地鐵牽引整流器交直流側RC阻容回路替代壓敏電阻可行性研究

蘇維杰 林勇波

廣州地鐵集團有限公司，廣東廣州 510000

壓敏電阻是一種限壓型保護器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當過電壓出現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，從而實現對后級電路的保護。因其快速有效限制電壓常用于地鐵牽引整流器保護回路中，但壓敏電阻使用壽命較短（國內廠家推薦為 2年左右），運營維護成本高且受外界環境影響大。在廣州地鐵運營維護中出現多次因壓敏電阻不穩定性造成直流系統故障，為優化整流器交直流側的保護回路，提出采用RC阻容回路替代壓敏電阻進行保護 。

整流器內部二級管為電力電子半導體器件，其對電壓非常敏感，當外加電壓超過元器件所允許的最大數值時，元器件將大概率損壞。因此在整流器交直流側及二極管中均設有過壓保護，是否可用RC阻容回路替代壓敏電阻保護，重點驗證RC阻容回路是否可滿足保護過電壓情況下保護整流器二極管等內部器件。

1 整流器主回路簡介

在城市軌道交通牽引供電系統中，主變所AC110kV電源通過AC33kV環網供電方式輸送到每個變電所，變電所內AC33kV通過整流變壓器降到AC1.18kV，再經整流器轉換成DC1500V電源向列車送電。牽引變電所內整流機由整流變壓器和整流器組成，由兩個6脈波3相整流橋并聯組成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，整流器交流側有壓敏電阻及特殊熔斷器過壓保護，直流側均RC阻容回路，壓敏電阻及特種熔斷器過壓保護如圖1所示。

圖1 廣州地鐵六號線整流器主電路原理簡圖

2 整流器過電壓產生的原因

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

（2）交流側過電壓：整流器交流側由變壓器提供電源，由于變壓器網側繞組的漏抗與閥側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，會產生瞬變過程及由此而引起的過電壓。

（3）直流側過電壓：直流側裝有快速斷路器，當斷開直流側故障電流時，由于分斷回路電感大或者分斷電流大產生過電壓。

（4）換向過電壓 ：由于整流器內部元器件二極管在換向結束后，因二極管不能立即恢復阻斷能力，存在較大的反向電流，而當二極管阻斷能力恢復時，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生過電壓。

3 整流器交直流側阻容保護回路

為進一步優化整流器交直流側保護回路，整流器交直流側采用加裝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 二極管主要參數表

4 整流器交直流側RC阻容保護回路可行性分析

4.1 交流側過電壓情況下分析

4.1.1 理論計算

變壓器接通、斷開產生的操作過電壓可以用下式來進行計算。

式中：Urms—變壓器閥側線電壓，1180V；KV—網壓升高系數；KG—過電壓系數；計算得出，U約為3671V。

4.1.2 現場測量

為驗證電阻電容的吸收效果，在廣州地鐵十三號線正線上進行了現場測試。測試表明，經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

根據以上分析，理論計算所得的變壓器接通、斷開時的過電壓小于整流器的二極管反向重復峰值電壓4400V，經過阻容吸收后電壓降為2000V左右，遠遠小于4400V，因此在RC阻容回路保護下整流器二極管不會受到過電壓的沖擊而損壞。

4.2 直流側過電壓情況分析

雷電引起的過電壓，一般采用避雷器進行防護。整流器后端設備（直流開關進線柜、饋線柜、負極柜）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。整流器直流側能承受8.8kV的反向重復峰值電壓（兩個二極管串聯），而直流開關柜內的避雷器雷電沖擊電流下殘壓（峰值）為5.3kV/20kA，加之還有直流側電阻電容的保護，因此亦不會對柜內二極管造成損壞。

5 整流器交直流側RC阻容保護回路運用成果

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壓敏電阻保護，改為RC阻容保護，并已投入運營，目前運行良好。

6 結語

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