地铁直流牵引供电12脉波整流机组运行分析及改造

王晓博 赵 垒

(西安市地下铁道有限责任公司运营分公司，710016，西安∥第一作者，工程师)

地铁牵引供电系统主要采用直流供电方式。早期部分地铁线路采用了12 脉波整流方式。为了降低整流机组一次侧交流线电压波形畸变对电网的干扰，减小直流输出电压的纹波系数，在12 脉波的基础上开发了24 脉波整流技术。该技术有效地提高了供电质量并得到广泛应用。

目前，24 脉波整流是由2 台整流机组并联工作实现的。其存在的问题是:当其中1 台整流器机组出现逆流保护、熔断器熔断等故障时会联跳另外1台整流机组，进而导致一个变电所退出牵引供电。这种情况将直接导致接触网失压，电客车无法运行，对车辆段、停车场等此类接触网单边供电区域的影响也较严重。西安地铁2号线渭河车辆段发生过这种故障，导致车辆段接触网全部失压。故障发生后，根据设计运行方案采取正线支援供电，经过近30 min，渭河车辆段接触网才恢复供电。此类故障不仅对车辆段行车造成很大影响，同时支援供电过程中会直接影响到正线的行车组织，影响范围可扩大至故障范围外。为此，有必要对12 脉波牵引供电的地铁单台整流机组运行进行研究。

1 12脉波与24脉波整流原理

图1 为24 脉波整流机组的基本结构。在图1中，24 脉波整流机组包含2 台变压器(T1 和T2)，均为双低压输出变压器。每台整流机组T1 和D1，T2和D2 单独工作时均可输出12 脉波的直流电源，组成各自独立的12 脉波整流系统。为了实现24 脉波整流，在高压侧采用延边三角形移相方法，T1 和T2的基本联接组别是在Dd0y11 基础上，分别移相+7.5°和-7.5°，实现 T1 和 T2 输出低压移相 15°。T1 和 D1，T2 和 D2 并联工作时，合成输出 24 脉波的直流电源。

12 脉波整流是在24 脉波整流基础上减少一套整流机组实现的运行模式。西安地铁牵引供电采用24 脉波供电。下文对12 脉波下电客车运行的可行性进行论证。

2 12脉波与24脉波整流机组运行测试

通过对12 脉波与24 脉波运行参数对比，研究确保12 脉波下可满足供电设备及电客车运行的要求。本文以西安地铁2号线渭河车辆段2 000 kW整流机组为样本，进行了12 脉波和24 脉波的单体设备运行测试。由于12 脉波运行为一种应急运行模式，整流机组测试项目重点针对影响电客车运行的参数，包括额定电压负载测试、直流电压的纹波因数、功率效率等。

2.1 额定电压负载测试

表1 为12 脉波与24 脉波整流机组额定电压负载测试数据。

表1 12 脉波与24 脉波整流机组额定电压负载测试数据

表1 测试数据表明:12 脉波下，负载由93.96 kW 升至 650.68 kW 时，直流电压由 1 605.8 V 降至了1 521.0 V，压降84.8 V，下降率 5.28%;24 脉波下负载由 93.96 kW 升至 650.69 kW 时，直流电压由1 619.6 V 降至了 1 562.1 V，压降 57.5 V，下降率3.55%。同负荷下，12 脉波相较于24 脉波额定输出电压降低41.1 V，电压下降率高出了1.73%，直流电压下降率较高，因此需重点监测12 脉波下的压降问题。

12 脉波牵引供电方式下输入功率与电压基本呈线性比例关系。此次测试的最高负荷为650.68 kV，为额定功率2 000 kW 的32.5%，按照电压线性比例下降来看其满载2 000 kW 时最低电压为1 345 V;整流机组允许在额定功率150%负荷下运行2 h，当处于3 000 kW 负荷时最低电压约为1 163 V，因此在满负荷和极限负荷情况下，直流输出电压均能够满足电客车运行所要求的1 000～1 800 V 电压值。

2.2 直流电压纹波因数测试

表2 为12 脉波与24 脉波整流机组直流电压纹波因数测试数据。

表2 12 脉波与24 脉波整流机组直流电压纹波因数测试数据

直流牵引电源是通过三相交流电源经整流得到，其直流电压会产生纹波的脉动。由表2 的测试数据可知，12 脉波整流机组比24 脉波的直流输出电源波动更大。12 脉波相较于24 脉波纹波因数高出0.9%，达到了3%。12 脉波空载输出电压按1 650 V 设计值计算，其最高波动电压不超过1 699.5 V;满载电压1 345 V，最低波动电压不低于1 304.6 V，因此输出电压可满足电客车运行电压1 000～1 800 V 的要求。

3 12脉波整流机组与电客车运行测试

设备基本运行情况的测试数据表明，12 脉波整流机组单体运行参数可满足电客车需求。在此基础上，进一步测试12 脉波整流机组与电客车的联调情况，实现与电客车的联动，检验实际运行工况。联调测试在西安地铁2号线渭河车辆段试车线进行。12脉波整流机组额定功率为2 000 kW，电客车共进行5 次启停，测试过程中电客车以电机最大输出功率启动以检验极限工况，测试整流机组输出的直流电压、电流和功率。表3 为12 脉波和24 脉波整流机组与电客车联调测试数据。

表3 12 脉波和24 脉波整流机组与电客车联调测试数据

表3 中的测试数据显示，在电客车全速起动、整流机组输出功率最高时，12 脉波整流机组最低接触网电压未低于1 400 V，可以保证电客车对网压的要求。但存在的问题是，满负荷情况下整流机组输出功率超过了其额定功率2 000 kW，这对整流机组是一个考验。基于整流机组的设计原则，要求在150%额定功率下，可稳定运行2 h，测试中最高功率为2 668.18 kW 为额定功率的133%。通过查看电客车运行参数发现，这种大负荷运行工况，时间均不会超过1 min，而在30 min 的测试中整流变压器和整流器温度显示未上升，这表明整流机组可以满足负荷需求。在日常电客车出/入场过程中不会出现全速启动、最大负荷取流的情况，因此，12 脉波整流机组与电客车的联调运行测试证明了单台整流机组供电可满足运营要求。

4 整流机组联跳功能改造方案研究

联跳功能改造，是对两台整流机组故障下相互联跳35 kV 开关，导致接触网整体失电这一情况进行的功能改进，以实现一台整流机组出现故障不联跳另外一台整流机组，而使接触网转为12 脉波直流供电，避免接触网整体失电影响运营。西安地铁2号线整流器和35 kV 中压开关柜分别选用永济电机和西门子的产品，针对实际设备首先对联跳功能改造后对设备的影响进行分析。

4.1 联跳功能改造对整流机组内部保护功能的影响

根据整流器原理，其联跳功能启动条件为整流器逆流、熔断器熔断、整流器超温3 类故障。当单台整流器发生内部故障，另外一台整流器继续运行时，会继续向故障整流器输出直流电压，下面对故障影响逐一进行分析:

(1)逆流故障为二极管被反向击穿，本台整流器无法正常整流。当1 个二极管被击穿时，另一台整流器直流电源反送至变压器，由于是直流故不会对变压器造成影响;当不同桥臂2 个二极管被击穿时，可能会导致正负极短路，另一台整流机组会自行保护跳闸减轻危害。

(2)熔断器熔断和超温故障是在为保护误动或本体过负荷的情况下发生的。如果出现过负荷情况，另外一台整流机组会根据自身设置实现保护。

因此，对整流机组内部故障而言，联跳功能改造不会造成设备损害的扩大化，均可通过自身内部装置实现保护。

4.2 联跳功能改造对整流机组外部联跳功能的影响

整流机组除了整流器内部联跳功能外，还具备外部故障联跳功能，包括直流开关柜框架保护联跳和直流开关柜进线逆流保护联跳。当外部故障发生时必须将两台整流机组全部切除才能保证下级设备的安全，因此联跳功能改造不能影响外部联跳功能。

图2 为西门子35 kV 开关柜故障跳闸回路。通过图2 可知，整流器外部保护信号是通过直流开关柜的端子柜发出的，343、344 保护动作节点与整流器联跳回路341、342 没有关联，因此，联跳功能改造后对直流开关、对整流器的联跳功能无影响。

图2 西门子35 kV 开关柜故障跳闸回路

4.3 整流机组联跳功能改造方案

西安地铁2号线整流器联跳信号采用外部硬线接入，通过中间继电器K25(见图2)将信号输入西门子7SJ632 保护装置，由该保护装置发出跳闸信号使断路器跳闸。

联跳功能改造方案:可以断开中间继电器K25的13-14 辅助节点，也可断开35 kV 开关柜内的349 节点，还可以断开35 kV 开关柜外部扩展接线中整流器的硬接线。通过对比分析，最终采用了断开35 kV 开关柜349 接点的方案，首先故障信号不会发至K25 继电器，避免了该继电器的动作;其次35 kV 开关柜内接点为插拔式，如果需恢复设备可以在不停电的情况下重新插头重新即可，简便快捷。

5 结语

通过对12 脉波整流机组运行原理、实测参数多方面的分析测试，充分验证了12 脉波整流机组运行方案的可行性。在论证了可行性的基础上实施联跳功能的改造，有效提高了整流机组供电的可靠性，对车辆段、停车场等此类接触网单边供电区域有重要意义，能有效防止因整流器故障联跳导致的接触网失压进而造成中断行车的事故;对牵引供电系统而言则实现了另外一种应急供电模式，增强了供电系统的灵活性。研究人员通过对西安地铁2号线渭河车辆段牵引变电所整流机组联跳功能的成功改造与运营检验，为后续线路及轨道交通系统同类设备功能的改造提供了理论基础和实践经验。

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