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王小斌 李寶恩 賀莉
（西安永電電氣有限責(zé)任公司，陜西 西安 710016）
摘 要：簡(jiǎn)要介紹了城軌供電系統(tǒng)牽引整流器的工作原理，電路結(jié)構(gòu)，敘述了其保護(hù)配置，重點(diǎn)介紹了由BLFK型電流傳感器構(gòu)成的逆流保護(hù)回路。
關(guān)鍵詞 整流器 電流傳感器 逆流保護(hù)
0 前言
整流器是城市軌道供電系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要設(shè)備，它起著向列車提供能源的作用。為了減少對(duì)電網(wǎng)的影響，牽引供電整流器采用24脈波整流方式。
采用24脈波整流方式，不僅能夠減少工程建設(shè)投資成本，而且能夠減少供電系統(tǒng)牽引負(fù)荷產(chǎn)生的諧波，從而減少城軌供電系統(tǒng)對(duì)城市電網(wǎng)的諧波污染，提高供電質(zhì)量。
1 24脈波整流器工作原理
城軌牽引供電系統(tǒng)中，在每座牽引變電所內(nèi)，由整流變壓器和整流器組成整流機(jī)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(gè)6脈波3相整流橋并聯(lián)組成。其中一個(gè)3相整流橋接向整流變壓器的二次側(cè)星形繞組,另一個(gè)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(tái)整流變壓器二次側(cè)星形繞組和三角形繞組相對(duì)應(yīng)的線電壓相位錯(cuò)開(kāi)π/6， 便可以得到兩個(gè)三相橋并聯(lián)組成的12脈波整流電路。圖1 為12脈波整流機(jī)組電氣原理圖。
當(dāng)供給兩臺(tái)12脈波整流器的整流變壓器高壓網(wǎng)側(cè)并聯(lián)的繞組分別采用±7.5°外延三角形聯(lián)接時(shí)，兩套整流機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行構(gòu)成等效24脈波整流。
2 保護(hù)配置
整流器本體設(shè)置的保護(hù)可分為兩類：過(guò)電壓保護(hù)及內(nèi)部短路保護(hù)。 
圖1：12脈波整流機(jī)組電氣原理圖
2.1 過(guò)電壓保護(hù)
過(guò)電壓的類型可概括為：（1）換相過(guò)電壓；（2）交流側(cè)過(guò)電壓；（3）直流側(cè)過(guò)電壓。
2.1.1換相過(guò)電壓保護(hù)
當(dāng)二極管通過(guò)正向電流時(shí)，正電荷及負(fù)電荷的載流子向PN結(jié)方向擴(kuò)散，于是正電荷載流子（空穴）就在P區(qū)與N區(qū)的交界面附近聚積起來(lái)。由于這些載流子的聚積，在二極管正向電流過(guò)零時(shí)，二極管不能立即恢復(fù)反向截止能力。這時(shí)在二極管中出現(xiàn)類似于短路電流的反向電流，逆向電流或快或慢的忽然消失。電流的忽然中斷引起整流電路中的感性負(fù)載產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該電壓疊加于正常反向電壓之上形成換相過(guò)電壓。
為避免換相過(guò)電壓將二極管反向擊穿，一般的解決方法是在每只二極管上并聯(lián)RC電路限制。但是實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)這樣的情況：二極管并聯(lián)RC回路后會(huì)抬高整流器的空載電壓，而且電阻的發(fā)熱量很大。
為使二極管免受換相過(guò)電壓的危害，對(duì)于二極管整流電路，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和理論分析，直流側(cè)并聯(lián)的過(guò)電壓保護(hù)電阻、電容可兼有換相過(guò)電壓保護(hù)的作用，能夠有效抑制殘余的過(guò)電壓，因此可取消并聯(lián)RC。
2.1.2交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)
由于變壓器網(wǎng)側(cè)繞組的漏抗與閥側(cè)繞組的分布電容或抑制電容組成震蕩電路，在接通變壓器網(wǎng)側(cè)繞組時(shí)，會(huì)產(chǎn)生瞬變過(guò)程及由此引起的過(guò)電壓。此外在整流變壓器空載開(kāi)斷時(shí)，其勵(lì)磁感抗釋放的能量將會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓。為此，在交流側(cè)加氧化鋅過(guò)電壓吸收器，可將過(guò)電壓抑制在２倍以下。
2.1.3直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)
直流側(cè)過(guò)電壓包括雷擊過(guò)電壓，直流側(cè)快速開(kāi)關(guān)斷開(kāi)而產(chǎn)生的操作過(guò)電壓，以及來(lái)自地鐵車輛上的過(guò)電壓。直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)措施如下：
(1)在直流電網(wǎng)側(cè)加裝了吸收操作過(guò)電壓的電容Cdc和放電電阻Rdc。
(2)為避免過(guò)高的電壓擊穿元件，在整流器的輸出端加壓敏電阻Rv，以抑制殘余的過(guò)電壓。
(3)直流側(cè)加負(fù)載電阻Rz（有些資料中也稱為“壓倉(cāng)電阻”），以防止過(guò)高的突升空載電壓。
如果整流橋中的某個(gè)二極管失去反向截止能力，會(huì)造成整流器交流側(cè)的相間短路，這種情況即為整流器的內(nèi)部短路，為此整流器設(shè)置了快速熔斷器保護(hù)和逆流保護(hù)。
2.2.1快速熔斷器保護(hù)
如圖1所示，在每個(gè)二極管支路上串聯(lián)一只快速熔斷器，整流橋內(nèi)二極管、快速熔斷器組件的并聯(lián)數(shù)量與整流器的容量有關(guān)。串聯(lián)快速熔斷器的作用是為了分?jǐn)嘁蚰持欢䴓O管擊穿而造成的交流側(cè)短路電流，防止變壓器相間短路。
快速熔斷器的選擇要求：只在與其串聯(lián)的二極管損壞時(shí)才熔斷保護(hù)，整流器的外部短路,快速熔斷器不應(yīng)動(dòng)作熔斷，而由交直流開(kāi)關(guān)分?jǐn)喙收想娏鬟M(jìn)行保護(hù)。
快速熔斷器選擇從以下三個(gè)方面考慮：
1）額定電壓UFU
2）額定電流IFU
3）I2t值核算
2.2.2逆流保護(hù)
對(duì)于內(nèi)部短路故障，整流器還設(shè)置了逆流保護(hù)。
設(shè)置逆流保護(hù)的目的是為了防止快速熔斷器不能熔斷短路電流時(shí)，對(duì)整流器進(jìn)行保護(hù)，提供跳閘信號(hào)給后續(xù)操縱。
3 逆流保護(hù)回路
如果整流器橋臂內(nèi)的某個(gè)二極管反向擊穿，則在這個(gè)二極管支路的熔斷器開(kāi)始熔斷的弧前時(shí)間和燃弧時(shí)間內(nèi)，將有逆向的故障電流流經(jīng)這個(gè)橋臂。在整流器的每個(gè)橋臂設(shè)置一只電流傳感器，用于檢測(cè)此逆向電流。出現(xiàn)逆流時(shí)輸出信號(hào)給保護(hù)電路，該信號(hào)經(jīng)過(guò)判別處理后，輸出跳閘信號(hào)給后續(xù)操作。 
圖2：逆流保護(hù)原理圖
圖2所示為一個(gè)6脈波整流電路的逆流保護(hù)原理圖，在一臺(tái)12脈波整流器內(nèi)，共設(shè)置12只電流傳感器，檢測(cè)整流橋各橋臂的電流。
設(shè)置在整流器橋臂的電流傳感器的選擇需要根據(jù)整流器容量的大小，并且需要考慮出現(xiàn)大電流時(shí)可以正常檢測(cè)，不至于傳感器飽和。以我公司已經(jīng)批量生產(chǎn)的2200kW整流器為例，選用了LEM公司的BLFK2000-S2型電流傳感器。該傳感器使用±15V雙電源供電，可以測(cè)量2000A電流，電流2000A時(shí)輸出4V電壓，響應(yīng)時(shí)間在20μs以內(nèi)，可用于-10 ~ +70℃的工作環(huán)境。BLFK2000-S2是一種應(yīng)用霍爾效應(yīng)的開(kāi)環(huán)電流傳感器，體積小、重量輕、成本較低，采用對(duì)開(kāi)式結(jié)構(gòu)，安裝、更換均十分方便，原邊與副邊之間高度絕緣，傳感器本身的電流消耗僅為25mA，精度基本能滿足保護(hù)電路的使用需求。后續(xù)電路如圖3所示，圖中的REF為保護(hù)設(shè)定值。  圖3： 電流傳感器后續(xù)電路示意圖
選用BLFK2000-S2型電流傳感器構(gòu)成的逆流保護(hù)回路，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）由于電流傳感器副邊輸出的是一個(gè)電壓信號(hào)，因此就使后續(xù)電路變的簡(jiǎn)單。
（2）原邊與副邊之間良好的絕緣性能，使主、輔回路安全隔離。
（3）適應(yīng)-10 ~ +70℃的工作環(huán)境，可滿足城軌供電系統(tǒng)變電所惡劣的使用條件。
（4）對(duì)開(kāi)式結(jié)構(gòu)，方便工作人員在長(zhǎng)期使用中的維護(hù)。
（5）精度高、響應(yīng)時(shí)間短，滿足保護(hù)電路的需求。
除了在逆流保護(hù)回路中使用電流傳感器之外，在整流器直流輸出電壓、直流輸出電流的檢測(cè)中也使用到了LEM的傳感器，正是由于其良好的隔離特性及精度，為盤面表計(jì)提供了準(zhǔn)確的信號(hào)。
4 結(jié)束語(yǔ)
LEM公司是國(guó)際知名的跨國(guó)公司，是電力、電子傳感器方面的先驅(qū)者和發(fā)明者。LEM傳感器被廣泛應(yīng)用于電力電子、機(jī)器人、電梯、醫(yī)療等行業(yè)，相比其他傳感器公司的產(chǎn)品有技術(shù)領(lǐng)先、成本低廉、性能優(yōu)良、種類多樣、可靠性高等優(yōu)勢(shì)。這也是我們?cè)诒痉桨钢羞x擇LEM傳感器的原因。
2005年我公司為廣州地鐵4號(hào)線提供了24脈波牽引整流器，該條線路為國(guó)內(nèi)第一條采用直線電機(jī)的線路。自2005年12月26日通車運(yùn)行以來(lái)，設(shè)置在各橋臂的電流傳感器能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地反映母線電流的狀態(tài)，在安全性、可靠性等方面顯示了優(yōu)越性，發(fā)揮了其應(yīng)有的作用。
參考文獻(xiàn)：
[1] 黃俊. 電力電子變流技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993
[2] 鐵路專用選型手冊(cè) 電量隔離傳感器 北京萊姆電子有限公司，2003年5月
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