(tǒng)應(yīng)用較多的是12相和24相。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 前述三繞組牽引整流變壓器和軸向雙分裂四繞組牽引整流變壓器，

13、利用其Y接線和d接線的兩個二次繞組分別連接至兩組三相整流橋，兩者并聯(lián)構(gòu)成的整流機組可實現(xiàn)12脈波的6相整流，如采用兩臺相同容量和相同接線方式的牽引整流機組，一臺整流變壓器的一次繞組移相（電角度為7.5），另一臺整流變壓器的一次繞組移相（電角度為7.5），兩臺移相整流變壓器及其連接的四組三相整流橋組成一套具有移相作用的12相24脈波牽引整流機組，其閥側(cè)同名端線電壓的相位差為（電角度為15）。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 由于目前實際上都是在軸向雙分裂式四繞組牽引整流變壓器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)移相，以下結(jié)合這種整流變壓器介紹其移相方式、實現(xiàn)方法及其移相原理。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 1. 牽引整流變壓器移

14、相方式和移相原理 對于大容量的牽引整流變壓器，由于移相的相位角幅度一般不大，最經(jīng)濟可行的移相方法是利用其本身的三相鐵心和磁路系統(tǒng)，將網(wǎng)側(cè)需要移相的每相一次繞組分別設(shè)在本相鐵心柱上的主繞組和在三相中其他鐵心柱的移相繞組上，通過主繞組和不同相位匝數(shù)的移相繞組的適當串聯(lián)組合，即可達到移相的目的。通常，按下列不同組合形成幾種不同的移相方式： 軌道交通牽引供變電技術(shù) （1）延邊三角形接線移相方式。 三角形接線一次繞組每相的主繞組以外，串聯(lián)增加一段不同匝數(shù)的移相繞組，稱為延邊三角形接線，如圖3.17（a）所示。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 圖中原三角形主繞組為A1X、B1Y、C1Z，串聯(lián)接入不同相位的移相繞組

15、后，例如A、X主繞組A1X的延長線上與A1X繞組同相位的移相繞組AA1和C1Z主繞組延長線上與C1Z同相位的移相繞組CX串聯(lián)以后軌道交通牽引供變電技術(shù)圖3.17（a）接線圖 其AC相繞組的電壓與原三角形繞組A1C1的相電壓相比產(chǎn)生了角的相位移見圖3.17（b）。 軌道交通牽引供變電技術(shù)圖3.17 （b）電壓相量圖 按圖3.17（b），由正弦定律可得 則移相電壓： CX軌道交通牽引供變電技術(shù)（3.25）總相電壓（主繞組電壓移相電壓）：故主繞組電壓： 主繞組電壓 軌道交通牽引供變電技術(shù)（3.26）（3.27）在給定和移相角的情況下，按式（3.25）（3.27）即可得到主繞組和移相繞組匝數(shù)。這種移相

16、方式適用于網(wǎng)側(cè)為三角形（d）接線的軸向雙分裂式四繞組牽引整流變壓器。 軌道交通牽引供變電技術(shù)（2）曲折形接線移相方式。 曲折形接線移相牽引整流變壓器的結(jié)構(gòu)和接線圖如圖3.18（a）所示，在網(wǎng)側(cè)原星形接線一次繞組每相主繞組以外，串聯(lián)接入其他不同相位的移相繞組，其電壓相量之和與原主繞組電壓間即形成移相角。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 例如圖3.18（b）中，A相繞組與具有反方向C相相位的移相繞組C串聯(lián)構(gòu)成的總相電壓，同原A相繞組之間產(chǎn)生滯后相位移角。很顯然，這種移相方式適用于網(wǎng)側(cè)為星形接線的軸向雙分裂式四繞組牽引整流變壓器。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 軌道交通牽引供變電技術(shù)（a）接線圖（b）電壓相量圖圖

17、3.18 曲折形整流移相變壓器 （3）多邊形接線移相方式。 多邊形接線移相牽引整流變壓器的結(jié)構(gòu)和接線圖如圖3.19（a）所示。它由三相主繞組和三個與主繞組同相位的移相繞組交錯連接形成多邊形接線，其中每相主繞組與相鄰的其他不同相位移相繞組串聯(lián)構(gòu)成組合繞組，其電壓相量之和同原繞組電壓間即形成移相角。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 例如，圖3.19（a）中原AB相繞組與反方向AC相位的移相繞組C串聯(lián)構(gòu)成的總電壓 ，同原AB相繞組 之間產(chǎn)生了滯后相位移角。 軌道交通牽引供變電技術(shù)圖3.19（a）接線圖 這種移相方式適用于網(wǎng)側(cè)為三角形接線的軸向雙分裂式四繞組牽引整流變壓器，其電壓相量圖如圖3.19（b）所示。

18、 軌道交通牽引供變電技術(shù)圖3.19（b）電壓相量圖 研究分析表明，在上述幾種接線移相方式中，對于網(wǎng)側(cè)電壓35kV及以上整流變壓器，廣泛采用延邊三角形接線移相方式，主要因為這種接線方式因移相導(dǎo)致繞組結(jié)構(gòu)變化而增加的等效容量小，價格較便宜。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 當網(wǎng)壓在35kV以上應(yīng)用時，由于延邊三角形移相和多邊形移相的整流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組承受的電壓，比曲折形接線移相網(wǎng)側(cè)繞組的增大 倍（線電壓），前兩者的絕緣必須相應(yīng)加強，從而使其價格增加，這時曲折形接線移相方式則顯現(xiàn)其優(yōu)勢。在此情況下，應(yīng)進行綜合的技術(shù)經(jīng)濟比較，以確定選擇最優(yōu)的移相方式。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 2. 延邊三角形移相方式整流變壓

19、器網(wǎng)側(cè)繞組結(jié)構(gòu) 牽引整流變壓器的網(wǎng)側(cè)電壓都在35kV及以下，現(xiàn)結(jié)合軸向雙分裂式四繞組牽引整流變壓器采用延邊三角形移相方式，分析介紹其網(wǎng)側(cè)繞組結(jié)構(gòu)。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 如圖3.20和圖3.21所示分別為延邊三角形接線移相整流變壓器的網(wǎng)側(cè)繞組連接示意圖和電壓相量關(guān)系圖。圖3.20的主繞組連接組別產(chǎn)生電角度移相， 軌道交通牽引供變電技術(shù)圖3.20 移相角的網(wǎng)側(cè)繞組連接組別與電壓相量 圖3.21的主繞組連接組別產(chǎn)生電角度移相。 軌道交通牽引供變電技術(shù)圖3.21 移相角的網(wǎng)側(cè)繞組連接組別與電壓相量 眾所周知，變壓器繞組的匝數(shù)與繞組電壓成正比變化，移相整流變壓器設(shè)計中首先要根據(jù)網(wǎng)壓計算各種繞組電壓。

20、 U1UABUBCUCA軌道交通牽引供變電技術(shù) 設(shè)主繞組電壓為 UMUA1XUB1YUC1Z移相繞組電壓（即內(nèi)三角形電壓）為 URUAA1UBB1UCC1 在圖3.20（b） 和圖3.21（b） 中，根據(jù)正弦定理，可得 軌道交通牽引供變電技術(shù) 主繞組電壓 移相繞組電壓 軌道交通牽引供變電技術(shù)（3.28）（3.29） 在在給定移相角后，根據(jù)式（3.28）和（3.29）的計算結(jié)果確定主繞組和移相繞組電壓后，即可計算求得主繞組和移相繞組匝數(shù)，以確定整流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組的結(jié)構(gòu)。 曲折形接線移相方式和多邊形接線移相方式中，各種繞組電壓及其匝數(shù)的計算方法與延邊三角形移相方式的計算方法和步驟類似，此處不再贅述

21、。軌道交通牽引供變電技術(shù) 四、硅整流器裝置及其監(jiān)測與保護電路 牽引整流機組的大功率硅整流器主電路由兩個三相全波整流橋組成，整流橋各橋臂則由串并聯(lián)的大功率硅二極管連接而成，可知硅整流器的整流基本單元是大功率二極管及其散熱器和保護器件。由若干整流基本單元按整流主電路進行組裝，并配置數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測裝置、過電壓保護、故障顯示器件、通信接口電路等，即構(gòu)成完整的大功率硅整流器裝置。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 硅整流器基本整流單元的主要元件是大功率硅二極管，它是由小于1mm厚的硅單晶片平板燒結(jié)制成的PN結(jié)面接觸型二極管，其熱容量很小，對電流、電壓的變化非常敏感，而且城軌交通的牽引負荷變化劇烈，整流機組承受沖擊

22、負荷產(chǎn)生的過負荷和過電壓的幾率較大，除了整流管元件應(yīng)具有較強的過負荷、耐過壓能力和高溫下保持性能穩(wěn)定等特性。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 必須按技術(shù)條件要求進行嚴格選擇以外，對整流元件和整流器整體電路還應(yīng)設(shè)置專門的過電流、過電壓保護措施與監(jiān)測裝置，在運行中不斷提取、顯示有關(guān)信息并實時監(jiān)測，對于保障整流器裝置的穩(wěn)定、安全運行是十分重要的。 硅整流器裝置整流元件和系統(tǒng)保護與監(jiān)測電路框圖如圖3.22所示，圖中僅繪出一個整流橋的整流電路和整流元件，以及一個橋臂串、并聯(lián)硅二極管與保護過電流的快速熔斷器連接方式的原理電路。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 軌道交通牽引供變電技術(shù)圖3.22 硅整流器裝置整流元件和系統(tǒng)保

23、護與監(jiān)測電路框圖PT溫度傳感器；XMT溫度控制器；TD液晶顯示屏；FU快速熔斷器 1. 硅二極管及其保護用快速熔斷器的選擇計算 大電流硅二極管是整流器裝置的重要基本元件。整流橋各橋臂串、并聯(lián)的硅二極管數(shù)量、規(guī)格要考慮各種運行條件下的過載能力、特性穩(wěn)定情況和具有必要的安全因素，并根據(jù)生產(chǎn)廠家給定的技術(shù)參數(shù)進行選擇計算和校驗來確定。為對硅二極管過負荷進行保護，在每個橋臂支路設(shè)有快速熔斷器，如圖3.22所示。國產(chǎn)常用大電流硅二極管的主要技術(shù)參數(shù)列于表3.1。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 軌道交通牽引供變電技術(shù)表3.1 國產(chǎn)常用大電流硅二極管的主要技術(shù)參數(shù)*注：指二極管在最高結(jié)溫180 C下，允許每秒50

24、次，每次持續(xù)時間不大于10 ms，重復(fù)施加的反向最大脈沖電壓，亦即額定電壓。 硅二極管的選擇計算按以下原則和規(guī)定技術(shù)條件進行： 自然冷卻。硅整流器裝置為自然空氣冷卻，每個或每組二極管配有擠壓鋁合金型材散熱器用以擴大散熱面，硅二極管在自冷條件下的容量約為標準冷卻條件下的1/3。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 整流器裝置按等效24脈波雙機組整流方式運行。此時整流管導(dǎo)通角為，波形系數(shù)F13.46（波形系數(shù)是導(dǎo)通角為任一角度時的二極管有效電流IF（RMS）和平均電流IF（AV）的比值）。 橋臂并聯(lián)二極管有一只損壞時，整流器能滿足類負載與牽引整流變壓器相同，見本節(jié)“一、三繞組牽引整流變壓器（2）”要求，并能承

25、受相應(yīng)的短路電流。 軌道交通牽引供變電技術(shù) （1）整流橋臂串聯(lián)二極管數(shù)量計算與選擇校驗。整流橋臂串聯(lián)二極管數(shù)量ns主要由橋臂承受的反向峰值電壓UAM和二極管的額定重復(fù)峰值電壓URM確定，并考慮運行狀態(tài)下的各種影響因數(shù)和裕度。ns由下式計算： 軌道交通牽引供變電技術(shù)（3.30）式中 串聯(lián)數(shù)； 橋臂承受的反向峰值電壓，； 閥側(cè)電壓有效值； 串聯(lián)器件的額定重復(fù)峰值電壓，取4400V； 過電壓沖擊系數(shù)，一般取1.31.6； 電網(wǎng)電壓升高系數(shù)，一般取1.051.1； 電壓的設(shè)計裕度，一般取12； 均壓系數(shù)，一般取0.80.9。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 【算例1】 整流電壓Ud為1500V時， ，將各值代

26、入式（3.30）得ns0.74，取整數(shù)ns1。即選擇二極管串聯(lián)數(shù)為1個（ZP型）。驗算電壓安全系數(shù)， 2.64，符合要求。（2）整流橋臂并聯(lián)二極管數(shù)量計算與選擇校驗。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 根據(jù)前述類負載等級的要求，計算整流橋臂并聯(lián)二極管數(shù)量時，把2小時過載1.5倍額定電流作為長時額定負載電流，因為此時二極管結(jié)溫已穩(wěn)定。因此，按整流器額定容量下的長時額定負載電流1.5Id和單只二極管的平均電流IF(AV)，并考慮并聯(lián)整流橋數(shù)量Kq與單橋?qū)щ姌虮蹟?shù)N，以及并聯(lián)二極管間的均流系數(shù)Ki，即可求得每個橋臂的并聯(lián)二極管數(shù)量np，其計算公式為 軌道交通牽引供變電技術(shù) 式中，IF(AV)為單只二極管的實際

27、平均電流值，而生產(chǎn)廠家按標準給出的正向平均電流IF(AV)N，即二極管額定電流是在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻條件下，帶電阻性負荷的單相工頻正弦半波電路中，二極管全導(dǎo)通且穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定值時所允許的最大正向平均電流。兩者需要換算，很不方便，所以通常采用預(yù)判法，先設(shè)定 數(shù)值，再求出IF(AV)值。 軌道交通牽引供變電技術(shù)（3.31） 按式（3.31），單只二極管的平均電流IF(AV)由下式確定： 式中 額定負載電流； 整流橋并聯(lián)數(shù)，取2； 軌道交通牽引供變電技術(shù)（3.32） 均流系數(shù)，0.9； 單橋?qū)щ姌虮蹟?shù)，取3； 二極管并聯(lián)數(shù)?！舅憷?】 整流器輸出功率P3000kW，其額定電流 2000

28、A，設(shè) 4，則代入式（3.32）后得 （整流器采用等效24脈波整流電路）。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 此計算值為單只二極管實際工作時的平均電流，折算為有效值：式中 導(dǎo)通角為 時的波形系數(shù)（此處考慮一機組故障情況下，按單機組12脈波整流電路運行），取3.46。將F1代入式（3.33）計算得 軌道交通牽引供變電技術(shù)（3.33） 上述實際工作時的值，需換算至額定電流下的半波整流狀態(tài)，即導(dǎo)通角為180時單只二極管的平均電流，由下式確定：式中 導(dǎo)通角為180時的波形系數(shù)，取1.57。將F2代入式（3.34）計算得： 306A。軌道交通牽引供變電技術(shù)（3.34） 所選用的二極管規(guī)格為ZP2600-44（見表

29、3.1）。其 （標準冷卻下），按上述技術(shù)條件，則自冷條件下額定平均電流約為867A（由表3.1中查出為2600/3867A）。 1.5Id、3Id工作電流下安全系數(shù)分別為2.83、1.42，符合要求。軌道交通牽引供變電技術(shù) 綜合以上（1）、（2）串、并聯(lián)硅二極管數(shù)量計算與選擇校驗的實例表明： 3000kW整流器單個橋臂采用4只ZP2600-44二極管并聯(lián)，整流器單個橋臂的串聯(lián)數(shù)為1，完全能滿足運行要求。 在損壞一只二極管的情況下，整流器過載300%時，由于持續(xù)時間很短（1min），散熱器的瞬態(tài)熱阻比其穩(wěn)態(tài)熱阻小得多，因此，允許通過的短時結(jié)溫額定電流要比其長時結(jié)溫額定電流大得多，一般可達標準冷卻

30、條件下的額定值。 軌道交通牽引供變電技術(shù) （3）快速熔斷器選擇計算與校驗。 快速熔斷器用來保護硅二極管的快速熔斷，主要按額定電壓和額定電流進行選擇，并應(yīng)按發(fā)熱條件進行校驗。 額定電壓。熔斷器額定電壓是指熔斷器分斷時能承受的交流正弦波電壓，UFU選擇遵循的原則：應(yīng)使熔斷器的交流額定電壓值大于整流變壓器空載線電壓值。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 快速熔斷器額定電壓UFU由下式確定： UFUKbU2 式中 UFU快速熔斷器的額定電壓； U2閥側(cè)電壓，取1180V； Kb網(wǎng)壓升高系數(shù)，一般取Kb1.05。軌道交通牽引供變電技術(shù)（3.35） 【算例3】 Ud為1500V時，U21180V，則UFU1239V

31、。 額定電流。熔斷器的額定電流一般為交流均方根值，并通過相應(yīng)標準中規(guī)定的溫升試驗及可重復(fù)負載試驗證明。選擇快速熔斷器額定電流時應(yīng)考慮負載電流值、安裝條件和環(huán)境溫度的影響，并根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的過載能力曲線進行校驗。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 快速熔斷器額定電流IFU由下式確定：式中 快速熔斷器的額定電流； 實際流過的平均電流； 電流裕度系數(shù)，一般取1.11.5； 環(huán)境溫度系數(shù)，一般取1.01.2； 波形系數(shù)，取3.46。 軌道交通牽引供變電技術(shù)（3.36）【算例4】 整流器輸出功率P3000kW，每個橋臂并聯(lián)二極管數(shù) 時，由前述計算得到將有關(guān)系數(shù)和 值代入式（3.36），得 ，選擇額定電流為800

32、A的熔斷器可滿足設(shè)備運行的要求。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 綜合上述的選擇計算結(jié)果，并考慮城軌交通地下牽引變電所周圍環(huán)境條件、設(shè)備元器件連接過渡電阻、負荷過載等因素的影響，對于P3000kW整流器橋臂每個并聯(lián)二極管支路的快速熔斷器，選取為1250V/800A。 快速熔斷器的校驗。通常應(yīng)進行在最大電流通過時的發(fā)熱計算和校驗，即應(yīng)能承受浪涌電流通過熔斷器一定時間產(chǎn)生的發(fā)熱，用快速熔斷器的I2t值按下式核算：軌道交通牽引供變電技術(shù) 式中 快速熔斷器的熔斷I2t值，由生產(chǎn)廠家給出； IFSM二極管浪涌電流峰值； t二極管承受浪涌電流的半周時間，取5ms。 軌道交通牽引供變電技術(shù)（3.37） 【算例5】

33、上述每個二極管支路選擇的快速熔斷器1250V/800A，從產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格中得知其I2t為1.2106A2s，而由表3.1可知ZP2600-44型二極管的浪涌電流峰值為36.8kA，將有關(guān)數(shù)值代入式（3.37）驗算，其結(jié)果符合要求。說明所選擇的快速熔斷器技術(shù)上是適用的。 2. 整流器裝置保護設(shè)施配置 軌道交通牽引供變電技術(shù) （1）硅二極管快速熔斷器保護。 每只二極管串聯(lián)一個快速熔斷器（見圖3.22），當二極管失去單向?qū)ㄐ阅軙r將形成整流變壓器相間短路，回路將產(chǎn)生短路電流，此時由快速熔斷器熔絲熔斷來保護?？焖偃蹟嗥鲙в薪狱c，熔斷后能給出信號用于報警或跳閘。當一個臂內(nèi)只有一個快速熔斷器熔斷時，發(fā)出報警

34、信號，超過一個小時發(fā)出跳閘信號。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 不同橋臂內(nèi)各只有一個快速熔斷器熔斷時，發(fā)出報警信號。熔斷器狀態(tài)信號采集、各種報警信號、跳閘信號的發(fā)送，由可編程控制器或微機系統(tǒng)構(gòu)成的集中數(shù)據(jù)采集和檢測系統(tǒng)統(tǒng)一執(zhí)行。（2）交流側(cè)（閥側(cè)）浪涌過電壓保護。 在接通牽引整流變壓器的瞬間，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，此時會產(chǎn)生瞬變過程及由此而引起的過電壓。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 在嚴重的情況下，若沒有抑制過電壓措施，產(chǎn)生的過電壓峰值可達正常工作電壓峰值的2倍。在變壓器空載或輕載時開斷變壓器的網(wǎng)側(cè)繞組，與變壓器繞組的磁化電流成比例的磁通量突然消失，此時閥側(cè)

35、繞組也將產(chǎn)生很高的瞬變電壓，當沒有抑制過電壓措施時，其峰值可達工作電壓的810倍。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 陰雨天時，由于雷擊更容易在整流變壓器閥側(cè)產(chǎn)生很高的瞬間感應(yīng)過電壓，因此必須采取抑制措施，在交流側(cè)加裝氧化鋅壓敏電阻，將過電壓抑制在2倍以下。氧化鋅壓敏電阻的優(yōu)點在于：體積小，功率損耗小，響應(yīng)速度快，能承受較大的浪涌電流。 根據(jù)設(shè)計計算及在廣州等地方的地鐵運行經(jīng)驗，壓敏電阻選取標稱電壓為2500V，通流容量為50kA，型號為MYG2-2500V-50kA。其連接方式如圖3.23所示。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 軌道交通牽引供變電技術(shù)圖3.23 交流側(cè)保護電路示意圖 （3）整流器裝置直流側(cè)過電

36、壓保護。 整流器裝置直流側(cè)直接輸出至接觸網(wǎng)和動車負載，城軌交通運行工況多變，致使直流側(cè)過電壓出現(xiàn)的頻率增多，接觸網(wǎng)建于地面的區(qū)段不可避免地承受雷擊過電壓。直流側(cè)裝有快速斷路器，當斷開直流側(cè)故障電流以及整流電路二極管換相時，都將產(chǎn)生操作過電壓。另外還有來自負載即動車車輛上的過電壓。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 若這些過電壓處理不得當，不但會影響整流設(shè)備的運行，而且會影響線路中其他高壓電器及地鐵車輛的運行。因此，在整流器直流輸出電路出口處，需設(shè)置過電壓保護器件，它由吸收抑制過電壓的并聯(lián)RpC1電路構(gòu)成，如圖3.24和圖3.25所示。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 軌道交通牽引供變電技術(shù)圖3.24 直流側(cè)保護

37、電路示意圖 軌道交通牽引供變電技術(shù)圖3.25 整流器裝置交直流側(cè)保護、監(jiān)測和信號顯示系統(tǒng)圖1FU112FU62快速熔斷器；Rv1Rv7壓敏電阻；PT100溫度傳感器；XMT溫度控制器；R1、R2、C1直流側(cè)RC吸收回路電阻、電容；R3R6負載電阻；V1直流電壓表；A1直流電流表；V2交流電壓表；D1、D2前后門照明燈；K1、K2行程開關(guān)；RES復(fù)位按鈕；I1、I2可編程控制器；TD液晶顯示屏；DC/DC電源板；XT故障輸出端子；NL逆流保護 其中，C1起儲能和抑平電壓的作用，取值為16F，電壓為3200V；Rp為壓倉電阻，其阻值為3.9k，功率為600W，由R3R6電阻串并聯(lián)組成以降低損耗，壓

38、倉電阻的作用主要是為C1提供快速釋放能量的放電回路，并能在過電壓過程中穩(wěn)定電壓。壓敏電阻Rv1用來保護電容器，當電壓過高時Rv1阻值接近零，將C1短接，以保護C1不致?lián)p壞。 軌道交通牽引供變電技術(shù)（4）溫度保護。 在整流器預(yù)測溫度最高的散熱器上設(shè)置溫度繼電器，用于檢測二極管散熱器的溫度是否超過允許值，超過允許值時分級發(fā)出報警或跳閘信號。設(shè)置報警溫度為100C5C，跳閘溫度為130C5C。采用帶PT100熱電阻溫度傳感器的溫度繼電器執(zhí)行溫度保護功能（見圖3.25）。軌道交通牽引供變電技術(shù) （5）整流器逆流保護。 整流器設(shè)有反向電流的逆流保護，在每個整流橋臂均串聯(lián)有電流傳感器，用來檢測橋臂實時電流

39、，如圖3.25所示。當硅二極管被擊穿導(dǎo)致產(chǎn)生逆向電流時，逆流保護組件發(fā)出逆流保護信號送至PLC監(jiān)測顯示系統(tǒng)，同時發(fā)出跳閘信號將牽引變壓器一次側(cè)斷路器和直流輸出側(cè)快速斷路器斷路。 軌道交通牽引供變電技術(shù)3. 整流器裝置控制、信號回路和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測顯示系統(tǒng) 整流器裝置的二次回路采用以可編程控制器（PLC）為核心的數(shù)據(jù)采集與檢測、顯示系統(tǒng)，對各種狀態(tài)量進行集中采集、檢測以及數(shù)據(jù)信息的傳送與顯示，包括各個硅二極管的電流大小，整流器輸出直流電流、直流電壓，閥側(cè)交流電壓等量值的采集、檢測、顯示和整流器溫度監(jiān)測及其各種保護的動作信號顯示等，如圖3.25所示。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 該裝置采用數(shù)據(jù)傳輸方式

40、與牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)接口，采用接點方式與各種保護的二次回路接口，并應(yīng)具有遠方通信功能。通信接口采用標準接口，如RS485或RS422標準串口?？刂菩盘柣芈泛蛿?shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)的功能如下：（1）控制與信號回路。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 硅二極管故障和跳閘控制回路。整流器同一整流橋臂的一個硅二極管故障，或不同整流橋臂的兩個二極管故障時，不影響整流器以100%額定電流運行，此時整流器的交、直流側(cè)不跳閘，二極管故障信號通過輸出接點在當?shù)睾瓦h方顯示，并在整流器屏柜面板顯示硅二極管故障所在橋臂的位置。 整流器同一整流橋臂的兩個硅二極管同時發(fā)生故障時，通過PLC系統(tǒng)發(fā)出跳閘信號，將牽引整流變壓器一次側(cè)

41、斷路器、直流輸出快速斷路器同時斷路，硅二極管故障信號的顯示與上述相同。 軌道交通牽引供變電技術(shù) 整流器溫度報警和跳閘信號顯示。當整流器測試點的溫度超過設(shè)定值時，能分級發(fā)出報警和跳閘信號，當?shù)睾瓦h方顯示故障信號。當?shù)仫@示采用自動化裝置，每組12脈波整流器裝設(shè)一套，能夠區(qū)分各回路的信號，并能將報警信號送至變電所綜合自動化系統(tǒng)。 壓敏電阻動作報警指示。在整流器直流輸出電路的并聯(lián)Rp、C1過電壓保護中，設(shè)置了壓敏電阻Rv1，當產(chǎn)生過電壓時Rv1阻值降為零，其串聯(lián)回路中的熔斷器熔斷，通過PLC發(fā)出熔斷信號，在屏柜和遠方顯示。 軌道交通牽引供變電技術(shù)（2）整流器顯示裝置。 整流柜前面板上設(shè)置指示燈指示故障類型，設(shè)有液晶顯示器，以文字方式顯示故障發(fā)生的具體位置，方便工作人員檢修工作。 故障的報警和跳閘信號經(jīng)處理后，轉(zhuǎn)換為接點信號由端子輸出，在面板上顯示。這種故障報警和跳閘信號還通過