（电力系统及其自动化专业论文）新型直流牵引供电系统可靠性技术的研究.pdf

a bs t r a c t a b s t r a c t ： t l l i sp a p e rr e s e a r c h e st h er e l i a b i l i t yt e c h n o l o g yo fn o v e lm e t r ot r a c t i o nd cp o w e r s u p p l ys y s t e m ( n p s ) c o n t a c t e dw i t ht h er e c t i f i e rd i r v e db yd i o d e s ，i n c l u d i n g t h e r e l i a b i l i t yo ft h eg r o u n ds y s t e m ，s w i t c he q u i p m e n t ，t h ee m so fp o w e rt r a n s i t i o ns y s t e m a n dt h ea p p l i c a t i o no fi g b ta sf o l l o w s ： f i r s t ，t a k eac o n c l u s i o no ft h ed e s i g np r i n c i p l e si nt h ed i o d e sr e f l i c t e r , a n dg e t st h e o n e sf i tf o r t h en p s c o m p a r et h es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e so ft w os y s t e m sa n dg i v ea n e wp r i n c i p l ef o rn p s s e c o n d t h em a i ne q u i p m e n t so ft h en p sa r er e s e a r c h e di nt h ep a p e r t h es e l e c t e d p r i n c i p l e so ft h er e c t i f i e rt r a n s f o r ma n dt h es w i t c he q u i p m e n t sa r eg i v e n a l s o ，t h e c a p a b i l i t y o ft h et r a n s f o r mi sc a l c u l a t e da n dt h em e t h o dc a l c u l a t i n gf o rs w i t c h e q u i p m e n t s p a r a m e t e r si sd e s i g n e d t h i r d ，r e s e a r c h e st h ep o w e rm o d u l eo ft h er e f l i c t e ra n da n a l y s es p e c i a ld e m a n d s f o ri g b t si nn p s 1 1 1 er e a s o n sf o rt h ed e m a n d so fag o o dt h e r m a lc i r c u l a t ea b i l i t ya n d o v e r l o a da b i l i t ya r eg i v e n t h ec h a r a c t e r i s t i c so fi g b tw o r k i n gi nc o n l m o na n du n d e r f a u l ta r ea l s od i s c u s s e di nt h ep a p e r ；w h a t sm o r e , t h em e t h o dt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fi g b t si sg i v e nb ya n a l y s i n gt h es t r a yp a r a m e t e r so fi g b t ，c o m p a r i n g t h em e t h o db e t w e e ni g b td r i v e r s ，a n da n a l y s i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s v a n t a g e so f t h e m a tl a s t ，a ni g b td r i v em o d u l ew i t has h o r tc i r c u i tp r o t e c t i o nf o rt h en p ss y s t e m i sd e s i g n e d i nt h ee n d ，t h i sp a p e rg i v e sa ne m cd e s i g nf o rt h er e f l i c t e rs y s t e m i n d u c t a n c e c a l c u l a t i o nf o r m u l a sf o r4t y p i c a lc o n n e c t i o nl o o p so fc o n d u c t o r sa r ee s t a b l i s h e da n d d i f e r e n ti n d u c t a n c ec a l c u l a t i o nm e t h o d sa r es u g g e s t e df o rf i l m - i n s u l a t e dl a m i n a t e db u s a n dt h ee m ic a u s e db yt h ep o w e rc i r c u i ti sa n a l y s e d b yt h ec a l c u l a t i o no ft h es t r a y i n d u c t a n c ei nt h ep o w e rc i r c u i t ，t h ep a p e ra l s od e s i g n sas n u b b e rc i r c u i to fw h i c hr e s u l t s h o w sag o o da b i l i t yi no v e rv o l t a g ec o n t r o lo fi t a tl a s t ，a l le m cd e s i g no ft h ec o n t r o l s y s t e mi sg i v e n k e y w o r d s ：p w mr e f l i c t e r ；d cp o w e rs u p p l ys y s t e m ；e m c ；i g b ts h o r tc i r c u i t p r o t e c t i o n ； c l a s s n o ：t m 9 2 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年 月日签字日期：年月日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师刘志刚指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师刘志刚教授的悉心指导下完成的，刘志刚教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 刘志刚教授对我的关心和指导。 沈茂盛老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向沈茂盛老师表示衷心的谢意。 张钢博士对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，谢盟、王蓉蓉等同学对我论文中的研究工作 给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1绪论 1 1选题的背景及论文的提出 城市轨道车辆作为现代化城市的交通工具，由于其运量大、速度快、安全可 靠、绿色环保的优点，能够有效缓解城市交通拥挤的状况，提高城市公共交通的 服务水平，改善城市居民的出行结构，因此越来越受到世界各国的普遍重视。我 国城市轨道交通建设自建国以来，特别是改革开放以来发展极为迅速，继北京、 上海、广州、天津等城市相继建成地铁之后，重庆、长春、南京、武汉、深圳等 城市的轨道交通也正在大规模的建设之中。几十年来国内外大城市规划和交通发 展的经验表明：城市轨道交通在历史名城保护、减少土地供给压力、缓解城市交 通压力、促进城市经济发展等方面具有不可替代的作用【。 城市轨道交通技术装备体现了技术上的多学科性和产业上的跨行业性。这是 一个规模庞大，专业分工很细的大系统，包括线路、车辆、供电、通信、信号、 防灾报警、机电设备监控、自动售检票等专业。在这个庞大的交通运输体系中电 力牵引系统是其它部分的能量来源，这决定了它是轨道交通系统中最为基础和关 键的组成部分，也就对轨道交通电力牵引系统的研究和发展提出了迫切的需求和 很高的要求。 但由于专用性强，市场相对较窄，国外只有几家公司生产直流供电系统设备。 但可喜的是我国将有越来越多的城市发展轨道交通，市场前景越来越广阔，我国 在此方面的研究也必将越来越深入。轨道交通的供电系统包括高、中、低压交流 供电系统、直流供电系统以及电力集中监控系统等。其中直流供电系统是轨道交 通最关键的供电系统。而直流供电系统的关键电器设备有整流器、直流快速断路 器、直流开关柜等。而本论文的主要研究内容正是城市轨道交通直流牵引供电系 统中的关键整流设备。 在高压直流输电、城市轨道交通供电以及工矿运输等用电系统中，都要用到 大容量的整流装置，传统的整流装置都是采用不控或相控整流的方式，这种方法 存在如下一些缺点1 2 ： 1 输入电流包含大量的高次谐波，高次谐波电流在电网中流通将在线路阻抗 上形成干扰电压，造成严重的谐波污染，干扰其它设备； 2 从电网吸取无功功率，使输入功率因数降低； 3 由于换流过程引起电网电压波形畸变； 4 直流母线电压波动范围大，动态响应能力差。 由于城市轨道交通的负荷点多深入城市中心，加之轨道交通直流供电系统单 台容量巨大，谐波含量高等问题，使得改善牵引整流系统所造成的谐波干扰，把 公用电网的谐波量控制在允许范围内，保证供电电能的质量，防止牵引供电对电 网和用户的各种电气设备造成危害等问题迫在眉睫。 目前国内城轨交通直流供电系统多采用多重化二极管不控整流的方案来减少 供电系统对电网的谐波污染，但多重化会使整流器件和变压器绕组利用率降低， 并且无法达到单位功率因数，无法实现功率的双向流动等缺点，以至于大量能源 被白白浪费。而p w m 整流器却具有输入电流为正弦、谐波含量低、功率因数高、 输出电压纹波小、电能可双向流动、动态响应好等优点。将之应用到地铁、轻轨 交通和工矿运输的直流牵引系统的整流装置中，对于保证电能质量，提高运营企 业的效益将有着重要的意义。 对于这种采用p w m 整流器作为变电装置的新型供电系统，在带来诸多优点的 同时同样会出现一些新的问题，如何使这种新型供电系统良好可靠的运行，是本 论文的主要研究内容。这对这种新兴的设备在实际运用中发挥其最大作用是必不 可少的。 1 2新型牵引供电系统概述 城市轨道交通供电系统是一个大功率用电系统，每个供电站的容量都在m w 级以上，如果解决不好其变流设备所产生的谐波，将对电网产生巨大的谐波污染， 为了使整流器的性能得到改善，于是高功率因数的整流器( h i g hp o w e rf a c t o r r e c t i f i e r - h p f r ) j i l 页, 成章地成为业界的不懈追求，其主要特点是在满足整流器直流 输出响应指标的同时，实现整流器网侧高功率因数正弦波电流控制，甚至可使电 流双向传动，当功率因数为士1 时，又称这种整流器为单位功率因数整流器。与装 设谐波及无功补偿设备相比，这种方案是一种更经济、更有效的解决办法。 现在工程应用中的高功率因数整流器有以下几种设计方案【2 1 【3 】： 1 基于晶闸管相控整流器的多重化设计 2 多重脉冲二极管整流设计 3 给予斩波器的二极管整流设计 4 采用p w m 整流器拓扑结构的高功率因数整流设计 而对于城市轨道交通的直流供电，多采用多重脉冲二极管整流的设计，这种 方式由于是不控整流，其网侧功率因数一般高于晶闸管相控整流器，但由于输出 直流电压不能调节，在供电站重载时直流电压将产生很大波动。在谐波方面，目 2 前的供电系统虽然采用了1 2 脉波或2 4 脉波二极管整流电路，但这种方法也是通 过减少网侧谐波电流提高整流器的功率因数，依然有待改进。 而可逆p w m 整流器具有输入电流为正弦、谐波含量低、功率因数高、输出电 压纹波小、电能可双向流动、动态响应好等优点。如果将之应用到地铁、轻轨交 通和工矿运输的直流牵引系统的整流装置中，对于保证电能质量，提高城轨运输 企业的效益将有着重要的意义。 城轨交通供电系统中，因为牵引网的电压期望为恒稳直流，所以对应的p w m 单位功率因数变流器自然也是将电压型拓扑作为首选。本文所研究的对象即是基 于三相电压型p w m 单位功率因数变流器系统的，在采用p w m 控制方式对开关的 通断控制中，由于可以实现对整流器系统中唯一直接可控制量整流桥入端网 侧电压的控制，可以任意变化其幅值和相位，这样便在和固定的电源电压的共同 作用下，可以任意控制电感上的电压，从而最终达到了控制网侧输入电流相位和 幅值的目的。 1 3 牵引供电系统的可靠性技术 所谓牵引供电系统的可靠性，就是指在规定的时间内，在一定环境和工作条 件制约下，完成规定的系统供电任务、实现相应的系统功能而不出现故障的保障 能力。本文主要研究的内容就是能够使供电系统达到这一标准的相关技术，统称 为牵引供电系统的可靠性技术。 电能是城市轨道车辆电力牵引系统必须的能源，电动车辆以及为轨道交通运 营服务的机电设备，包括通风、空调、照明、通信、信号、给排水、防灾报警、 电梯、电动扶梯等也依赖并消耗电能。在城市轨道交通运营中，若供电一旦中断， 不仅会造成城市轨道交通运输的瘫痪，而且还有可能危及旅客生命安全，造成财 产损失。因此高度安全、可靠而又经济合理的供给电力是城市轨道交通正常运营 的重要条件和保证。 直流牵引供电系统主要设备包括整流变压器、开关柜、整流柜及控制和保护 系统几大部分，本文的内容就是以上几个部分为基础，研究了一系列提高牵引供 电系统可靠性的相关技术。 在第二章中，对现行轨道交通供电系统进行了总体研究，并总结了二极管整 流直流供电系统设计基本要求，从中吸取同样适用于新型直流供电系统的部分。 同时比较了新型供电系统与二极管整流供电系统的异同，并提出了新型供电系统 的基本设计原则。 第三章介绍了新型供电系统的基本设备，研究了主电路中一次设备的选择方 3 式。主要研究牵引整流变压器的选型方式，计算了变压器可靠运行的容量，并且 研究了主回路中开关器件选取原则，同时对各个设备的选择参数计算方法进行了 研究。最后研究了整个系统的接地方案，并提出了新型供电系统的接地方案。 第四章主要研究p w m 整流器的功率开关器件i g b t ，包括新型供电系统对 i g b t 的一些特殊要求，i g b t 的基本特性及其参数计算，并根据i g b t 的特性， 研制了具有短路保护功能的驱动模块。 第五章是对整流器电磁兼容性方案的设计。从电磁干扰源出发，研究了主电 路中杂散电感的计算方法，设计了主电路低感母排结构，并对其杂散电感值进行 定量计算，并根据相应情况设计了吸收电路，同时提出了一种具有防爆特性的主 电路拓扑结构。对控制单元的电磁兼容性进行了讨论，给出了控制单元在整流柜 中保持电磁兼容性的方案。 4 2 城市轨道交通新型直流供电系统综述 2 1直流供电系统的构成 供电系统是城轨交通的动力能源，一般包括牵引供电系统、动力照明供电系 统和高压电源系统。牵引供电系统供给电动车辆运行的电能，它是由牵引变电所 和接触网组成的；动力照明供电系统提供车站和区间各类照明、扶梯、风机、水 泵等动力机械设备电源和通信、信号、自动化等设备电源，它是由降压变电所和 动力照明配电线路组成的【5 】f 6 】。 直流牵引变电所的主接线，包括高压交流( 1 0 - - 3 5 k v ) 受、配电系统和直流 ( o 7 5 1 5 k v ) 受、馈电系统两部分，整流机组( 整流变压器整流器组) 则是作 为文、直流系统交换的重要环节设置的。 对于地铁、轻轨交通滞留牵引变电所的设计，是要受到地下或地面的城市闹 市区接到两侧( 轻轨系统) 环境条件制约的，为了安全保障的需要，列车牵引、 通信信号电源、站厅事故照明和必要的安全环卫设施都属一级负荷，并且需要有 不间断电源的保证。 城市轨道交通直流供电系统的整体构成在图2 一l 中示出。 图2 - 1 城市轨道交通电力牵引供电系统 5 8 l 发电厂( 站) ：2 升压变压器；卜电力网；4 _ 一主降压变压器： 卜直流牵引变电所；忙馈电线；7 接触网；卜走形轨线；卜回流线。 发电站由于远离用电负荷，为了减少输电线路的电压损失和能量损耗，必须 将输电电压升高，因此在发电厂的输出端介入升压变压器以提高输电电压。目前 我国最普遍的输电电压等级为l1 0 - - 2 2 0 l ( v 。 高压输电线到达负荷点附近后，通过区域变电所将电能转配或降低一个等级 至3 5 k v l o k v 向用电负荷配电。城市轨道交通牵引用电一般取自l o k v 供电网络， 个别取电自城市地方电网，这取决于系统和城市地方电网具体情况以及牵引用电 容量大小。 对于直接从系统高压电网获得电力的城市轨道交通系统，往往需要在设置一 级主降压变电站，将系统输电电压降低到配电网电压，以适应直流牵引变电所的 需要。从管理的角度上看主降压变压器可以由电力系统直接管理，也可以归属于 城市轨道交通部门管理。 从发电厂经升压、高压输电网、区域变电站至主降压变电站部分通常被称为 牵引供电系统的外部供电系统，从主降压变电站及其以后部分就被统称为牵引供 电系统，它应该包括：主降压变电站、直流牵引变电所、馈电线、接触网、走形 轨及回流线等。直流牵引变电所将三项高压交流电变成适合电动车辆应用的低压 直流电。馈电线是将牵引变电所的直流电送到接触网上。接触网是沿列车走行轨 架设的特殊供电线路，电动车辆通过其受流器与接触网的直接接触而获得电力。 走行轨道构成牵引供电回路的一部分。回流线将轨道回流引向牵引变电所。 2 2直流牵引供电系统设计要求 城轨交通供电系统的设计不但要保证电力用户( 城轨车辆和动力照明负荷) 用 电的需要，提供安全、可靠、经济的电能，而且要保证城轨交通系统的安全运营。 防止各类走电失火事故及次生灾害的发生。它的设计一般原则和要求是： 城轨交通的电力用户应由牵引、降压或牵引降压混合变电所供电。对于地面 或高架线路上的动力照明负荷在条件允许时也可以由3 8 0 v 2 2 0 v 市电供电或作为 备用电源供电。 下面讨论城轨交通供电系统的基本设计原则【5 】【6 】【7 】【8 1 0 城轨交通的供电系统应由可靠不问断的电源供电，其高压电源系统必须由两 路及两路以上相互独立的电源供电。牵引变电所为国家电力系统一级负荷。应由 两路及两路以上相互独立的电源供电，其中一路必须是专用路。动力照明系统中 的一类负荷及通信、信号、自动化设备电源应有两路及两路以上供电。当城市低 6 压市电电源为独立电源时，可以作为备用电源或事故电源。 供电系统应采用冗余技术，冗余技术是指在设备容量和工作负荷设计时充分 考虑设备工作过程中可能出现的故障频率和故障严重性，保证一定的设备的工作 富裕度和能力后备，以便一旦出现因故障而使一部分设备或某个系统停止工作时， 整个系统的正常工作能力不受大的影响。其主要方法有两种，一种是工作冗余， 即由若干个并行单元并行工作，其中任何一个单元均可承担系统的全部工作负荷， 因此只要有一个单元处于正常工作状态，就能保证整个系统的正常工作。另一种 是后备冗余，即采用设备待命制，正常工作是由一个单元的设备运转，保证系统 的正常工作，一旦出现故障并导致该设备单元停止工作，则启动另一个设备单元 转入工作状态，从而保证系统工作的连续性。 供电系统的设计应确定正常运行方式和非正常( 事故) 运行方式。电源系统的正 常运行方式是两路电源同时供电，且电源变电所内两台主变压器同时运行。牵引 供电系统的正常运行方式是两路电源同时供电，接触网采用双边馈电或开式馈电。 动力照明一类负荷的正常运行方式是两路电源同时供给负荷用电。正常运行方式 下应保证各项技术经济指标满足国家标准或专业标准。非正常运行方式应保证轻 轨交通正常运营。 供电系统的供电能力应保证城轨交通近远期发展的要求( 远期供电能力可以预 留变压器、更换变压器容量或预留变电所) 。牵引供电系统应满足城轨交通高峰客 流2 h 且接触网- t 奥l j 单边馈电( 对正常供电方式为双边馈电而言) 或越区供电( 对正常 供电方式为开式馈电而言) 时的牵引用电需求。动力照明系统的供电能力，在采用 两台变压器时其总容量应满足向同时工作的全部负荷供电，其单台变压器的容量 ( 在另一台发生故障时) 应保证向扶梯、排水装置、变电所自用电及全部照明负荷供 电；在采用单台变压器时其容量应保证最大运行负荷的需求，备用电源应保证全 部照明负荷。 供电系统的设计应采取多种措施保证安全可靠地供电和城轨交通的安全运 营。例如防止走电失火措施、做到牵引变电所和供电局的电源变电所保护协调一 致，牵引变电所和轻轨车辆电气保护协调一致，防止直流牵引正电源接地、电弧 等事故，防止杂散电流及腐蚀等。在变电所所址选择、设备选择、设备布置，建 筑等方面要符合防灾和安全供电要求。电气设备的绝缘耐压水平、热稳定、动稳 定、带电操作的机械寿命、分断短路电流及负荷电流的能力等方面均应留有余度。 供电系统的设计应进行多方案的综合技术比较和经济技术分析，力争安全、 可靠、经济三者最佳配合。供电系统无论一次投资还是运营中的电费支出在城轨 交通中都占有较大的比例，因此在保证安全可靠的前提下应力争经济、避免浪费。 安全可靠应有一定的量度，各种设备的安全系数也不一定越大越好，各类事故的 7 发生不应统统考虑在同一时刻发生。牵引供电能力的设计可以不考虑高峰客流双 侧单边馈电时所需满足的各项技术经济指标。在双边馈电时牵引变电所也可不设 第三台专门备用机组。在选择先进技术设备时还应考虑经济合理性及管理能力， 不可单纯追求技术先进等。 供电系统的设计应努力实现标准化、 的定型设备，做到一二次接线简单一致， 选用节能的定型设备。 通用化，一条运营线路应力争选用一致 设备布置清晰，操作与检修安全方便， 城轨供电系统从方案论证、可行性研究、初步设计到施工设计的各个阶段， 最好选择一个设计单位进行，尤其是同一条运营线路的供电系统的施工设计不可 由多家设计单位分站分区段进行。另外在供电系统的研究和设计施工中需要其他 专业配合完成的事项必须及时与相关专业协商，达成一致意见，并监督相关专业 按要求实施。 在世界地铁和轻轨系统所发生的事故和灾害中，多数是与电有直接或间接关 系的，因此要做到地铁、轻轨系统的可靠运营，供电系统的电力设计部分至关重 要，而电力部分的诸多问题并不是独立存在的，它涉及到规划、设计、施工和运 营的各个环节和各个专业，所以供电系统的设计不仅仅是电力专业的任务，还需 要有结构、线路、建筑、车辆、机电、通信、信号、自动化及防灾等多专业的相 互配合。这些专业如不与供电设计协调一致，就有可能给城轨交通的安全运营带 来影响，造成车辆和设备不能正常运营或发生事故，因此供电系统的设计应以系 统工程来考虑。 本论文的主要研究则集中于牵引变电所中新型供电系统主要变流设备的可靠 性技术的研究。 2 3直流供电系统的整流装置 整流变压器一整流器机组是完成降压、把三相交流电变为多相交流并转换 为直流电能的重要设备。整流机组的接线方式和电流及其整流效果，直接与直流 牵引变电所的效率高低、直流电压质量和机组本身的各项技术参数有密切的关系， 也是变电所电气功能的核心构成部分。 设计选择整流装置时，既要考虑直流供电质量，还要顾及整流变压器的利用 率。从这一点来说，直流牵引供电制式比交流牵引供电制式有利，因为交流牵引 供电制式是在机车上将高压交流电进行降压整流的，即整流装置全安装在机车上， 而车上的空间是有限的，它不可能安装太复杂庞大的设备，只能进行单相整流供 电。相反地，直流牵引变电所却可以在地面安装比较完善的整流装置。整流机组 8 的接线方式和电路及其整流效果，直接与直流牵引变电所的效率高低、直流电压 质量和机组本身的各项技术参数有密切关系，也是变电所电气主接线的构成部分 【6 1 0 整流机组从提高变压器利用率、减少注入电网谐波含量两方面考虑，经济而 有效的方法是在三相桥式整流电路的基础上增加整流相数。为此，用三相桥式整 流电路构成十二相脉动整流或等效十二相整流的接线方式，目前获得了广泛应用。 牵引变电所整流装置空载电压的高低，直接影响系统电压的质量。空载电压 选择不当，当城市电网波动时( 国家允许电压波动范围为( 5 7 ) ，有可能超出 牵引系统电压的最高值；在车辆起动运行时，电压损失大，运行不经济。考虑到 牵引变电所的电压损失，在额定负荷时，牵引变电所直流母线电压应不低于牵引 系统电压标称值；在城市电网电压波动升高时，空载电压不应高于牵引系统电压 最高值。牵引变电所直流空载电压过高，还将影响车辆电力再生制动时功能的发 挥，或导致制动时使牵引网电压高于系统电压最高值。因此建议牵引变电所的直 流空载电压不应大于系统标称电压的1 1 倍。即当标称电压为7 5 0 v 时，变电所直 流空载电压为8 2 5 v ，标称电压为1 5 0 0 v 时，直流空载电压为1 6 5 0 v 。 另外，当需要具备整流电压可调等功能的时候，十二相整流装置的两组整流 桥可采用晶闸管器件来构成相应的可控整流电路，通过控制晶闸管的导通角即可 调节整流电压。但需增加产生移相控制脉冲和实现自动调节的整套控制设备。在 地铁、轻轨供电系统中，各牵引变电所均为并联供电，一个变电所可控整流机组 的电压改变，使其输出外特性相应变化，将影响相邻变电所整流机组的负荷分配， 为保证系统稳定、安全运行，应使相邻变电所整流机组同步进行必要的自动调压， 但要实现同步控制及其间的信息传输，技术上较复杂，效果应具体分析。 2 3 1二极管整流装置 整流桥直流侧脉波数越多，则其整流元件的导通电角度的间隔越小，直流成 分也就越纯净。为了尽量减小交流输入电流波形里所含的谐波成分，提高交流电 流的正弦度，并降低输出电压中存在的脉动振幅，减小滤波电感的电感量( 通过提 高脉动频率) ，可以通过并联或者串联多个整流机组来实现，而各机组的变压器接 线需采用不同的组别，以获得需要的相位移。 各种等效多相联接，可以是不可控的、半控的，也可以是全控的。当各单元 换流组串联运行时，单元之间控制方式不同并不带来什么问题。而当多个换流组 并联运行时，不仅要求控制方式一致，而且为了平衡各自输出电压瞬时值的差异， 必须配备额定电压和工作频率都符合电路要求的平衡电抗器。这种用以保证由不 9 同相供电的多个换相组并联工作的电抗器，通常也称相间变压器，不过相数过多， 增加安装费用，技术上得到精确的相移角不易，要从技术、经济指标全面衡量， 最后作出抉择。 l 矗。l k 啪 一 1 啪 霸。 7 垂n 纱 ? 彳 令： 畦 t ， 1 1 ( a ) 原次边向量 ( b ) 十二相电压向量 ( c ) 三相桥并联工作整流电路 图2 - 2 十二相整流电路图及电压向量 目前传统的直流牵引系统多采用十二相或二十四相不控整流方式，如此一来 既可提高变压器利用率，同时又能减小注入电网的谐波。实现多相整流的主要措 施是采用三绕组或四绕组的特种结构变压器，以十二相不控整流为例，三相绕组 连接方式为y a y ，y ，四相绕组变压器连接方式为y y ， w ， 利用次边或原、次边星形与三角形两绕组问各相电压依次形成3 0 0 相移，以及上述 各相间电压的倒相( 1 8 0 0 相位差) ，从而构成十二相整流接线方式。图2 2 示出 y - y ，- y 接线方式整流变压器原、次边两绕组电压向量关系图，以及由此 构成的两组三相桥并联工作的十二相整流电路接线图。 1 0 从图中可以看出，当不考虑平衡电抗器的作用时，相当于两组相位差为3 0 度 的三相桥整流电路交替向直流负载供电，每个桥臂整流管导电时间为2 3 ，整流后 的直流电压每工频周期有1 2 次脉动，形成十二相整流。这种情况下每桥臂整流管 不能有效利用，是其缺点。接入平衡电抗器后，由于其感应电压的存在，则两组 三相整流桥相当于并联工作，同时向负载供电，且每个桥臂整流管导电时间为2 x 3 ， 提高了整流管的利用率。两组整流桥任意时刻并联工作的必要条件是，导电时刻 两组桥路同时并联导电支路的电压必须相等。 二十四脉波整流的基本原理与十二脉波基本相同，都是通过变压器移相得到 多相交流电源，在大功率整流装置中的网侧谐波电流，是电力系统中主要的谐波 源之一。为了减少牵引整流变电站网侧谐波电流对城市电网的影响，我国城市轨 道交通的牵引整流变电站正由原来的十二脉波向二十四脉波发展。等效二十四脉 波整流系统在抑制谐波方面可取得良好的效果，对电网造成的电流谐波含量比十 二脉波整流下降大约5 0 。二十四脉波牵引整流变电站的主电路原理如图2 3 。 3 3 k v 1 0 k v 图2 - 3 二十四脉波整流装置示意图 二十四脉波整流变压器是在两台十二脉波整流变压器基础上，不改变整流器 等其它设备，在变压器一次侧三角形绕组上加延长绕组。l 群整流变压器为d y 5 d d 0 联结，一次侧绕组移相7 5 度；2 j f 整流变压器为d y 7 f d d 2 联结，一次侧绕组移相 + 7 5 度。2 台整流变压器一次侧并联在同一电网中，二次侧线电压相同，相位相差 1 5 度。各台二次侧分别连接两组三相全波桥式整流电路，输出等效1 2 相脉波直流 电压。两组等效1 2 相整流输出并联，构成等效2 4 相整流输出。 2 3 2新型直流牵引供电整流装置 工业领域大量应用的整流电源通常是采用不控整流或相控整流方式，不控整 流方式的整流器存在从电网吸取畸变的电流，造成电网的谐波污染，而且直流侧 能量无法回馈电网等缺点。相控方式的整流器也存在深度相控下交流侧的功率因 数很低，由换流引起的电网电压波形畸变，动态响应慢等缺点。因此消除谐波污 染并提高功率因数，己成为电力电子技术中的一个重大课题。解决电力电子装置 匦型 i _ 一= 广二一- - ；i 厂a t r c t l 窘：薯 f s _ j 广il i l - 一 ll 型i _ i l i l + l o 剖 l 1 1 i、 ：审r( i _ 、1 i 图2 - 4 整流一逆变机组连接及转换示意图 的谐波污染和低功率因数问题基本思路有两个：一种是被动式，即装设谐波补偿 装置来补偿谐波，如有源滤波( a p f ) 、静止无功补偿( s v c ) 等；另一种方法是主动 式的，即设计输入电流为正弦、谐波含量低、功率因数高的整流器，这不仅是抑 制谐波和提高功率因数的重要手段，从某种意义上讲，更是一种更积极、更主动、 更根本的提高电能质量的方法。在目前的地铁牵引供电系统中，来自机车电气制 动产生的能量都是通过变电站内的斩波电路消耗在制动电阻上的，由于地铁供电 系统是一种区段封闭式结构，一般情况下不存在制动能量被同区段另一列机车吸 收的情况，并且地铁列车是频繁启动和制动的，这个过程会白白浪费巨大的能量， 若能将这部分能量利用起来，将大大改善地铁运行成本【l 。 整流一逆变机组则正是为了适应动车组在牵引和再生制动两种工况下工作的 需要，在牵引变电所设置两套能自动转换的变流设备，如图2 - 4 所示。 1 2 牵引状态时整流器电路工作，再生状态下电能反送，电路转换为逆变器机组 工作，它实际是一种控制角大于r d 2 的晶闸管可控整流电路，由于逆变状态下逆变 机组作为电源送电端，整流变压器电压要增高，需要在次边串联接入可调自耦变 压器绕组。此时主接线应作相应转换，且其接线复杂化，相应的需增加自动控制 和转换操作的设备以及机组设备，因此需作全面的技术经济分析比较，认为确是 合理的条件下才能采用，同时，这种逆变形式将产生非常大的谐波成分，对电网 造成很大污染，因此寻找一种自动化程度更高，成本更低，性能更加优良的解决 方案是业界一直探索的问题。 而依托现代电力电子器件的高速发展，像i g b t 、i g c t 这一类器件已经能达 到数千伏以、数千安的功率等级，这使得像p w m 整流器这一类全控型变流装置运 用到地铁供电中成为可能。 高功率因数p w m 整流器，简称p w m 整流器，作为一种绿色电力电子技术， 由于可以处于四种运行方式：( 1 ) 整流运行：( 2 ) 逆变运行；( 3 ) 无功补偿；( 4 ) 电流超 前电压运行。因此其电路的本质特性决定其终将以多种形式应用于电力系统，成 为目前电力电子技术研究的热点。 按照p w m 整流器应用的功率大小来分，主要有三方面： 1 中小功率应用体现在高精度、动态响应快速要求下的整流系统，如充电电 源等。目前出现的p f ci c 芯片推动着小功率向商业化方向发展。 2 中大功率应用主要体现在电气传动( e d ) 和u p s 领域。 3 大功率应用主要体现在柔性交流输电系统( f a c t s ) ，如轻型直流输电 ( h v d cl i g h t ) ，可再生能源的并网发电，以及有源电力滤波器( a p f ) 和新型静止无 功发生器( a s v g ) 等领域。 可以看出，将p w m 整流器运用到城市地铁、轻轨直流牵引供电系统中，毫无 疑问能够解决地铁供电所面临的问题，三相全桥电压型p w m 整流器的基本拓扑如 图2 5 所示。 通过对开关t 1 t 6 进行p w m 控制，就可在桥的交流输入端产生三相正弦调制 p w m 波，相电压u a a ，u a c ，u c a 中不含低次谐波成分，只含有和被调正弦信号 波同频率且幅值成比例的基波分量以及与三角载波有关的高频谐波。由于电感k 、 h 、l c 的滤波作用，高次谐波只会使交流电流产生很小的脉动，在理想情况下， 当被调正弦信号波的频率和电源频率相同时，交流电流是与电源电压同频率的正 弦波，这样就可以使各相电流i 。、i b 和i c 为正弦波且和电压相位相同，从而使功率 因数单位化。当电路工作在整流状态时下，能量从电网侧流向直流侧的负载；当 电路工作在再生状态时，类似于三相p w m 电压型逆变器，可以将直流侧的能量回 馈到交流电网。 图2 - 5 三相全桥p w m 整流器主电路 如果能将地铁牵引供电整流机组完全用p w m 整流器组建，供电质量将得到很 大提高，但这样做会增加整个供电系统的成本，同时大量使用功率开关器件会带 来不可忽略的开关损耗，而地铁运行的特点决定了其制动功率一般不会超过牵引 功率，因此并没有必要将现有供电系统中整流装备完全替换成单位功率变换器， 图2 6 所示是新型供电系统的基本拓扑结构。 1 0k v 电网 ，y 、 _ t l i1 1 ezu d _ 一 1 l宁 、 ，v m7 断幂 一 么s 7 l 】l m u m t a o 们一 - j 冉 ， 曲 卜j 甲 f ，苫 6i 充电电m 黑 、矿、( ， 一钶一 j 咯 上 1 占i 甲 p w m 整流模块 危6 蛆 图2 - 6 新型供电系统基本拓扑结构 图中所示上部分是目前已经成熟运用于轨道交通直流供电系统的二极管不控 整流模块，下半部分是在原本供电系统基础上并联加入的新型供电模块，构成新 型供电系统。 在这个供电结构中，变压器2 的输出电压需低于变压器l ，对新型供电模块来 说，一共有三种工况： 1 在低负载工况下，p w m 整流器模块并不工作，这样由于不控整流模块的 整流输出电压将高于p w m 整流模块，故p w m 整流模块中所有并联续流二极管处 于截止状态，不承担功率输出任务； 2 在重载工况下，不控整流模块由于输出功率增大，输出直流电压将下降， 1 4 当直流电压降低到设定电压时，p w m 整流器将启动整流功能，向牵引供电系统输 出功率，确保直流电压的恒定； 3 在逆变工况下，地铁车辆制动能量将反送到直流母线上，因此直流母线电 压会不断上升，目前的做法是通过二极管整流器后面的斩波制动器将这部分能量 消耗，维持电压在相应范围内，在并入p w m 整流器后，若母线电压上升到设定电 压值时，p w m 整流器将启动逆变功能，将机车的制动功率反送到交流侧，实现能 量回馈，维持直流电压稳定。 需要注意的是，触发整流工况和逆变工况的电压值必须根据实际情况确定，并 且有一定的滞带，否则在直流电压上下小幅度波动时有可能使p w m 整流器频繁启 动停止，造成系统可靠性降低，图2 7 是p w m 整流器工作状态切换示意图。 t 6 t g _ z ；g 餐茹：整漉工况：待机工况上上巩。 图2 7p w m 整流器工作状态切换示意图 过压停机电压 逆变工况触发电压 逆变t 况停止电压 整流工况停止电压 整流工况启动电压 欠压停机电压 如图所示，当母线电压在整流工况和逆变工况触发电压中间时，p w m 整流器 处于待机工况，不向母线输出电流，处于待机工况。 当母线电压不断上升，达到逆变工况触发电压时，p w m 整流器进入逆变工况， 控制母线电压，使之逐渐下降，逆变工况停止电压必须低于触发电压一定数值， 保证在p w m 整流器退出工作时母线不至于立即再次上升，造成p w m 整流器重新 启动，在触发电压周围发生振荡。 当供电负荷加大，将母线电压拖低到整流工况触发线时，p w m 整流器将进入 整流工况，向母线输出电流，恢复直流电压。同样，为防止振荡，整流工况的触 发电压和停止电压也要有一定差距。 可以看到，在牵引供电系统中引入这种新型设备，可以很好的解决现行整流 装置存在的问题，这种装置必然在未来的牵引供电系统中扮演不可替代的角色。 1 5 2 4 本章小结 本章从总体上研究了直流供电系统的特性，从现有成熟的二极管整流系统出 发，总结了二极管整流直流供电系统设计基本要求，吸取了适用于新型直流供电 系统的部分。同时比较了新型供电系统与二极管整流供电系统的异同，并提出了 新型供电系统的基本设计原则。给出了新型供电系统的基本运行方式，明确了新 型供电系统相对于二极管整流系统需要特别注意以及改进的内容。 1 6 3 牵引变电所的主要电气设备及其设计 变电所内的设备按其电路性质可分为一次设备和二次设备两大部分。一次设 备作为牵引功率的主要流经途径，属于高压大电流大功率类设备。二次设备主要 包括一些控制、通信和测量器件，属弱电设备f l l 】。 一次设备按其在一次电路中的功能又可细分为以下几种类型： 1 变换设备：用于变换电能电压或电流的设备。包括电力变压器、整流柜、 电压互感器、电流互感器等等； 2 控制设备：用以控制整流器工作、电路通断等系统工作所用设备； 3 保护设备：用于保护电路出现过电流或过电压等故障的设备。如高低压熔 断器和避雷器等； ， 4 滤波设备：用于减少电路谐波，提高系统功率因数的设备。如交、直流滤 波电容，交流电抗等等。 5 成套设备：按一定的线路方案将有关一次、二次设备组合而成的设备。如 高压开关柜，低压配电屏。 论文主要针对新型变电所中的各种高压电器( 一次设备) 及开关设备进行研究， 主要包括： 1 变压器：变压器是变电所最主要的设备之一，其作用是将来自电网的l o k v 电源降低到整流器要求的电压范围。 2 高压断路器：断路器又叫高压开关，是变电所的重要设备之一。断路器不 仅可以切断与闭合高压电路的空载电流和负载电流，而且，当系统发生故障时， 它与保护装置、自动装置相配合，可以迅速的切断故障电流，以减少停电范围， 防止事故扩大，保证系统的安全运行。 3 整流柜：整流柜是变电所最核心的装置，承载着将三相交流电源变换成恒 定直流电源的任务，新型直流供电系统还兼具逆变功能。 4 避雷装置：避雷装置也称为防雷装置，其作用是防止电气设备的雷电过电 压，一个完整的防雷设备一般由接闪器、避雷器、引下线和接地装置等三个部分 组成。 5 载流导体：主要包括母排、电缆等。按设计要求，用导体将有关电气设备 连接起来，构成各种电气界限，完成相应功能。 以下对变电所内各部分设备的基本设计方法进行阐述。 1 7 3 1牵引整流变压器 3 1 1树脂浇注式干式变压器 变压器按其绝缘和冷却方式分有油浸式、干式和充气式三种。油浸式变压器 的铁芯和线圈都浸在盛满变压器油的油箱中，用油绝缘；冷却方式有自冷、强迫 风冷、水冷或强迫油循环冷却等形式；干式变压器的铁芯和线圈利用空气绝缘和 冷却：充气式变压器的器身放在一密封的铁箱内，箱内充以特种气体，箱内的气 体通过热交换冷却。 城市轨道交通电力牵引变电所一般都设于市区人口密度大、设施重要的地方， 所以会产生油箱爆炸、起火等隐患，而干式变压器具有无油化特点，对于一定电 压等级和一定容量的变压器，特别是地下变电所等安全防护等级要求较高的场合， 千式变压器得到了越来越广泛的应用，所以整流变压器多采用三相干式变压器， 放置在隔开的有