地铁直流牵引供电12脉波整流机组运行分析及改造

地铁直流牵引供电12脉波整流机组运行分析及改造王晓博;赵垒【摘要】基于提高牵引供电系统稳定性和可靠性这一目标，以西安地铁2号线渭河 车辆段为例，对12脉波牵引供电方式的可行性进行了理论分析和电客车联调测试， 验证了 12脉波运行方案的可行性.在此基础上提出了整流机组联跳功能改造方案. 对非正常情况下单台整流器运行提供了理论和实践依据.【期刊名称】城市轨道交通研究【年(卷)，期】2015(018)002【总页数】4页(P70-73) 【关键词】地铁;牵引供电;整流机组 【作者】王晓博;赵垒【作者单位】西安市地下铁道有限责任公司运营分公司,710016,西安西安市地下铁道有限责任公司运营分公司,710016,西安【正文语种】中文【中图分类】U231.8地铁牵引供电系统主要采用直流供电方式。早期部分地铁线路采用了12脉波整流 方式。为了降低整流机组一次侧交流线电压波形畸变对电网的干扰，减小直流输出 电压的纹波系数，在12脉波的基础上开发了 24脉波整流技术。该技术有效地提 高了供电质量并得到广泛应用。目前，24脉波整流是由2台整流机组并联工作实现的。其存在的问题是:当其中1 台整流器机组出现逆流保护、熔断器熔断等故障时会联跳另外1台整流机组，进 而导致一个变电所退出牵弓|供电。这种情况将直接导致接触网失压，电客车无法运 行，对车辆段、停车场等此类接触网单边供电区域的影响也较严重。西安地铁2 号线渭河车辆段发生过这种故障，导致车辆段接触网全部失压。故障发生后，根据 设计运行方案采取正线支援供电，经过近30 min，渭河车辆段接触网才恢复供电。 此类故障不仅对车辆段行车造成很大影响，同时支援供电过程中会直接影响到正线 的行车组织，影响范围可扩大至故障范围外。为此，有必要对12脉波牵引供电的 地铁单台整流机组运行进行研究。1 12脉波与24脉波整流原理图1为24脉波整流机组的基本结构。在图1中，24脉波整流机组包含2台变压 器（T1和T2）,均为双低压输出变压器。每台整流机组T1和D1, T2和D2单独 工作时均可输出12脉波的直流电源，组成各自独立的12脉波整流系统。为了实 现24脉波整流，在高压侧采用延边三角形移相方法，T1和T2的基本联接组别是 在Dd0y11基础上，分别移相+7.5和-7.5，实现T1和T2输出低压移相15。T1和D1, T2和D2并联工作时，合成输出24脉波的直流电源。图1 24脉波整流机组基本结构12脉波整流是在24脉波整流基础上减少一套整流机组实现的运行模式。西安地 铁牵引供电采用24脉波供电。下文对12脉波下电客车运行的可行性进行论证。2 12脉波与24脉波整流机组运行测试通过对12脉波与24脉波运行参数对比，研究确保12脉波下可满足供电设备及 电客车运行的要求。本文以西安地铁2号线渭河车辆段2 000 kW整流机组为样 本，进行了 12脉波和24脉波的单体设备运行测试。由于12脉波运行为一种应 急运行模式，整流机组测试项目重点针对影响电客车运行的参数，包括额定电压负 载测试、直流电压的纹波因数、功率效率等。2.1额定电压负载测试表1为12脉波与24脉波整流机组额定电压负载测试数据。表1 12脉波与24脉波整流机组额定电压负载测试数据35 kV侧电压U1/kV 35 kV侧电流I1/A 35 kV侧输入功率Pin/kW直流电压Ud/V直流电流Id/A直流负 载功率 Pd/kW 效率/%12 脉波整流机组 35.037 1.582 93.96 1 605.8 55.32 88.894.5 34.997 3.034 179.62 1 585.3 109.96 174.3 97.0 34.928 4.295 253.60 1 580.2 156.40 247.1 97.5 35.058 5.723 337.77 1 569.7 210.08 329.8 97.6 35.012 7.048 412.23 1 553.7 258.84 402.2 97.6 35.032 8.388 488.61 1 543.8 309.36 477.6 97.7 34.915 11.288 650.68 1 521.0 418.24 636.2 97.8 34.991 1.611 93.96 1 619.6 51.49 83.4 88.8 34.992 3.025 180.23 1 608.3 104.68 168.4 93.4 35.023 4.577 272.27 1 601.0 161.92 259.2 95.2 34.996 5.917 349.86 1 585.3 212.00 336.1 96.1 35.008 7.367 434.18 1 578.5 266.64 420.9 96.9 35.032 8.942 526.55 1 571.5 325.64 511.7 97.2 35.015 10.017 584.85 1 567.0 363.20 569.1 97.3 35.000 10.733 650.69 1 562.1 407.34 636.3 97.8 注: 表中35 kV侧电压、35 kV侧电流、直流电压、直流电流数据为现场记录值，功 率、效率为相关参数的计算值表1测试数据表明:12脉波下，负载由93.96 kW升至650.68 kW时，直流电压 由1 605.8 V降至了 1 521.0 V，压降84.8 V，下降率5.28%;24脉波下负载由 93.96 kW升至650.69 kW时，直流电压由1 619.6 V降至了 1 562.1 V，压降57.5 V，下降率3.55%。同负荷下，12脉波相较于24脉波额定输出电压降低 41.1 V，电压下降率高出了 1.73%，直流电压下降率较高，因此需重点监测12脉 波下的压降问题。12脉波牵引供电方式下输入功率与电压基本呈线性比例关系。此次测试的最高负 荷为650.68 kV，为额定功率2 000 kW的32.5%，按照电压线性比例下降来看 其满载2 000 kW时最低电压为1 345 V;整流机组允许在额定功率150%负荷下 运行2 h，当处于3 000 kW负荷时最低电压约为1 163 V,因此在满负荷和极限 负荷情况下，直流输出电压均能够满足电客车运行所要求的1 000-1 800 V电压 值。2.2直流电压纹波因数测试表2为12脉波与24脉波整流机组直流电压纹波因数测试数据。表2 12脉波与24脉波整流机组直流电压纹波因数测试数据UDH/V UPU/V ou1 521.0 91.2 3.00 24脉波整流机组1 562.1 65.7 2.10注:UDH实测直流输出电 压UPU直流脉动波峰与波谷之差；ou一电压纹波因数，ou = UPU/2UDH直流牵引电源是通过三相交流电源经整流得到，其直流电压会产生纹波的脉动。由 表2的测试数据可知，12脉波整流机组比24脉波的直流输出电源波动更大。12 脉波相较于24脉波纹波因数高出0.9%，达到了 3%。12脉波空载输出电压按1 650 V设计值计算，其最高波动电压不超过1 699.5 V;满载电压1 345 V ,最低波 动电压不低于1 304.6 V，因此输出电压可满足电客车运行电压1 000-1 800 V 的要求。3 12脉波整流机组与电客车运行测试设备基本运行情况的测试数据表明，12脉波整流机组单体运行参数可满足电客车 需求。在此基础上，进一步测试12脉波整流机组与电客车的联调情况，实现与电 客车的联动，检验实际运行工况。联调测试在西安地铁2号线渭河车辆段试车线 进行。12脉波整流机组额定功率为2 000 kW，电客车共进行5次启停，测试过 程中电客车以电机最大输出功率启动以检验极限工况，测试整流机组输出的直流电 压、电流和功率。表3为12脉波和24脉波整流机组与电客车联调测试数据。表3 12脉波和24脉波整流机组与电客车联调测试数据测试序号直流最大电流Imax/A直流最小电压Umin/V输出功率Po/kW 1 12脉波整流机组587 1 532899.28 2 1 570 1455 2 284.35 3 1 495 1 467 2 193.16 4 1 571 1 447 2273.23 5 1 879 1 420 2 668.18 24 脉波整流机组 1 1 646 1 508 2 482.16 2 1 627 1 515 2 464.90 3 995 1 528 1 520.36表3中的测试数据显示，在电客车全速起动、整流机组输出功率最高时，12脉波 整流机组最低接触网电压未低于1 400 V,可以保证电客车对网压的要求。但存在 的问题是，满负荷情况下整流机组输出功率超过了其额定功率2 000 kW，这对整 流机组是一个考验。基于整流机组的设计原则，要求在150%额定功率下，可稳定 运行2 h ,测试中最高功率为2 668.18 kW为额定功率的133%。通过查看电客 车运行参数发现，这种大负荷运行工况，时间均不会超过1 min，而在30 min的 测试中整流变压器和整流器温度显示未上升，这表明整流机组可以满足负荷需求。 在日常电客车出/入场过程中不会出现全速启动、最大负荷取流的情况，因此，12 脉波整流机组与电客车的联调运行测试证明了单台整流机组供电可满足运营要求。4整流机组联跳功能改造方案研究联跳功能改造，是对两台整流机组故障下相互联跳35 kV开关，导致接触网整体 失电这一情况进行的功能改进，以实现一台整流机组出现故障不联跳另外一台整流 机组，而使接触网转为12脉波直流供电，避免接触网整体失电影响运营。西安地 铁2号线整流器和35 kV中压开关柜分别选用永济电机和西门子的产品，针对实 际设备首先对联跳功能改造后对设备的影响进行分析。4.1联跳功能改造对整流机组内部保护功能的影响根据整流器原理，其联跳功能启动条件为整流器逆流、熔断器熔断、整流器超温3 类故障。当单台整流器发生内部故障，另外卜一台整流器继续运行时，会继续向故障 整流器输出直流电压，下面对故障影响逐一进行分析：(1)逆流故障为二极管被反向击穿，本台整流器无法正常整流。当1个二极管被击 穿时，另一台整流器直流电源反送至变压器，由于是直流故不会对变压器造成影响; 当不同桥臂2个二极管被击穿时，可能会导致正负极短路，另一台整流机组会自 行保护跳闸减轻危害。(2)熔断器熔断和超温故障是在为保护误动或本体过负荷的情况下发生的。如果出 现过负荷情况，另外一台整流机组会根据自身设置实现保护。因此，对整流机组内部故障而言，联跳功能改造不会造成设备损害的扩大化，均可 通过自身内部装置实现保护。4.2联跳功能改造对整流机组外部联跳功能的影响整流机组除了整流器内部联跳功能外，还具备外部故障联跳功能，包括直流开关柜 框架保护联跳和直流开关柜进线逆流保护联跳。当外部故障发生时必须将两台整流 机组全部切除才能保证下级设备的安全，因此联跳功能改造不能影响外部联跳功能。 图2为西门子35 kV开关柜故障跳闸回路。通过图2可知，整流器外部保护信号 是通过直流开关柜的端子柜发出的，343、344保护动作节点与整流器联跳回路 341、342没有关联，因此，联跳功能改造后对直流开关、对整流器的联跳功能无 影响。图2西门子35 kV开关柜故障跳闸回路4.3整流机组联跳功能改造方案西安地铁2号线整流器联跳信号采用夕卜部硬线接入，通过中间继电器K25(见图2) 将信号输入西门子7SJ632保护装置，由该保护装置发出跳闸信号使断路器跳闸。 联跳功能改造方案:可以断开中间继电器K25的13-14辅助节点，也可断开35 kV 开关柜内的349节点，还可以断开35 kV开关柜外部扩展接线中整流器的硬接线。 通过对比分析，最终采用了断开35 kV开关柜349接点的方案，首先故障信号不 会发至K25继电器，避免了该继电器的动作；其次35 kV开关柜内接点为插拔式， 如果需恢复设备可以在不停电的情况下重新插头重新即可，简便快捷。5结语通过对12脉波整流机组运行原理、实测参数多方面的分析测试，充分验证了 12 脉波整流机组运行方案的可行性。在论证了可行性的基础上实施联跳功能的改造， 有效提高了整流机组供电的可靠性，对车辆段、停车场等此类接触网单边供电区域 有重要意义，能有效防止因整流器故障联跳导致的接触网失压进而造成中断行车的 事故;对牵引供电系统而言则实现了另外一种应急供电模式，增强了供电系统的灵 活性。研究人员通过对西安地铁2号线渭河车辆段牵引变电所整流机组联跳功能 的成功改造与运营检验，为后续线路及轨道交通系统同类设备功能的改造提供了理 论基础和实践经验。参考文献1 杨素文，董斌，高劲.等效24相整流在广州地铁的应用J.机车电传动， 2002 , 2(2):43.2 田胜利.城轨1 500 V 24脉波整流二极管配置分析J.都市快轨交通， 2005 , 18(1):31.3 赵顺，曾志.地铁24脉波整流机组特性及谐波分析J.电子元器件应用， 2012 , 14(5):38.