論高壓整流二極管在城軌牽引動力系統(tǒng)中的應用

  隨著我國城市軌道交通的大力發(fā)展，對牽引動力的需求越來越大，因此，越來越多的城市開始修建城軌牽引變電所，對牽引變電所整流二極管的了解就成為設計、施工人員的當務之急。由于城軌牽引動力電壓為1500V直流電，而城市電網(wǎng)基本為10kV及以上交流電，需要將城市電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槌擒壒恳齽恿ο到y(tǒng)所需要的直流電，因此在城軌牽引變電所中，整流電路的應用將越來越廣。本文將重點介紹高壓整流二極管在城軌牽引變電所的應用，而在此之前了解常見二極管在整流電路中的應用是非常必要的。通過本文，大家一定會對城軌牽引動力系統(tǒng)中高壓整流二極管有更加深入的了解。
 
  1. 整流二極管工作原理
  整流二極管是一種將交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿陌雽w器件。
  整流二極管通常包含一個PN結(jié)，有陽極和陰極兩個端子。其P區(qū)的載流子是空穴，N區(qū)的載流子是電子，在P區(qū)和N區(qū)間形成一定的位壘。外加使P區(qū)相對N區(qū)為正的電壓時，位壘降低，位壘兩側(cè)附近產(chǎn)生儲存載流子，能通過大電流，具有低的電壓降（典型值為0.7V），稱為正向?qū)顟B(tài)。若加相反的電壓，使位壘增加，可承受高的反向電壓，流過很小的反向電流（稱反向漏電流），稱為反向阻斷狀態(tài)。整流二極管具有明顯的單向?qū)щ娦浴?br />   整流二極管可用半導體鍺或硅等材料制造。硅整流二極管的擊穿電壓高，反向漏電流小，高溫性能良好。通常高壓大功率整流二極管都用高純單晶硅制造。這種器件的結(jié)面積較大，能通過較大電流（可達上千安），但工作頻率不高，一般在幾十千赫以下。
 
  2. 常見整流電路分析
  城市電網(wǎng)提供給城市軌道交通的是交流電，而城軌電客車的牽引動力卻是直流電，這就需要整流裝置進行交直流整流，即把方向和大小交變的電流變換為直流電。下面就簡單介紹利用晶體二極管組成的幾種整流電路。
 
  2.1 半波整流電路

  單相半波整流電路是一種最簡單的整流電路。它由電源變壓器T、整流二極管V和負載電阻RL組成。變壓器把城市電網(wǎng)（多為220V或380V）變換為所需要的交變電壓V2，V再把交流電變換為脈動直流電。其整流原理為：變壓器砍級電壓V2，是一個方向和大小都隨時間變化的正弦波電壓。在0~π時間內(nèi)，V2 為正半周即變壓器上端為正下端為負。此時二極管承受正向電壓面導通，V2通過它加在負載電阻RL上，在π~2π時間內(nèi)，V2為負半周，變壓器次級下端為正，上端為負。這時V承受反向電壓，不導通，RL上無電壓。在2π~3π時間內(nèi)，重復0~π時間的過程，而在3π~4π時間內(nèi)，又重復π~2π時間的過程。這樣反復下去，交流電的負半周就被“削”掉了，只有正半周通過RL，在RL上獲得了一個單一右向（上正下負）的電壓VL，從而達到了整流的目的，這種除去半周、留下半周的整流方法，叫半波整流，其波形圖如圖2所示。不難看出，半波整流是以“犧牲”一半交流為代價而換取整流效果的，電流利用率很低（約 45%左右），因此一般很少使用，但是作為最簡單的整流電路，理解和掌握半波整流電路的原理是具有重要意義的。  
  2.2 全波整流電路(單相橋式整流電路)
  如果把整流電路的結(jié)構(gòu)作一些調(diào)整，可以得到一種能充分利用電能的全波整流電路。
  全波整流電路是由兩個半波整流電路組合成的。變壓器二次線圈中間引出一個抽頭，把二次線圈分成兩個對稱的繞組，從而引出大小相等但極性相反的兩個電壓。如圖3所示，全波整流不僅利用了正半周，而且還巧妙地利用了負半周，從而大大地提高了整流效率（約90%左右，比半波整流時大一倍）。  
  2.3 橋式整流電路
  橋式整流電路是目前使用最多的一種整流電路。這種電路，只要在原有基礎上再增加兩只二極管口連接成“橋”式結(jié)構(gòu)，既具有全波整流電路的優(yōu)點，又在一定程度上克服了它的缺點。
  橋式整流電路的工作原理如下：V2為正半周時，對V1、V3 加正向電壓，V1、V3導通；對V2、V4加反向電壓，V2、V4截止。電路中構(gòu)成V2、V1、RL 、V3通電回路，在RL上形成上正下負的半波整洗電壓。V2為負半周時，對V2、V4加正向電壓，V2、V4 導通；對V1、V3加反向電壓，V1、V3截止。電路中構(gòu)成V2、V2、 RL、V4通電回路，同樣在RL上形成上正下負的另外半波的整流電壓。 如此重復下去，結(jié)果在RL上便得到全波整流電壓。
  注：從圖4中還不難看出，單相全波橋式整流電路其波形圖和全波整流波形圖是一樣的。但是橋式電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級電壓的最大值，比全波整洗電路小一半。   需要特別指出的是，二極管作為整流元件，要根據(jù)不同的整流方式和負載大小加以選擇。如選擇不當，則或者不能安全工作，甚至燒了管子；或者大材小用，造成浪費。另外，在高電壓或大電流的情況下，如果手頭沒有承受高電壓或整定大電濾的整流元件，可以把二極管串聯(lián)或并聯(lián)起來使用。
  二極管并聯(lián)的情況：兩只二極管并聯(lián)、每只分擔電路總電流的一半，三只二極管并聯(lián)，每只分擔電路總電流的三分之一。理論上講：總之，有幾只二極管并聯(lián)，流經(jīng)每只二極管的電流就等于總電流的幾分之一。但是，在實際并聯(lián)運用時，由于各二極管特性不完全一致，不能均分所通過的電流，會使有的管子困負擔過重而燒毀。因此需在每只二極管上串聯(lián)一只阻值相同的小電阻器，使各并聯(lián)二極管流過的電流接近一致。
  注：均流電阻R一般選用零點幾歐至幾十歐的電阻器。電流越大，R應選得越小。
  二極管串聯(lián)的情況：理想上講，有幾只管子串聯(lián)，每只管子承受的反向電壓就應等于總電壓的幾分之一。但是，在實際并聯(lián)運用時，由于每只二極管的反向電阻不盡相同，會造成電壓分配不均：內(nèi)阻大的二極管，有可能由于電壓過高而被擊穿，并由此引起連鎖反應，逐個把二極管擊穿。在二極管上并聯(lián)的電阻R，可以使電壓分配均勻。
 
  3. 城軌變電所整流二極管的運用
  目前國內(nèi)大多數(shù)地鐵牽引供電系統(tǒng)的整流電源，都是將牽引變電所內(nèi)整流變壓器輸出的AC1180V交流電轉(zhuǎn)換成DC1500V直流電向接觸網(wǎng)供電。每座牽引變電所內(nèi)，由整流變壓器和整流器組成整流機組。24脈波整流電路由兩組12脈波整流電路構(gòu)成，12脈波整流由兩個6脈波3相整流橋并聯(lián)組成。其中一個3相整流橋接向整流變壓器的二次側(cè)星形繞組，另一個3相整流橋接向整流變壓器的二次側(cè)三角形繞組。由于每臺整流變壓器二次側(cè)星形繞組和三角形繞組相對應的線電壓相位錯開π/6，便可以得到兩個三相橋并聯(lián)組成的12脈波整流電路。  
  3.1 地鐵整流器二極管技術特點
  1）空載電壓：1.652V。
  2）最高直流電壓：1800V。
  3）額定電流、額定功率、連續(xù)額定功率損耗見下：
  額定功率：1800kW。
  額定電流：1 200A。
  連續(xù)額定功率損耗≤5kW。
  4）二極管型式：防塵型平板式。
  整流器提供的二極管反向重復峰值電壓：≥4.4kV，二極管正向平均額定電流2360A，平板式。
  5）最大重復峰值反向電壓≥4400V。
  6）每臂并聯(lián)二極管數(shù)：2個。
  7）冗余度：滿足一個二極管損壞時，能以100%額定負荷繼續(xù)運行，同時報警。
  8）冷卻方式：自然冷卻。
  9）防護等級：IP20。
  10）保護措施：
  （1）內(nèi)部短路：900A/1250V快速熔斷器。
  （2）外部短路：中壓斷路器。
  （3）過電壓：交流側(cè)：RC回路。
  直流側(cè)：壓敏電阻、RC回路，回路熔斷器采用進口元件。
  過電壓保護主要采用RC吸收回路和壓敏電阻保護。RC吸收回路，其連接型式為星型。壓敏電阻、回路熔斷器采用進口器件。
  11）信號：整流器提供7個信號，快速熔斷器一只熔斷報警，快速熔斷器同臂二只熔斷跳閘，壓敏電阻熔斷器熔斷跳閘，整流管散熱器溫度140℃報警，整流管散熱器溫度150℃跳閘，導電排溫度80℃報警，導電排溫度90℃跳閘，以上信號除了在面板上的光信號指示外，同時各提供一付無源觸點至端子。
  信號在柜面的顯示方式采用7個黃色發(fā)光二極管指示燈分別顯示7個故障信號。
  12）輔助電源：DC220V/2，照明采用AC220V/2A。
  13）整流器結(jié)構(gòu)：柜體采用冷軋鋼板，厚度不低于2mm，柜體表面采用噴塑處理，結(jié)構(gòu)件采用鍍鋅處理。
  柜體絕緣安裝，絕緣墊厚度5mm。
 
  3.2 地鐵整流技術
  1）整流電路設置。目前，在建和已建地鐵的每座牽引變電所都設兩套整流設備(也稱為整流機組)。由于地鐵的直流牽引電壓比較高(北京、武漢部分采用750V電壓，其它城市均采用1500V電壓)，所以整流設備幾乎都是采用橋式整流電路。為了減少地鐵諧波電流對城市電網(wǎng)的污染，除北京部分地鐵線路采用三相橋式六脈波整流電路外，其余新建的地鐵線路都采用三相橋式并聯(lián)的十二脈波整流電路(簡稱雙橋并聯(lián)整流電路)。采用兩臺閥側(cè)電壓相位差30°的雙繞組整流變壓器牽引變壓器與兩臺三相橋式整流器構(gòu)成的等效十二脈波整流電路，用一臺三繞組或四象限整流變壓器，閥側(cè)電壓相位差同樣為30°，與一臺雙三相橋式整流器構(gòu)成一套十二脈波整流機組。兩套十二脈波整流機組并聯(lián)工作并不會改變整流脈波數(shù)，只有當兩套機組的整流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組分別移相+7.5°，-7.5°并聯(lián)工作時，才形成等效二十四脈波整流。
  2）整流電路的特點。
  （1）對于各種整流電路，其二次繞組容量、一次繞組容量、網(wǎng)側(cè)額定容量三者之間不盡相等，這是由于一次和二次繞組往往導電時間不等、電流波形不同、繞組利用率不一致所致。
  （2）各種整流電路的變頻變壓器磁勢不一定平衡。
  3）六脈波三相橋式整流電路的特點。六脈波三相橋式整流電路是構(gòu)成十二脈波整流電路的基礎。其特點如下：
  （1）容量。對于各種單一的三相橋式整流電路(如Y/y、Y/d、D/y、D/d)，其閥側(cè)繞組容量、網(wǎng)次繞組容量、網(wǎng)側(cè)額定容量三者均相等。
  （2）磁勢。對于上述四種形式的整流電路，只要一次或二次有一個D(d)接繞組，則三次諧波就構(gòu)成通路，從而消除激磁磁勢不平衡現(xiàn)象，所以，工程上優(yōu)先采用有D(d)接線形式，以利于磁勢平衡。
  4）單機組十二脈波整流電路
  （1）單機組十二脈波整流電路的特點。
  ①脈波數(shù)不受運行機組的影響，對五次及七次諧波的抑制較好。
  ②兩閥側(cè)繞組間存在符合分配不均問題。
  如果y接、d接的閥側(cè)繞組匝數(shù)比偏離1/3較大，則理想直流空載電壓不等，因而負荷分配不可能平均。
  （2）整流變壓器接線組別。
  多種整流變壓器接線組別都能滿足十二脈波整流功能要求。目前，常用的四繞組整流變壓器有：Dd0/Dy5，Dd0/Dy7， Dd2/Dy1。滿足等效二十四脈波整流要求的兩臺整流變壓器組(上海在建和已建地鐵線路上均有采用)有兩種組別組合，組別：-7.5°Dy5/Dd0，+7.5°Dy5/Dd0。兩臺變壓器的組別雖是一樣，但為了滿足±7.5°的移相要求，它們內(nèi)部的接線不完全一樣，因此存在兩個缺點：
  ①不能因改變外部接線來滿足互換要求；
  ②兩臺變壓器網(wǎng)側(cè)三相接線端子相序不一致。
  針對上述缺點，目前，國內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品克服了上述缺點，其組別為-7.5°Dy5/Dd0，+7.5°Dy7/Dd2。
  5）地鐵牽引整流機組的并聯(lián)運行。對于單機組十二脈波整流方式，牽引變電所中的兩套牽引整流機組并聯(lián)后一起向牽引網(wǎng)供電，總負載電流應在機組間合理平均分配。對于雙機組等效十二脈波整流方式，是由變電所中兩套相位差30°的單機組并聯(lián)后，構(gòu)成等效十二脈波整流系統(tǒng)，向牽引網(wǎng)供電。除要求負載在每個機組間合理分配外，還要求限制機組間均衡電流到適當程度。對于沒有直流電壓調(diào)節(jié)措施的機組，在條件相似即在同一地點并聯(lián)運行及由同一交流電源供電的情況下，當其在90%的額定負載時，每臺機組的直流電流與它應分配的負載電流的差別不應大于10%。
  如無特別需要，并聯(lián)運行的整流機組，其交流側(cè)不應由兩個電源分別同時供電；如有必需，則對兩個交流電源的供電特性，如電壓水平、周波等應有嚴格要求，而且應該注意當其中一個電源故障時，由另一個電源供電的另一套機組發(fā)生嚴重過載的可能性，保證其滿足標準IEC146的有關要求。
 
  4. 結(jié)論
  通過以上分析，筆者認為橋式整流在整流電路中的應用最為廣泛，應有充分的發(fā)展空間，可廣泛運用于城軌牽引動力系統(tǒng)。而在城軌牽引變電所中，采用兩臺整流變壓器并聯(lián)運行的方式，一旦一條支路出現(xiàn)故障，可快速切換到另一條支路進行不間斷供電，這使得供電的安全、可靠性得到了極大的提高。
  另外，在高壓整流二極管的選擇上，采用單相十二脈波、兩相二十四脈波的方式最為合適，這種方式的波形更平穩(wěn)，相位差的把握上也更容易實現(xiàn)，整流后的直流電壓波動更小，能有效減少諧波電流，可以保證城軌牽引動力系統(tǒng)高質(zhì)量、高穩(wěn)定運行。
  目前我國城市軌道交通發(fā)展迅速，其中的供電系統(tǒng)技術已經(jīng)較為成熟，且形成了一定的體系，要對其進行改變是有相當難度的。但是，隨著現(xiàn)在科學技術特別是二極管技術的發(fā)展，地鐵整流裝置的更新?lián)Q代是必然的。我們要不斷了解并掌握新的整流技術，并應用于城軌牽引動力系統(tǒng)中，這對城市軌道交通的運營、檢修和事故處理都有著重要的意義。



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