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交流線電壓波形畸變對電網的干擾，減小直流輸出電壓的紋波系數，在12 脈波的基礎上開發了24 脈波整流技術。該技術有效地提高了供電質量并得到廣泛應用。

目前，24 脈波整流是由2 臺整流機組并聯工作實現的。其存在的問題是:當其中1 臺整流器機組出現逆流保護、熔斷器熔斷等故障時會聯跳另外1臺整流機組，進而導致一個變電所退出牽引供電。這種情況將直接導致接觸網失壓，電客車無法運行，對車輛段、停車場等此類接觸網單邊供電區域的影響也較嚴重。西安地鐵2號線渭河車輛段發生過這種故障，導致車輛段接觸網全部失壓。故障發生后，根據設計運行方案采取正線支援供電，經過近30 min，渭河車輛段接觸網才恢復供電。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構。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。為了實現24 脈波整流，在高壓側采用延邊三角形移相方法，T1 和T2的基本聯接組別是在Dd0y11 基礎上，分別移相+7.5°和-7.5°，實現 T1 和 T2 輸出低壓移相 15°。T1 和 D1，T2 和 D2 并聯工作時，合成輸出 24 脈波的直流電源。

12 脈波整流是在24 脈波整流基礎上減少一套整流機組實現的運行模式。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 脈波運行參數對比，研究確保12 脈波下可滿足供電設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，進行了12 脈波和24 脈波的單體設備運行測試。由于12 脈波運行為一種應急運行模式，整流機組測試項目重點針對影響電客車運行的參數，包括額定電壓負載測試、直流電壓的紋波因數、功率效率等。

2.1 額定電壓負載測試

表1 為12 脈波與24 脈波整流機組額定電壓負載測試數據。

表1 12 脈波與24 脈波整流機組額定電壓負載測試數據

表1 測試數據表明:12 脈波下，負載由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系。此次測試的最高負荷為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%負荷下運行2 h，當處于3 000 kW 負荷時最低電壓約為1 163 V，因此在滿負荷和極限負荷情況下，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 直流電壓紋波因數測試

表2 為12 脈波與24 脈波整流機組直流電壓紋波因數測試數據。

表2 12 脈波與24 脈波整流機組直流電壓紋波因數測試數據

直流牽引電源是通過三相交流電源經整流得到，其直流電壓會產生紋波的脈動。由表2 的測試數據可知，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 脈波紋波因數高出0.9%，達到了3%。12 脈波空載輸出電壓按1 650 V 設計值計算，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

設備基本運行情況的測試數據表明，12 脈波整流機組單體運行參數可滿足電客車需求。在此基礎上，進一步測試12 脈波整流機組與電客車的聯調情況，實現與電客車的聯動，檢驗實際運行工況。聯調測試在西安地鐵2號線渭河車輛段試車線進行。12脈波整流機組額定功率為2 000 kW，電客車共進行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調測試數據。

表3 12 脈波和24 脈波整流機組與電客車聯調測試數據

表3 中的測試數據顯示，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電壓未低于1 400 V，可以保證電客車對網壓的要求。但存在的問題是，滿負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。基于整流機組的設計原則，要求在150%額定功率下，可穩定運行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發現，這種大負荷運行工況，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荷需求。在日常電客車出/入場過程中不會出現全速啟動、最大負荷取流的情況，因此，12 脈波整流機組與電客車的聯調運行測試證明了單臺整流機組供電可滿足運營要求。

4 整流機組聯跳功能改造方案研究

聯跳功能改造，是對兩臺整流機組故障下相互聯跳35 kV 開關，導致接觸網整體失電這一情況進行的功能改進，以實現一臺整流機組出現故障不聯跳另外一臺整流機組，而使接觸網轉為12 脈波直流供電，避免接觸網整體失電影響運營。西安地鐵2號線整流器和35 kV 中壓開關柜分別選用永濟電機和西門子的產品，針對實際設備首先對聯跳功能改造后對設備的影響進行分析。

4.1 聯跳功能改造對整流機組內部保護功能的影響

根據整流器原理，其聯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。當單臺整流器發生內部故障，另外一臺整流器繼續運行時，會繼續向故障整流器輸出直流電壓，下面對故障影響逐一進行分析:

(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;當不同橋臂2 個二極管被擊穿時，可能會導致正負極短路，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荷的情況下發生的。如果出現過負荷情況，另外一臺整流機組會根據自身設置實現保護。

因此，對整流機組內部故障而言，聯跳功能改造不會造成設備損害的擴大化，均可通過自身內部裝置實現保護。

4.2 聯跳功能改造對整流機組外部聯跳功能的影響

整流機組除了整流器內部聯跳功能外，還具備外部故障聯跳功能，包括直流開關柜框架保護聯跳和直流開關柜進線逆流保護聯跳。當外部故障發生時必須將兩臺整流機組全部切除才能保證下級設備的安全，因此聯跳功能改造不能影響外部聯跳功能。

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

圖2 西門子35 kV 開關柜故障跳閘回路

4.3 整流機組聯跳功能改造方案

西安地鐵2號線整流器聯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，由該保護裝置發出跳閘信號使斷路器跳閘。

聯跳功能改造方案:可以斷開中間繼電器K25的13-14 輔助節點，也可斷開35 kV 開關柜內的349 節點，還可以斷開35 kV 開關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 開關柜349 接點的方案，首先故障信號不會發至K25 繼電器，避免了該繼電器的動作;其次35 kV 開關柜內接點為插拔式，如果需恢復設備可以在不停電的情況下重新插頭重新即可，簡便快捷。

5 結語

通過對12 脈波整流機組運行原理、實測參數多方面的分析測試，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上實施聯跳功能的改造，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單邊供電區域有重要意義，能有效防止因整流器故障聯跳導致的接觸網失壓進而造成中斷行車的事故;對牽引供電系統而言則實現了另外一種應急供電模式，增強了供電系統的靈活性。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跳功能的成功改造與運營檢驗，為后續線路及軌道交通系統同類設備功能的改造提供了理論基礎和實踐經驗。

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