利用并聯(lián)供電特點增加城軌交通整流脈波數(shù)的探討

龔學(xué)長

（中國鐵路成都局集團(tuán)有限公司 成都供電段，成都 610051）

在城市地鐵與軌道交通中，為了減少整流電源中諧波電流對電力系統(tǒng)的影響，地鐵采用24 脈波、1 500 V，城市軌道交通采用12 脈波、750 V 整流方式。

1 各脈波整流設(shè)備的特點

1.1 電力系統(tǒng)對注入諧波電流的規(guī)定

根據(jù)GB/T 14549—93 標(biāo)準(zhǔn)［1］，公共電網(wǎng)連接點的諧波電流分量不應(yīng)超過表1 規(guī)定的允許值。各用戶向電網(wǎng)注入的諧波電流按式（1）分配：

表1 注入公共電網(wǎng)諧波電流分量允許值

式中：Si為用戶的協(xié)議容量；S2為供電設(shè)備容量；a為疊加系數(shù)。

1.2 常用脈波整流設(shè)備的特點

常 用 整 流 器 原 理 如 圖1 所 示［2］。12 脈 波 整 流如圖1（a）所示，利用變壓器次邊星形和三角形繞組的2 組6 脈波整流器并聯(lián)，組成12 脈波整流。24脈波整流是在12 脈波整流器的基礎(chǔ)上，利用變壓器原邊三角形繞組的外延繞組，一臺移相+7.5°，另一臺移相-7.5°，將2 組12 脈波整流器的直流并聯(lián)，組 成24 脈 波 整 流，如 圖1（b）所 示。48 脈波整流由4 組12 脈波整流器組成，每組移相為+3.75°、-3.75°、+11.25°、-11.25°，如 圖1（c）所示。

圖1 常用整流器原理圖

各脈波整流電源側(cè)的交流電流波形如圖2 所示。圖2 中24 脈波整流的交流電流還有明顯的階梯狀，48 脈波整流就是正弦波了。

圖2 整流器交流電流波形

各脈波整流器的交流輸入電流諧波含量見表2。

目前我國城市軌道交通采用交流10 kV 進(jìn)線、12 脈波、750 V 整流方式［3］。城市地鐵采用110 kV進(jìn)線，經(jīng)降壓至35 kV 后輸送給各整流站，整流方式為24 脈波、1 500 V。

從表2 看出：雖然城市有軌交通12 脈波整流的諧波含量基本滿足表1 中的規(guī)定。由于牽引負(fù)荷的變化率很大，在重負(fù)荷時要超過電力系統(tǒng)規(guī)定的諧波電流分配允許值。地鐵24 脈波整流的23、25 次諧波含量已經(jīng)超過表1 中110 kV 的標(biāo)準(zhǔn)。因此在城市軌道和地鐵交通中采用24 和48 脈波整流很有必要。

表2 整流器交流側(cè)電流諧波含量

2 12、24 脈波整流變24、48 脈波整流

按照常規(guī)設(shè)計方案，將城市軌道交通中的12、24 脈波整流改進(jìn)為24、48 脈波整流，各整流站的設(shè)備數(shù)量要成倍增加，如圖1 所示。這樣不僅使整流設(shè)備接線復(fù)雜，而且大大增加了設(shè)備的投資成本和運行檢修維護(hù)工作量。

在不增加設(shè)備數(shù)量和不改變整流站主接線方式的情況下，利用城市軌道交通中牽引網(wǎng)并聯(lián)供電的特點和自身阻抗的濾波作用，將現(xiàn)有的整流設(shè)備略加改進(jìn)，使每個整流站仍然如圖1 中的12、24 脈波整流，但在電力系統(tǒng)交接口和牽引網(wǎng)直流系統(tǒng)中，達(dá)到24、48 脈波整流效果。

圖1（b）中，將24 脈波整流中的2 個12 脈波整流器，分別安裝在圖3 牽引網(wǎng)中的B1 和B2 這2個整流站中。B2 站整流站移相+7.5°，B1 站移相-7.5°。經(jīng)過接觸網(wǎng)和鋼軌將2 個相差15°的12脈波整流器并聯(lián)在一起，正好是圖1（c）中的24 脈波整流器。對每一個整流站來說，仍然是12 脈波整流器，但是對10 kV 進(jìn)線電源和直流輸出來說，就是一個標(biāo)準(zhǔn)的24 脈波整流器。

圖3 城市有軌交通示意圖

因此在城市有軌交通中，將各整流站的12 脈波整流器中變壓器的移相角按圖4 設(shè)計，即相鄰整流站的變壓器相位差15°，使相鄰2 整流站相互組成24 脈波整流，這樣在供電系統(tǒng)交接處和牽引網(wǎng)直流系統(tǒng)中，就達(dá)到24 脈波整流效果。

圖4 有軌交通12 變24 脈波整流示意圖

同樣在地鐵24 脈波整流中，各整流站的變壓器 按+11.25° 、-3.75° ；-11.25° 、+3.75° ；+11.25°、-3.75°；-11.25°、+3.75°；……設(shè)計，使相鄰兩站24 脈波整流相位差7.5°，并相互組成48 脈波整流，在供電系統(tǒng)和牽引網(wǎng)直流中，達(dá)到48 脈波整流效果，如圖5 所示。

圖5 地鐵24 變48 脈波整流示意圖

3 仿真模擬試驗

為了驗證該方案的可行性，用計算機進(jìn)行了如下的仿真模擬試驗。

3.1 城市有軌交通12 脈波整流改進(jìn)為24 脈波整流

仿真參數(shù)見表3［4］。

表3 12 脈波改24 脈波仿真參數(shù)

按圖6 所示的負(fù)荷分布，用Protel99se 軟件進(jìn)行計算機仿真試驗［5］，圖中電阻和電感是牽引網(wǎng)的等效參數(shù)。各負(fù)荷取流及車輛電壓見表4。

表4 負(fù)荷電流

圖6 12 變24 脈波整流仿真示意圖

經(jīng)計算機仿真運行，得到10 kV 進(jìn)線電流i1如圖7（a）所示，為24 脈波整流波形。各整流站進(jìn)線電流i2～i5波形如圖7（b）所示，為12 脈波整流波形。雖然各整流站的進(jìn)線電流仍是12 脈波整流波形，但是10 kV 進(jìn)線電流就是標(biāo)準(zhǔn)的24 脈波整流波形了。

圖7 交流電流波形

3.2 城市地鐵24 脈波整流改進(jìn)為48 脈波整流

仿真參數(shù)見表5。

表5 24 脈波改48 脈波仿真參數(shù)

仿真電路如圖8 所示。當(dāng)I1～I(xiàn)5負(fù)荷按重、輕、重、輕、重分布，仿真電流見表6，降壓變電所35 kV側(cè)電流波形如圖9 所示，是很好的48 脈波整流波形。

圖9 35 kV 電源電流波形

表6 負(fù)荷電流

圖8 12 變24 脈波整流仿真示意圖

4 牽引網(wǎng)自身電感在12、24 脈波整流變24、48 脈波整流中的濾波作用

牽引網(wǎng)自身的電感在12、24 脈波整流改進(jìn)為24、48 脈波整流后，起到良好的濾波作用。

圖6 中當(dāng)I3號電流對應(yīng)的車輛正好運行至區(qū)間中部，牽引網(wǎng)兩邊電流基本相等時，由于兩邊整流站相位相差15°，在牽引網(wǎng)中要產(chǎn)生脈動電流。

如果兩邊牽引網(wǎng)的電感為0，仿真運行結(jié)果如圖10 所示，圖中的r5011［i］、r5007［i］、r6003［i］分別為圖6 中I3右、左兩側(cè)牽引網(wǎng)中電流和I3車輛電流。

從圖10（a）中看出，當(dāng)兩邊牽引網(wǎng)電流為335 A 時，脈動電流的峰值為420 A，谷值為250 A，峰谷差為170 A，12 脈波，兩邊脈動電流相位差15°。合成電流I3為24 脈波整流電流，有效值670 A，脈動電流為5 A（圖10（b）所示）。

圖10 24 脈波整流器中各12 脈波電流波形

這與圖1（b）中24 脈波整流的電流波形相同。因此如果牽引網(wǎng)沒有自身電感，牽引網(wǎng)中的脈動電流很大。

如圖6 每邊引入牽引網(wǎng)電感1.3 mh 后，電感對直流分量的感抗為0，對12 脈波的感抗為4.9 Ω。引入牽引網(wǎng)自身電感后的仿真運行電流波形如圖11 所示。

圖11 中，兩邊牽引網(wǎng)電流仍為335 A、12 脈波，脈動電流僅9 A，為牽引網(wǎng)中電流的2.7%。電流I3為24 脈波整流電流，有效值670 A，脈動電流為2 A，為牽引電流的0.3%。所以牽引網(wǎng)的自身電感有效地減少了因2 個整流站輸出電流相位不同，牽引網(wǎng)中的脈動電流分量。

圖11 有牽引網(wǎng)電感時的牽引網(wǎng)中電流

5 結(jié) 論

在不增加設(shè)備數(shù)量和不改變整流站主接線方式的情況下，利用牽引網(wǎng)并聯(lián)供電的特點和自身電感的濾波作用，改變各整流站的輸出相位，將城市有軌交通中的12、24 脈波整流改進(jìn)為24、48 脈波整流方式有如下優(yōu)點：

（1）整流站的設(shè)備數(shù)量（整流變、保護(hù)裝置、整流器、開關(guān)設(shè)備等）和主接線與現(xiàn)有的12、24 脈波整流相同。

（2）在基本不增加設(shè)備投資的情況下，便將現(xiàn)有的12、24 脈波整流升級至24、48 脈波整流，特別是在新線建設(shè)中。

（3）減少了電力系統(tǒng)輸入交流電流的諧波含量，滿足電力系統(tǒng)對諧波電流的要求。

（4）可以減少原12、24 脈波整流設(shè)備中，在降壓變電所增加的諧波吸收裝置，減少了設(shè)備投資和設(shè)備的檢修維護(hù)工作量。

（5）牽引網(wǎng)中的脈動電流和脈動電壓更低。

因此利用牽引網(wǎng)并聯(lián)供電的特點和改變整流站輸出相位，將12、24 脈波整流改進(jìn)為24、48 脈波整流方案有著廣闊的前景。