城市軌道交通牽引供電系統48脈波整流技術研究

姜筱靨

0 引言

城市軌道交通牽引供電系統中的牽引變電所通過整流機組將中壓交流電降壓整流為直流電，并通過牽引網系統向列車供電[1]，其負載特性為沖擊性的整流負荷，因此在牽引變電所整流機組的高壓側將不可避免地產生諧波，成為系統中的諧波源。該諧波會向城市電網輸出，從而造成電網污染，降低電能質量。

諧波電流和諧波電壓的出現，對公用電網是一種污染[2]，其對公用電網和其他系統的危害大致體現在以下幾方面：（1）諧波使公用電網中的元件（感應電機、同步電機）產生附加諧波損耗，降低發電、輸電及用電設備的效率；（2）諧波影響各電氣設備的正常工作，對電機的影響除引起附加損耗外，還會產生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱，使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞；（3）諧波會引起公用電網中局部的并聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，使上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起嚴重事故；（4）諧波會導致繼電保護和自動裝置誤動作，并使電氣測量儀表計量不準確；（5）諧波會對鄰近的通信系統產生干擾，輕者產生噪聲降低通信質量，重者導致信息丟失，使通信系統無法正常工作。

上述諧波的不良影響可劃分為熱影響、冷影響和諧振影響三類。熱影響系因發熱而產生的不良影響，有長期性和積累效應，主要是諧波或合成諧波的幅值起作用；冷影響是瞬間產生的不良影響，主要是諧波或合成諧波的幅值或相位起作用；諧振影響是網絡的拓撲結構和參數對諧波源激勵的一種響應，其發生時將引起相關元件的過電流或過電壓。國家技術監督局于1993年發布了GB/T 14549-1993《電能質量公用電網諧波》，該標準對用戶所產生諧波對公用電網的影響進行了嚴格限制，電力部門要求地鐵供電系統注入電網系統PCC點的高次諧波不超過國標允許值；在地鐵供電系統內部也不允許發生危險的高次諧波諧振現象。因此，如何解決牽引變電所中整流機組所產生的高次諧波對公用電網和地鐵供電系統的“污染”，成為電力部門和地鐵部門共同關心的問題。通過研究表明，提高整流機組輸出脈波數，可以大幅降低諧波水平。

1 地鐵整流機組現狀及發展

1.1 地鐵整流機組發展歷程

我國早期城市軌道交通牽引供電系統與世界其他國家相似，均采用6脈波整流機組，如早期北京地鐵750 V整流機組為6脈波橋式整流。約在20世紀80年代中期，為治理牽引整流諧波，北京地鐵開始推廣采用12脈波整流機組供電。

20世紀90年代末期，上海軌道交通2號線牽引供電系統首次采用24脈波整流技術，主要包括上下雙分裂的12脈波干式整流變壓器、高電壓大電流整流二極管、24脈波整流和保護技術等。24脈波整流較12脈波整流技術極大地減少了11次和13次整流諧波，整流諧波總含量減少約80%，極大改善并提高了電網質量。

隨后，我國較快地完成引進技術的消化吸收，全面推廣采用國產24脈波牽引整流技術和裝備。目前國內城市軌道交通普遍采用的整流機組為24脈波整流機組。

1.2 現有整流機組存在的諧波情況

理想情況下，整流機組網側只含有h=kp±1次特征諧波（k為正整數），第h次諧波的理論幅值為Ih=I1/h（I1為基波的幅值）。實際上，由于各種非理想因素（電網電壓不對稱、整流變壓器三相不平衡等），不可避免產生非特征次數的諧波。

目前，我國和世界各國采用的24脈波整流裝置通常是由2臺12脈波整流變壓器和與之配套的整流器共同組成，如圖1所示。當2臺整流變壓器高壓網側繞組分別采用±7.5°外延三角形連接移相時，通過2套整流器并聯運行即可構成等效24脈波整流。

圖1 24脈波整流裝置

24脈波整流機組工作時，大大減少了5、7、11、13次等特征諧波，但整流產生的23、25次特征諧波仍存在。單一的整流變電所產生的23、25次整流諧波對供電電網產生的危害不大，但一條地鐵或數條地鐵線聯合產生的整流諧波有可能會造成諧波含量超標。

隨著我國城市軌道交通的快速大規模發展，為配合節能降耗、低碳、環保，作為預防性措施，國內已開始著手研發新一代整流機組，即在24脈波整流機組的基礎上提出了48脈波整流機組方案，為整流機組的更新換代作出了嘗試。

2 48脈波整流方案

目前國內48脈波整流機組有2種方案，分別為“分布式等效48脈波整流方案”和“集中式等效48脈波整流方案”。

2.1 分布式等效48脈波整流方案

2.1.1 方案介紹

分布式等效48脈波整流是根據地鐵牽引供電的特點，將原來各自獨立的24脈波整流機組相互移相并組成網絡意義的48脈波整流，以降低電網中23、25次整流諧波含量。

分布式等效48脈波整流的通用互換技術方案，是將目前各牽引變電所的等效24脈波整流變壓器設計成移相角可7.5°兩檔（Ⅰ檔和Ⅱ檔）調節，Ⅰ檔24脈波整流變壓器與Ⅱ檔24脈波整流變壓器輸出交流電壓相差7.5°相角。將地鐵沿線的24脈波整流變壓器分別間隔調節到Ⅰ檔和Ⅱ檔，沿線Ⅰ檔24脈波整流變壓器與Ⅱ檔24脈波整流變壓器組成分布式等效48脈波整流。

如圖2（a）所示，牽引變電所等效24脈波整流變壓器包括2臺12脈波整流變壓器（T1和T2），變壓器在Ⅰ檔：變壓器T1正移相3.75°，變壓器T2負移相-11.25°，該牽引變電所的T1和T2組成24脈波整流。如圖2（b）所示，變壓器在Ⅱ檔：變壓器T1負移相-3.75°，變壓器T2正移相11.25°，該牽引變電所的T1和T2也組成24脈波整流；Ⅰ檔24脈波整流變壓器與Ⅱ檔24脈波整流變壓器相互之間相差7.5°移相角，共同組成分布式等效48脈波整流。

圖2 24脈波整流變壓器

各牽引變電所并網運行時，電網側Ⅰ檔24脈波整流變壓器23、25次整流諧波電流分別與II檔24脈波整流變壓器的23、25次整流諧波電流之間相位角為24×7.5°，即180°，此時23、25次整流諧波電流可部分相互抵消，從而減少23、25次諧波電流。

經試驗表明，分布式等效48脈波整流可降低網側23、25次整流諧波電流85%以上，降低總諧波電流含量約20%。圖3為等效24脈波整流和等效48脈波整流直流電壓輸出波形（交流分量）。

圖3 直流電壓輸出波形

2.1.2 性能分析

（1）可靠性。在目前地鐵等效24脈波整流變壓器基礎上，采用兩檔（Ⅰ檔和Ⅱ檔）7.5°移相角調節變壓器組成分布式等效48脈波整流方案，僅改變了變壓器的移相方式。每個牽引變電所變壓器T1和T2均為原有成熟技術的軸向雙分裂12脈波整流變壓器，技術可靠性相對較高。

（2）互換性。雖然整流變壓器T1和T2的移相角不同（不可互換），T1是+3.75°移相角與-3.75°移相角可調節，T2是-11.25°移相角與+11.75°移相角可調節；但每個牽引變電所包含的2臺變壓器是相同的T1和T2整流變壓器，即各牽引變電所之間是可互換的。將所有牽引變電所的整流變壓器同時調為Ⅰ檔時，或同時調為Ⅱ檔時，牽引變電所均為原來意義的等效24脈波整流。將所有牽引變電所的整流變壓器間隔調為Ⅰ檔和Ⅱ檔時（現有地鐵整流機組按照相鄰牽引變電所一、二段母線間隔設置，故可通過在第1、3、5……或第2、4、6……牽引變電所間隔設為Ⅰ檔和Ⅱ檔整流變壓器來實現48脈波整流），各牽引變電所在電網組成分布式48脈波整流，可抵消原來相互疊加的23、25次整流諧波。

（3）經濟性。整流變壓器T1和T2相比原整流變壓器，無成本增加。

（4）對系統的影響。對于分布式48脈波整流，各牽引變電所的整流變壓器具有通用互換性，整流器和繼電保護與原24脈波整流相同，并維持現有牽引供電模式不變，具有改善電網質量、不增加牽引整流供電設備成本的優點。

2.2 集中式等效48脈波整流方案

集中式48脈波整流的技術方案如下：三相48脈波整流變壓器由2臺24脈波整流變壓器組成，每臺24脈波整流變壓器帶有4套低壓閥側輸出繞組，4套低壓繞組相互移相15°。

圖4給出變壓器繞組上下分列布置示意圖。圖示為一相，高壓2個分裂線圈H1和H2上下分列布置；低壓側包括4套繞組L1、L2、L3和L4及低壓移相繞組S1、S2、S3和S4。

圖4 24脈波（4套低壓輸出）變壓器繞組布置

1臺24脈波整流變壓器的4套低壓閥側輸出繞組接4套整流器，4套整流器輸出并聯，組成24脈波整流。2臺24脈波整流裝置之間高壓繞組相互再移相7.5°，整流機組并聯運行，組成等效集中式48脈波整流。

采用集中式48脈波整流方案，每個整流變電所需包括8臺6脈波整流裝置，每個牽引變電所的整流器由原來的24脈波整流的2臺整流器增加到4臺。

從整流變壓器的角度看，雖然每個牽引變電所的變壓器仍為2臺，未增加變壓器的數量；但單臺變壓器低壓繞組的數量由原來的2個增加到4個，且為了實現低壓繞組相互移相15°的要求，低壓繞組增加了移相繞組，一定程度增加了變壓器的工藝難度和成本。

從整流效果和諧波治理角度看，由于較多的低壓繞組徑向布置，整流繞組的電磁耦合系數較大，相互之間干擾較大，極大地影響了整流效果和諧波治理效果，集中式48脈波整流技術還有待進一步完善和提高。

2.3 兩種方案的分析比較

對于集中式48脈波整流方案，一個牽引變電所內實現48脈波整流，需將原來2臺三相整流器增加到4臺，牽引變電所的占地面積和設備造價將增加，引起工程投資費用增大。目前單臺24脈波整流變壓器尚存在低壓繞組移相及整流繞組相互干擾的技術難點，有待進一步完善提高。

對于分布式48脈波整流方案，針對電網中23、25次整流諧波，能夠有效降低整流諧波含量，各牽引變電所整流變壓器通用互換，不改變整流器和供電系統的設計，維持了原有設備的高可靠性，且不增加設備成本，經濟可行。

3 結論和建議

分布式48脈波整流變壓器可在保證24脈波整流安全基礎上，通過變壓器無載調節變換實現分布式48脈波整流；各牽引變電所的整流變壓器具有通用互換性；不改變目前牽引變電所的配置且不增加其他成本。從原理上講，增加整流機組的脈波數能夠更有效地降低諧波含量，48脈波整流機組能夠有效降低牽引整流23、25次諧波。

分布式48脈波整流方案作為節能以及提高電網電能質量的預防性措施，可以大幅降低牽引供電系統諧波水平；目前主流牽引機組供貨商均可提供相關產品，后續可結合工程需求逐步推廣應用。