利用并联供电特点增加城轨交通整流脉波数的探讨

龚学长

（中国铁路成都局集团有限公司 成都供电段，成都 610051）

在城市地铁与轨道交通中，为了减少整流电源中谐波电流对电力系统的影响，地铁采用24 脉波、1 500 V，城市轨道交通采用12 脉波、750 V 整流方式。

1 各脉波整流设备的特点

1.1 电力系统对注入谐波电流的规定

根据GB/T 14549—93 标准［1］，公共电网连接点的谐波电流分量不应超过表1 规定的允许值。各用户向电网注入的谐波电流按式（1）分配：

表1 注入公共电网谐波电流分量允许值

式中：Si为用户的协议容量；S2为供电设备容量；a为叠加系数。

1.2 常用脉波整流设备的特点

常 用 整 流 器 原 理 如 图1 所 示［2］。12 脉 波 整 流如图1（a）所示，利用变压器次边星形和三角形绕组的2 组6 脉波整流器并联，组成12 脉波整流。24脉波整流是在12 脉波整流器的基础上，利用变压器原边三角形绕组的外延绕组，一台移相+7.5°，另一台移相-7.5°，将2 组12 脉波整流器的直流并联，组 成24 脉 波 整 流，如 图1（b）所 示。48 脉波整流由4 组12 脉波整流器组成，每组移相为+3.75°、-3.75°、+11.25°、-11.25°，如 图1（c）所示。

图1 常用整流器原理图

各脉波整流电源侧的交流电流波形如图2 所示。图2 中24 脉波整流的交流电流还有明显的阶梯状，48 脉波整流就是正弦波了。

图2 整流器交流电流波形

各脉波整流器的交流输入电流谐波含量见表2。

目前我国城市轨道交通采用交流10 kV 进线、12 脉波、750 V 整流方式［3］。城市地铁采用110 kV进线，经降压至35 kV 后输送给各整流站，整流方式为24 脉波、1 500 V。

从表2 看出：虽然城市有轨交通12 脉波整流的谐波含量基本满足表1 中的规定。由于牵引负荷的变化率很大，在重负荷时要超过电力系统规定的谐波电流分配允许值。地铁24 脉波整流的23、25 次谐波含量已经超过表1 中110 kV 的标准。因此在城市轨道和地铁交通中采用24 和48 脉波整流很有必要。

表2 整流器交流侧电流谐波含量

2 12、24 脉波整流变24、48 脉波整流

按照常规设计方案，将城市轨道交通中的12、24 脉波整流改进为24、48 脉波整流，各整流站的设备数量要成倍增加，如图1 所示。这样不仅使整流设备接线复杂，而且大大增加了设备的投资成本和运行检修维护工作量。

在不增加设备数量和不改变整流站主接线方式的情况下，利用城市轨道交通中牵引网并联供电的特点和自身阻抗的滤波作用，将现有的整流设备略加改进，使每个整流站仍然如图1 中的12、24 脉波整流，但在电力系统交接口和牵引网直流系统中，达到24、48 脉波整流效果。

图1（b）中，将24 脉波整流中的2 个12 脉波整流器，分别安装在图3 牵引网中的B1 和B2 这2个整流站中。B2 站整流站移相+7.5°，B1 站移相-7.5°。经过接触网和钢轨将2 个相差15°的12脉波整流器并联在一起，正好是图1（c）中的24 脉波整流器。对每一个整流站来说，仍然是12 脉波整流器，但是对10 kV 进线电源和直流输出来说，就是一个标准的24 脉波整流器。

图3 城市有轨交通示意图

因此在城市有轨交通中，将各整流站的12 脉波整流器中变压器的移相角按图4 设计，即相邻整流站的变压器相位差15°，使相邻2 整流站相互组成24 脉波整流，这样在供电系统交接处和牵引网直流系统中，就达到24 脉波整流效果。

图4 有轨交通12 变24 脉波整流示意图

同样在地铁24 脉波整流中，各整流站的变压器 按+11.25° 、-3.75° ；-11.25° 、+3.75° ；+11.25°、-3.75°；-11.25°、+3.75°；……设计，使相邻两站24 脉波整流相位差7.5°，并相互组成48 脉波整流，在供电系统和牵引网直流中，达到48 脉波整流效果，如图5 所示。

图5 地铁24 变48 脉波整流示意图

3 仿真模拟试验

为了验证该方案的可行性，用计算机进行了如下的仿真模拟试验。

3.1 城市有轨交通12 脉波整流改进为24 脉波整流

仿真参数见表3［4］。

表3 12 脉波改24 脉波仿真参数

按图6 所示的负荷分布，用Protel99se 软件进行计算机仿真试验［5］，图中电阻和电感是牵引网的等效参数。各负荷取流及车辆电压见表4。

表4 负荷电流

图6 12 变24 脉波整流仿真示意图

经计算机仿真运行，得到10 kV 进线电流i1如图7（a）所示，为24 脉波整流波形。各整流站进线电流i2～i5波形如图7（b）所示，为12 脉波整流波形。虽然各整流站的进线电流仍是12 脉波整流波形，但是10 kV 进线电流就是标准的24 脉波整流波形了。

图7 交流电流波形

3.2 城市地铁24 脉波整流改进为48 脉波整流

仿真参数见表5。

表5 24 脉波改48 脉波仿真参数

仿真电路如图8 所示。当I1～I5负荷按重、轻、重、轻、重分布，仿真电流见表6，降压变电所35 kV侧电流波形如图9 所示，是很好的48 脉波整流波形。

图9 35 kV 电源电流波形

表6 负荷电流

图8 12 变24 脉波整流仿真示意图

4 牵引网自身电感在12、24 脉波整流变24、48 脉波整流中的滤波作用

牵引网自身的电感在12、24 脉波整流改进为24、48 脉波整流后，起到良好的滤波作用。

图6 中当I3号电流对应的车辆正好运行至区间中部，牵引网两边电流基本相等时，由于两边整流站相位相差15°，在牵引网中要产生脉动电流。

如果两边牵引网的电感为0，仿真运行结果如图10 所示，图中的r5011［i］、r5007［i］、r6003［i］分别为图6 中I3右、左两侧牵引网中电流和I3车辆电流。

从图10（a）中看出，当两边牵引网电流为335 A 时，脉动电流的峰值为420 A，谷值为250 A，峰谷差为170 A，12 脉波，两边脉动电流相位差15°。合成电流I3为24 脉波整流电流，有效值670 A，脉动电流为5 A（图10（b）所示）。

图10 24 脉波整流器中各12 脉波电流波形

这与图1（b）中24 脉波整流的电流波形相同。因此如果牵引网没有自身电感，牵引网中的脉动电流很大。

如图6 每边引入牵引网电感1.3 mh 后，电感对直流分量的感抗为0，对12 脉波的感抗为4.9 Ω。引入牵引网自身电感后的仿真运行电流波形如图11 所示。

图11 中，两边牵引网电流仍为335 A、12 脉波，脉动电流仅9 A，为牵引网中电流的2.7%。电流I3为24 脉波整流电流，有效值670 A，脉动电流为2 A，为牵引电流的0.3%。所以牵引网的自身电感有效地减少了因2 个整流站输出电流相位不同，牵引网中的脉动电流分量。

图11 有牵引网电感时的牵引网中电流

5 结 论

在不增加设备数量和不改变整流站主接线方式的情况下，利用牵引网并联供电的特点和自身电感的滤波作用，改变各整流站的输出相位，将城市有轨交通中的12、24 脉波整流改进为24、48 脉波整流方式有如下优点：

（1）整流站的设备数量（整流变、保护装置、整流器、开关设备等）和主接线与现有的12、24 脉波整流相同。

（2）在基本不增加设备投资的情况下，便将现有的12、24 脉波整流升级至24、48 脉波整流，特别是在新线建设中。

（3）减少了电力系统输入交流电流的谐波含量，满足电力系统对谐波电流的要求。

（4）可以减少原12、24 脉波整流设备中，在降压变电所增加的谐波吸收装置，减少了设备投资和设备的检修维护工作量。

（5）牵引网中的脉动电流和脉动电压更低。

因此利用牵引网并联供电的特点和改变整流站输出相位，将12、24 脉波整流改进为24、48 脉波整流方案有着广阔的前景。