牵引整流变压器与硅整流器结构和技术特性课件

第三章第三章 牵引供变电电气主设备牵引供变电电气主设备原理原理第二节第二节 牵引整流变压器与硅整流器结构牵引整流变压器与硅整流器结构和技术特性和技术特性 轨道交通牵引供变电技术第二节第二节 牵引整流变压器与硅整流器结构和技牵引整流变压器与硅整流器结构和技术特性术特性 一、三绕组牵引整流变压器 牵引整流机组中应用的三绕组牵引整流变压器一般的接线方式为Ydy和Ddy两种，整流器由两组并联的三相6脉波全波整流器组成。如图3.12所示为Ddy接线三绕组整流变压器。轨道交通牵引供变电技术 轨道交通牵引供变电技术图3.12 12脉波整流机组电路图 其阀侧（次边电压）星形（y接线）绕组接至一组三相整流桥RCT1，三角形（d接线）绕组接至另一组三相整流桥RCT2，由于整流变压器阀侧星形和三角形绕组对应的线电压相等，相位差为 （星形绕组引前 ），两组三相整流桥并联连接构成12脉波整流电路。轨道交通牵引供变电技术 对于常规的三绕组整流变压器，为使上述整流波形平缓，延长整流桥整流管的导电时间，往往在两组整流桥共阴极输出电路中串联接入较大电抗量的平衡电抗器Lp，如图3.12所示。图中、为负载电阻和电抗。轨道交通牵引供变电技术 常规三绕组牵引整流变压器与电力系统中通用的三绕组变压器的铁心和绕组结构基本相同，两个二次绕组容量相等，因其向担负牵引负荷的多相整流电路供电，为适应轨道交通地下建筑环境的特殊要求，在变压器绝缘结构、冷却方式和安全方面的标准更高，要求更为严格。轨道交通牵引供变电技术 三绕组牵引整流变压器的结构和技术特点：（1）按城轨交通地下工程的要求，牵引整流变压器绝缘材料采用环氧树脂浇注，整体为户内型、自然风冷干式结构，具有体积小（约为同容量油冷变压器体积的1/2）、重量轻、噪声小（额定负荷时小于55dB）、损耗低、防潮性能好、机械强度高、抗负荷冲击能力强等结构特征和运行特性。轨道交通牵引供变电技术 （2）承担列车运行启动、加速频繁、波动性大的牵引负荷，负荷等级为类（按国家标准），即在100%IN（额定负荷）下保持连续工作；150%IN时，工作2小时；300%IN时，工作1分钟；抗短路电流能力为在其次边完全短路持续2秒时，应不造成整流变压器任何热和机械的损伤，短路后铜导体绕组平均最高温度应小于350C（短路前为额定负荷）。轨道交通牵引供变电技术 三绕组整流变压器的重要电气参数和等值电路：由于三个绕组在磁路上相互耦合，所以每个绕组都存在自感和该绕组与其他绕组产生磁通交链形成的互感，从而任一绕组等值电路的电压方程中，必然包括绕组本身的自感电动势和与其他绕组之间的互感电动势，从这样一组电压方程，即可得到三个绕组包括绕组自感电抗和互感电抗在内的组合电抗（或称等值电抗），如图3.13所示。轨道交通牵引供变电技术 轨道交通牵引供变电技术图3.13 三绕组整流变压器组合电抗等值电路图 图中X1、X2和X3是各绕组的组合电抗，而不是漏抗，其值一般通过短路实验求得。制造厂给出的三绕组整流变压器的短路阻抗百分值，则是按阀侧两绕组全短路情况下的实验数值（其值8%）得到的。从上述等值电路图3.13可知，三个绕组的电路是互相关联的，在运行中，一个绕组负荷电流的变化将会影响其他绕组的电压值。轨道交通牵引供变电技术 二、轴向双分裂式四绕组牵引整流变压器 所谓双分裂式绕组是指在多绕组牵引整流变压器中的两个二次绕组，分裂成额定容量相等的两个支路，它们在电气上没有联系，仅有较弱的磁耦合。在牵引供电系统中应用较多的是轴向双分裂式四绕组三相牵引整流变压器，它有两个并联的高压一次绕组和两个分裂的二次绕组。轨道交通牵引供变电技术 其结构上有轴向布置和径向布置之分，如图3.14所示是三相三柱式铁心结构的三相整流变压器中一相绕组的轴向布置示意图。轨道交通牵引供变电技术图3.14 轴向双分裂四绕组变压器的一相绕组图中一次绕组分成两个并联的绕组H1和H2，分别对应排列两个分裂的二次绕组L1和L2，它们沿铁心上下轴向布置。适当选择H1、L1和H2、L2之间的距离可调节两者之间的阻抗电压百分数。轨道交通牵引供变电技术图3.14 轴向双分裂四绕组变压器的一相绕组 而径向布置则是将分裂的二次绕组布置在一次绕组的两侧，将增大铁心的径向空间。轨道交通牵引供变电技术图3.14 轴向双分裂四绕组变压器的一相绕组 分裂绕组变压器由于其漏抗增大，在电力系统大型机组发电厂的厂用电中常用这种分裂绕组变压器限制短路电流数值。轨道交通牵引供变电技术图3.14 轴向双分裂四绕组变压器的一相绕组 在直流牵引供电系统中，采用轴向双分裂四绕组牵引整流变压器的目的，在于利用其两个二次绕组连接的多组三相桥式整流电路并联构成的12脉波和24脉波整流装置中，轨道交通牵引供变电技术图3.14 轴向双分裂四绕组变压器的一相绕组 由于该类分裂绕组变压器每相漏抗增大，可取代通用的平衡电抗器的作用（见图3.12），使整流电压波形平缓，延长整流桥每个桥臂整流管的导电时间，而在并联整流桥的电路中不设平衡电抗器。轨道交通牵引供变电技术图3.14 轴向双分裂四绕组变压器的一相绕组 由于轴向双分裂式四绕组牵引整流变压器的绕组配置结构与普通多绕组变压器不同，其等值电路、阻抗参数和运行特性有较大差别，在轨道交通地下建筑牵引变电所中应用时对其绝缘结构、冷却方式和安全等方面也有特殊的要求。下面分别给予分析和介绍。轨道交通牵引供变电技术 1.等值电路和阻抗参数 按图3.14绕组布置的轴向双分裂式四绕组牵引整流变压器的简化等值电路如图3.15（a）所示，图中各阻抗均忽略电阻成分。轴向的上、下两层绕组即L1、H1和L2、H2之间存在中间（过渡）阻抗，设为Xm，并定义该类变压器不同运行方式下的3种阻抗如下：轨道交通牵引供变电技术（1）穿越阻抗XK：阀侧（二次绕组）两个绕组并联运行时，该侧绕组对不分裂的网侧（高压绕组）绕组间的阻抗。（2）半穿越阻抗Xb：阀侧两个绕组中任一绕组开路，另一绕组对不分裂的网侧绕组间的阻抗。（3）分裂阻抗XF：两个阀侧分裂绕组间的阻抗。轨道交通牵引供变电技术 对于图3.15（a），已知XL1XL2XH1XH2XK，可求得中间阻抗Xm为 式中 分裂系数，且 ；分裂阻抗。轨道交通牵引供变电技术（3.19）将图3.15（a）中A、M、N三点进行星形-三角形阻抗变换，并代入式（3.19），得到与一般三绕组变压器等值电路形式一致的变换后等值电路，如图3.15（b）所示。轨道交通牵引供变电技术图3.15（a）简化等效电路 从图3.15（b）可知，变换后的电路阻抗经整理后化简为 轨道交通牵引供变电技术图3.15（b）等效电路的变换形式（3.20）因而，按前述三种阻抗定义对应于变压器不同运行方式，由图3.15可得穿越阻抗 为 轨道交通牵引供变电技术（3.21）（3.22）半穿越阻抗（分别对阀侧两个绕组中之一开路时）为 分裂阻抗 为轨道交通牵引供变电技术（3.23）（3.24）根据国产轴向双分裂式四绕组牵引整流变压器给出的性能数据，当变压器容量为2200kVA、2750kVA和3000kVA时，包含移相绕组在内的有关短路阻抗和其他阻抗参数如下：短路阻抗（百分比）8%（阀侧两绕组全短路）；分裂阻抗（百分比）20%；半穿越阻抗（百分比）6.5%。轨道交通牵引供变电技术 2.轴向双分裂式四绕组牵引整流变压器的结构 在轨道交通地下牵引变电所环境下，对轴向双分裂式多绕组牵引整流变压器在绝缘结构、冷却方式、安全和机械强度、负荷等级等方面的特殊要求，和前面三绕组牵引整流变压器结构和技术特点中的（1）、（2）相同。轨道交通牵引供变电技术 轴向双分裂式四绕组牵引整流变压器在制造上比较复杂，工艺要求和技术指标都较高，而且由于轴向布置的两个二次分裂绕组之间需增加支撑绝缘材料，另外当二次绕组发生接地故障时，有很大的故障电流流向该侧绕组，将在分裂变压器铁心中失去磁的平衡，在其轴向上产生巨大的短路机械应力，必须采用能承受这种巨大机械力的坚实支撑物，从而造成材料费用增大，因此，轴向双分裂式四绕组牵引整流变压器比同容量的三绕组牵引整流变压器的价格要昂贵得多。轨道交通牵引供变电技术 轴向双分裂四绕组（干式）牵引整流变压器结构如图3.16所示。轨道交通牵引供变电技术图3.16 轴向双分裂四绕组（干式）牵引整流变压器结构图 三、牵引整流变压器的移相原理及其实现 牵引整流机组交流侧谐波含量与整流的等效相数，即与每工频周期内整流电压的脉波数有关。提高整流的等效相数是抑制谐波的有效措施，而等效多相制的形成则由牵引整流变压器的移相和牵引整流机组的并联组合来实现。等效多相制的等效相数，在牵引供电系统应用较多的是12相和24相。轨道交通牵引供变电技术 前述三绕组牵引整流变压器和轴向双分裂四绕组牵引整流变压器，利用其Y接线和d接线的两个二次绕组分别连接至两组三相整流桥，两者并联构成的整流机组可实现12脉波的6相整流，如采用两台相同容量和相同接线方式的牵引整流机组，一台整流变压器的一次绕组移相（电角度为7.5），另一台整流变压器的一次绕组移相（电角度为7.5），两台移相整流变压器及其连接的四组三相整流桥组成一套具有移相作用的12相24脉波牵引整流机组，其阀侧同名端线电压的相位差为（电角度为15）。轨道交通牵引供变电技术 由于目前实际上都是在轴向双分裂式四绕组牵引整流变压器结构的基础上实现移相，以下结合这种整流变压器介绍其移相方式、实现方法及其移相原理。轨道交通牵引供变电技术 1.牵引整流变压器移相方式和移相原理 对于大容量的牵引整流变压器，由于移相的相位角幅度一般不大，最经济可行的移相方法是利用其本身的三相铁心和磁路系统，将网侧需要移相的每相一次绕组分别设在本相铁心柱上的主绕组和在三相中其他铁心柱的移相绕组上，通过主绕组和不同相位匝数的移相绕组的适当串联组合，即可达到移相的目的。通常，按下列不同组合形成几种不同的移相方式：轨道交通牵引供变电技术 （1）延边三角形接线移相方式。三角形接线一次绕组每相的主绕组以外，串联增加一段不同匝数的移相绕组，称为延边三角形接线，如图3.17（a）所示。轨道交通牵引供变电技术 图中原三角形主绕组为A1X、B1Y、C1Z，串联接入不同相位的移相绕组后，例如A、X主绕组A1X的延长线上与A1X绕组同相位的移相绕组AA1和C1Z主绕组延长线上与C1Z同相位的移相绕组CX串联以后轨道交通牵引供变电技术图3.17（a）接线图 其AC相绕组的电压与原三角形绕组A1C1的相电压相比产生了角的相位移见图3.17（b）。轨道交通牵引供变电技术图3.17（b）电压相量图 按图3.17（b），由正弦定律可得 则移相电压：CX轨道交通牵引供变电技术（3.25）总相电压（主绕组电压移相电压）：故主绕组电压：主绕组电压 轨道交通牵引供变电技术（3.26）（3.27）在给定和移相角的情况下，按式（3.25）（3.27）即可得到主绕组和移相绕组匝数。这种移相方式适用于网侧为三角形（d）接线的轴向双分裂式四绕组牵引整流变压器。轨道交通牵引供变电技术（2）曲折形接线移相方式。曲折形接线移相牵引整流变压器的结构和接线图如图3.18（a）所示，在网侧原星形接线一次绕组每相主绕组以外，串联接入其他不同相位的移相绕组，其电压相量之和与原主绕组电压间即形成移相角。轨道交通牵引供变电技术 例如图3.18（b）中，A相绕组与具有反方向C相相位的移相绕组C串联构成的总相电压，同原A相绕组之间产生滞后相位移角。很显然，这种移相方式适用于网侧为星形接线的轴向双分裂式四绕组牵引整流变压器。轨道交通牵引供变电技术 轨道交通牵引供变电技术（a）接线图（b）电压相量图图3.18 曲折形整流移相变压器（3）多边形接线移相方式。多边形接线移相牵引整流变压器的结构和接线图如图3.19（a）所示。它由三相主绕组和三个与主绕组同相位的移相绕组交错连接形成多边形接线，其中每相主绕组与相邻的其他不同相位移相绕组串联构成组合绕组，其电压相量之和同原绕组电压间即形成移相角。轨道交通牵引供变电技术 例如，图3.19（a）中原AB相绕组与反方向AC相位的移相绕组C串联构成的总电压 ，同原AB相绕组 之间产生了滞后相位移角。轨道交通牵引供变电技术图3.19（a）接线图 这种移相方式适用于网侧为三角形接线的轴向双分裂式四绕组牵引整流变压器，其电压相量图如图3.19（b）所示。轨道交通牵引供变电技术图3.19（b）电压相量图 研究分析表明，在上述几种接线移相方式中，对于网侧电压35kV及以上整流变压器，广泛采用延边三角形接线移相方式，主要因为这种接线方式因移相导致绕组结构变化而增加的等效容量小，价格较便宜。轨道交通牵引供变电技术 当网压在35kV以上应用时，由于延边三角形移相和多边形移相的整流变压器网侧绕组承受的电压，比曲折形接线移相网侧绕组的增大 倍（线电压），前两者的绝缘必须相应加强，从而使其价格增加，这时曲折形接线移相方式则显现其优势。在此情况下，应进行综合的技术经济比较，以确定选择最优的移相方式。轨道交通牵引供变电技术 2.延边三角形移相方式整流变压器网侧绕组结构 牵引整流变压器的网侧电压都在35kV及以下，现结合轴向双分裂式四绕组牵引整流变压器采用延边三角形移相方式，分析介绍其网侧绕组结构。轨道交通牵引供变电技术 如图3.20和图3.21所示分别为延边三角形接线移相整流变压器的网侧绕组连接示意图和电压相量关系图。图3.20的主绕组连接组别产生电角度移相，轨道交通牵引供变电技术图3.20 移相角的网侧绕组连接组别与电压相量 图3.21的主绕组连接组别产生电角度移相。轨道交通牵引供变电技术图3.21 移相角的网侧绕组连接组别与电压相量 众所周知，变压器绕组的匝数与绕组电压成正比变化，移相整流变压器设计中首先要根据网压计算各种绕组电压。U1UABUBCUCA轨道交通牵引供变电技术 设主绕组电压为 UMUA1XUB1YUC1Z移相绕组电压（即内三角形电压）为 URUAA1UBB1UCC1 在图3.20（b）和图3.21（b）中，根据正弦定理，可得 轨道交通牵引供变电技术 主绕组电压 移相绕组电压 轨道交通牵引供变电技术（3.28）（3.29）在在给定移相角后，根据式（3.28）和（3.29）的计算结果确定主绕组和移相绕组电压后，即可计算求得主绕组和移相绕组匝数，以确定整流变压器网侧绕组的结构。曲折形接线移相方式和多边形接线移相方式中，各种绕组电压及其匝数的计算方法与延边三角形移相方式的计算方法和步骤类似，此处不再赘述。轨道交通牵引供变电技术 四、硅整流器装置及其监测与保护电路 牵引整流机组的大功率硅整流器主电路由两个三相全波整流桥组成，整流桥各桥臂则由串并联的大功率硅二极管连接而成，可知硅整流器的整流基本单元是大功率二极管及其散热器和保护器件。由若干整流基本单元按整流主电路进行组装，并配置数据采集与监测装置、过电压保护、故障显示器件、通信接口电路等，即构成完整的大功率硅整流器装置。轨道交通牵引供变电技术 硅整流器基本整流单元的主要元件是大功率硅二极管，它是由小于1mm厚的硅单晶片平板烧结制成的PN结面接触型二极管，其热容量很小，对电流、电压的变化非常敏感，而且城轨交通的牵引负荷变化剧烈，整流机组承受冲击负荷产生的过负荷和过电压的几率较大，除了整流管元件应具有较强的过负荷、耐过压能力和高温下保持性能稳定等特性。轨道交通牵引供变电技术 必须按技术条件要求进行严格选择以外，对整流元件和整流器整体电路还应设置专门的过电流、过电压保护措施与监测装置，在运行中不断提取、显示有关信息并实时监测，对于保障整流器装置的稳定、安全运行是十分重要的。硅整流器装置整流元件和系统保护与监测电路框图如图3.22所示，图中仅绘出一个整流桥的整流电路和整流元件，以及一个桥臂串、并联硅二极管与保护过电流的快速熔断器连接方式的原理电路。轨道交通牵引供变电技术 轨道交通牵引供变电技术图3.22 硅整流器装置整流元件和系统保护与监测电路框图PT温度传感器；XMT温度控制器；TD液晶显示屏；FU快速熔断器 1.硅二极管及其保护用快速熔断器的选择计算 大电流硅二极管是整流器装置的重要基本元件。整流桥各桥臂串、并联的硅二极管数量、规格要考虑各种运行条件下的过载能力、特性稳定情况和具有必要的安全因素，并根据生产厂家给定的技术参数进行选择计算和校验来确定。为对硅二极管过负荷进行保护，在每个桥臂支路设有快速熔断器，如图3.22所示。国产常用大电流硅二极管的主要技术参数列于表3.1。轨道交通牵引供变电技术 轨道交通牵引供变电技术表3.1 国产常用大电流硅二极管的主要技术参数*注：指二极管在最高结温180 C下，允许每秒50次，每次持续时间不大于10 ms，重复施加的反向最大脉冲电压，亦即额定电压。硅二极管的选择计算按以下原则和规定技术条件进行：自然冷却。硅整流器装置为自然空气冷却，每个或每组二极管配有挤压铝合金型材散热器用以扩大散热面，硅二极管在自冷条件下的容量约为标准冷却条件下的1/3。轨道交通牵引供变电技术 整流器装置按等效24脉波双机组整流方式运行。此时整流管导通角为，波形系数F13.46（波形系数是导通角为任一角度时的二极管有效电流IF（RMS）和平均电流IF（AV）的比值）。桥臂并联二极管有一只损坏时，整流器能满足类负载与牵引整流变压器相同，见本节“一、三绕组牵引整流变压器（2）”要求，并能承受相应的短路电流。轨道交通牵引供变电技术（1）整流桥臂串联二极管数量计算与选择校验。整流桥臂串联二极管数量ns主要由桥臂承受的反向峰值电压UAM和二极管的额定重复峰值电压URM确定，并考虑运行状态下的各种影响因数和裕度。ns由下式计算：轨道交通牵引供变电技术（3.30）式中 串联数；桥臂承受的反向峰值电压，；阀侧电压有效值；串联器件的额定重复峰值电压，取4400V；过电压冲击系数，一般取1.31.6；电网电压升高系数，一般取1.051.1；电压的设计裕度，一般取12；均压系数，一般取0.80.9。轨道交通牵引供变电技术 【算例1】整流电压Ud为1500V时，将各值代入式（3.30）得ns0.74，取整数ns1。即选择二极管串联数为1个（ZP型）。验算电压安全系数，2.64，符合要求。（2）整流桥臂并联二极管数量计算与选择校验。轨道交通牵引供变电技术 根据前述类负载等级的要求，计算整流桥臂并联二极管数量时，把2小时过载1.5倍额定电流作为长时额定负载电流，因为此时二极管结温已稳定。因此，按整流器额定容量下的长时额定负载电流1.5Id和单只二极管的平均电流IF(AV)，并考虑并联整流桥数量Kq与单桥导电桥臂数N，以及并联二极管间的均流系数Ki，即可求得每个桥臂的并联二极管数量np，其计算公式为 轨道交通牵引供变电技术 式中，IF(AV)为单只二极管的实际平均电流值，而生产厂家按标准给出的正向平均电流IF(AV)N，即二极管额定电流是在环境温度为40C和规定的冷却条件下，带电阻性负荷的单相工频正弦半波电路中，二极管全导通且稳定结温不超过额定值时所允许的最大正向平均电流。两者需要换算，很不方便，所以通常采用预判法，先设定 数值，再求出IF(AV)值。轨道交通牵引供变电技术（3.31）按式（3.31），单只二极管的平均电流IF(AV)由下式确定：式中 额定负载电流；整流桥并联数，取2；轨道交通牵引供变电技术（3.32）均流系数，0.9；单桥导电桥臂数，取3；二极管并联数。【算例2】整流器输出功率P3000kW，其额定电流 2000A，设 4，则代入式（3.32）后得 （整流器采用等效24脉波整流电路）。轨道交通牵引供变电技术 此计算值为单只二极管实际工作时的平均电流，折算为有效值：式中 导通角为 时的波形系数（此处考虑一机组故障情况下，按单机组12脉波整流电路运行），取3.46。将F1代入式（3.33）计算得 轨道交通牵引供变电技术（3.33）上述实际工作时的值，需换算至额定电流下的半波整流状态，即导通角为180时单只二极管的平均电流，由下式确定：式中 导通角为180时的波形系数，取1.57。将F2代入式（3.34）计算得：306A。轨道交通牵引供变电技术（3.34）所选用的二极管规格为ZP2600-44（见表3.1）。其 （标准冷却下），按上述技术条件，则自冷条件下额定平均电流约为867A（由表3.1中查出为2600/3867A）。1.5Id、3Id工作电流下安全系数分别为2.83、1.42，符合要求。轨道交通牵引供变电技术 综合以上（1）、（2）串、并联硅二极管数量计算与选择校验的实例表明：3000kW整流器单个桥臂采用4只ZP2600-44二极管并联，整流器单个桥臂的串联数为1，完全能满足运行要求。在损坏一只二极管的情况下，整流器过载300%时，由于持续时间很短（1min），散热器的瞬态热阻比其稳态热阻小得多，因此，允许通过的短时结温额定电流要比其长时结温额定电流大得多，一般可达标准冷却条件下的额定值。轨道交通牵引供变电技术 （3）快速熔断器选择计算与校验。快速熔断器用来保护硅二极管的快速熔断，主要按额定电压和额定电流进行选择，并应按发热条件进行校验。额定电压。熔断器额定电压是指熔断器分断时能承受的交流正弦波电压，UFU选择遵循的原则：应使熔断器的交流额定电压值大于整流变压器空载线电压值。轨道交通牵引供变电技术 快速熔断器额定电压UFU由下式确定：UFUKbU2 式中 UFU快速熔断器的额定电压；U2阀侧电压，取1180V；Kb网压升高系数，一般取Kb1.05。轨道交通牵引供变电技术（3.35）【算例3】Ud为1500V时，U21180V，则UFU1239V。额定电流。熔断器的额定电流一般为交流均方根值，并通过相应标准中规定的温升试验及可重复负载试验证明。选择快速熔断器额定电流时应考虑负载电流值、安装条件和环境温度的影响，并根据生产厂家提供的过载能力曲线进行校验。轨道交通牵引供变电技术 快速熔断器额定电流IFU由下式确定：式中 快速熔断器的额定电流；实际流过的平均电流；电流裕度系数，一般取1.11.5；环境温度系数，一般取1.01.2；波形系数，取3.46。轨道交通牵引供变电技术（3.36）【算例4】整流器输出功率P3000kW，每个桥臂并联二极管数 时，由前述计算得到将有关系数和 值代入式（3.36），得 ，选择额定电流为800A的熔断器可满足设备运行的要求。轨道交通牵引供变电技术 综合上述的选择计算结果，并考虑城轨交通地下牵引变电所周围环境条件、设备元器件连接过渡电阻、负荷过载等因素的影响，对于P3000kW整流器桥臂每个并联二极管支路的快速熔断器，选取为1250V/800A。快速熔断器的校验。通常应进行在最大电流通过时的发热计算和校验，即应能承受浪涌电流通过熔断器一定时间产生的发热，用快速熔断器的I2t值按下式核算：轨道交通牵引供变电技术 式中 快速熔断器的熔断I2t值，由生产厂家给出；IFSM二极管浪涌电流峰值；t二极管承受浪涌电流的半周时间，取5ms。轨道交通牵引供变电技术（3.37）【算例5】上述每个二极管支路选择的快速熔断器1250V/800A，从产品技术规格中得知其I2t为1.2106A2s，而由表3.1可知ZP2600-44型二极管的浪涌电流峰值为36.8kA，将有关数值代入式（3.37）验算，其结果符合要求。说明所选择的快速熔断器技术上是适用的。2.整流器装置保护设施配置 轨道交通牵引供变电技术 （1）硅二极管快速熔断器保护。每只二极管串联一个快速熔断器（见图3.22），当二极管失去单向导通性能时将形成整流变压器相间短路，回路将产生短路电流，此时由快速熔断器熔丝熔断来保护。快速熔断器带有接点，熔断后能给出信号用于报警或跳闸。当一个臂内只有一个快速熔断器熔断时，发出报警信号，超过一个小时发出跳闸信号。轨道交通牵引供变电技术 不同桥臂内各只有一个快速熔断器熔断时，发出报警信号。熔断器状态信号采集、各种报警信号、跳闸信号的发送，由可编程控制器或微机系统构成的集中数据采集和检测系统统一执行。（2）交流侧（阀侧）浪涌过电压保护。在接通牵引整流变压器的瞬间，由于变压器网侧绕组的漏抗与阀侧绕组的分布电容或抑制电容组成振荡电路，此时会产生瞬变过程及由此而引起的过电压。轨道交通牵引供变电技术 在严重的情况下，若没有抑制过电压措施，产生的过电压峰值可达正常工作电压峰值的2倍。在变压器空载或轻载时开断变压器的网侧绕组，与变压器绕组的磁化电流成比例的磁通量突然消失，此时阀侧绕组也将产生很高的瞬变电压，当没有抑制过电压措施时，其峰值可达工作电压的810倍。轨道交通牵引供变电技术 阴雨天时，由于雷击更容易在整流变压器阀侧产生很高的瞬间感应过电压，因此必须采取抑制措施，在交流侧加装氧化锌压敏电阻，将过电压抑制在2倍以下。氧化锌压敏电阻的优点在于：体积小，功率损耗小，响应速度快，能承受较大的浪涌电流。根据设计计算及在广州等地方的地铁运行经验，压敏电阻选取标称电压为2500V，通流容量为50kA，型号为MYG2-2500V-50kA。其连接方式如图3.23所示。轨道交通牵引供变电技术 轨道交通牵引供变电技术图3.23 交流侧保护电路示意图 （3）整流器装置直流侧过电压保护。整流器装置直流侧直接输出至接触网和动车负载，城轨交通运行工况多变，致使直流侧过电压出现的频率增多，接触网建于地面的区段不可避免地承受雷击过电压。直流侧装有快速断路器，当断开直流侧故障电流以及整流电路二极管换相时，都将产生操作过电压。另外还有来自负载即动车车辆上的过电压。轨道交通牵引供变电技术 若这些过电压处理不得当，不但会影响整流设备的运行，而且会影响线路中其他高压电器及地铁车辆的运行。因此，在整流器直流输出电路出口处，需设置过电压保护器件，它由吸收抑制过电压的并联RpC1电路构成，如图3.24和图3.25所示。轨道交通牵引供变电技术 轨道交通牵引供变电技术图3.24 直流侧保护电路示意图 轨道交通牵引供变电技术图3.25 整流器装置交直流侧保护、监测和信号显示系统图1FU112FU62快速熔断器；Rv1Rv7压敏电阻；PT100温度传感器；XMT温度控制器；R1、R2、C1直流侧RC吸收回路电阻、电容；R3R6负载电阻；V1直流电压表；A1直流电流表；V2交流电压表；D1、D2前后门照明灯；K1、K2行程开关；RES复位按钮；I1、I2可编程控制器；TD液晶显示屏；DC/DC电源板；XT故障输出端子；NL逆流保护 其中，C1起储能和抑平电压的作用，取值为16F，电压为3200V；Rp为压仓电阻，其阻值为3.9k，功率为600W，由R3R6电阻串并联组成以降低损耗，压仓电阻的作用主要是为C1提供快速释放能量的放电回路，并能在过电压过程中稳定电压。压敏电阻Rv1用来保护电容器，当电压过高时Rv1阻值接近零，将C1短接，以保护C1不致损坏。轨道交通牵引供变电技术（4）温度保护。在整流器预测温度最高的散热器上设置温度继电器，用于检测二极管散热器的温度是否超过允许值，超过允许值时分级发出报警或跳闸信号。设置报警温度为100C5C，跳闸温度为130C5C。采用带PT100热电阻温度传感器的温度继电器执行温度保护功能（见图3.25）。轨道交通牵引供变电技术（5）整流器逆流保护。整流器设有反向电流的逆流保护，在每个整流桥臂均串联有电流传感器，用来检测桥臂实时电流，如图3.25所示。当硅二极管被击穿导致产生逆向电流时，逆流保护组件发出逆流保护信号送至PLC监测显示系统，同时发出跳闸信号将牵引变压器一次侧断路器和直流输出侧快速断路器断路。轨道交通牵引供变电技术3.整流器装置控制、信号回路和数据采集与监测显示系统 整流器装置的二次回路采用以可编程控制器（PLC）为核心的数据采集与检测、显示系统，对各种状态量进行集中采集、检测以及数据信息的传送与显示，包括各个硅二极管的电流大小，整流器输出直流电流、直流电压，阀侧交流电压等量值的采集、检测、显示和整流器温度监测及其各种保护的动作信号显示等，如图3.25所示。轨道交通牵引供变电技术 该装置采用数据传输方式与牵引变电所综合自动化系统接口，采用接点方式与各种保护的二次回路接口，并应具有远方通信功能。通信接口采用标准接口，如RS485或RS422标准串口。控制信号回路和数据采集与监测系统的功能如下：（1）控制与信号回路。轨道交通牵引供变电技术 硅二极管故障和跳闸控制回路。整流器同一整流桥臂的一个硅二极管故障，或不同整流桥臂的两个二极管故障时，不影响整流器以100%额定电流运行，此时整流器的交、直流侧不跳闸，二极管故障信号通过输出接点在当地和远方显示，并在整流器屏柜面板显示硅二极管故障所在桥臂的位置。整流器同一整流桥臂的两个硅二极管同时发生故障时，通过PLC系统发出跳闸信号，将牵引整流变压器一次侧断路器、直流输出快速断路器同时断路，硅二极管故障信号的显示与上述相同。轨道交通牵引供变电技术 整流器温度报警和跳闸信号显示。当整流器测试点的温度超过设定值时，能分级发出报警和跳闸信号，当地和远方显示故障信号。当地显示采用自动化装置，每组12脉波整流器装设一套，能够区分各回路的信号，并能将报警信号送至变电所综合自动化系统。压敏电阻动作报警指示。在整流器直流输出电路的并联Rp、C1过电压保护中，设置了压敏电阻Rv1，当产生过电压时Rv1阻值降为零，其串联回路中的熔断器熔断，通过PLC发出熔断信号，在屏柜和远方显示。轨道交通牵引供变电技术（2）整流器显示装置。整流柜前面板上设置指示灯指示故障类型，设有液晶显示器，以文字方式显示故障发生的具体位置，方便工作人员检修工作。故障的报警和跳闸信号经处理后，转换为接点信号由端子输出，在面板上显示。这种故障报警和跳闸信号还通过RS485串行通信口与变电所综合自动化系统连接，采用开放的通信协议，波特率可调。轨道交通牵引供变电技术 显示装置的其他主要功能如下：a.显示整流器主回路交流电压、直流电压和直流 电流；b.显示整流器桥臂硅二极管保护熔断器熔断信号及该熔断器的位置；c.显示整流器最热点的温度；d.显示控制电源失电报警信号等。轨道交通牵引供变电技术 可编程控制器具有集成度高、抗干扰能力强、编程简单、系统便于维护、模块化结构便于维修等优点，文本显示器能清楚地指示各类故障状态，由它构成的二次回路结构简单，维护方便，具有很高的可靠性。4.硅整流器装置结构及其设备配置 轨道交通牵引供变电技术（1）硅整流器的整流桥设备与散热器、各种传感器、交直流侧过压保护设施都安装在整流器设备柜内，3000kW与2700kW均由两个12脉波整流柜并联组成24脉波整流电路装置。（2）整流器柜体结构如图3.26所示。采用标准的1200mm1200mm2300mm的金属屏柜；柜体无焊接，全部采用螺栓连接；柜体侧板及通道门采用2.5mm厚钢板，装在4mm厚钢板制成的自支持式结构钢柜架上。轨道交通牵引供变电技术 柜体经电镀锌处理，防腐性强，表面静电塑料喷粉，门顶部为铝合金眉头，柜体采用不锈钢紧固件。柜体的前后门下部开有进气网孔，上部设有散热通风孔，两侧封盖，完全满足防护等级要求。轨道交通牵引供变电技术 轨道交通牵引供变电技术图3.26 整流器结构图（单位：mm）（a）前视图1屏柜；3二极管；4保护单元；5接地排；6外接端子排；8电流传感器；10温度检测元件 轨道交通牵引供变电技术图3.26 整流器结构图（单位：mm）（b）后视图2压仓电阻；7阻容保护板；9快熔走线支架；11电压检测 轨道交通牵引供变电技术图3.26 整流器结构图（单位：mm）（c）顶视图（3）2250kW整流器的两个三相整流桥分别装于屏柜的上、下部分，从前后门可以清楚地看到垂直排列的三列元件分上、下两部分。前门正面放置1、3、5桥臂，后门正面放置4、6、2桥臂。两个三相桥的对应序号桥臂1U1和2U1、1U3和2U3并联在一起，共阳极或共阴极组成一组整流臂，每组整流臂由一个加工成条状的散热器和若干个块状的散热器压装上二极管组成，每组整流臂有若干只二极管，每柜共六组整流臂；3000kW整流器将两个三相整流桥分别置于两个柜体中，原理同2250kW整流器。轨道交通牵引供变电技术（4）二极管配铝合金挤压型材散热器，自然空气冷却。条状（公用）散热器作共阳极（或共阴极）用，整流器每条装4只或6只二极管，每个块状（独立）散热器配一个二极管。二极管单元由铝型材散热器、管芯、压紧螺栓、绝缘板、垫块、钢球、簧板、螺母组成。（5）交流汇流母排L1、L2、L3、L4、L5、L6及直流输出母排、集中在屏柜的下方，便于进出线路的配置和安装。轨道交通牵引供变电技术（6）整流器交直流侧过电压保护用电阻和电容，以及压敏电阻器和保护检测单元，安装在柜内下方。每臂铜母线上配装逆流保护用电流传感器。（7）快速熔断器一端接至交流母排上，另一端通过铜排与块状（独立）散热器连接。（8）每组整流臂通过绝缘子安装于柜体的横梁上，绝缘子及所有绝缘件均作表面阻燃处理，以保证其对骨架有足够的绝缘强度。轨道交通牵引供变电技术