1、第三章第三章 牵引供变电电气主设备牵引供变电电气主设备原理原理第四节第四节 基于两套整流机组四组三相整流基于两套整流机组四组三相整流桥并联构成的等效桥并联构成的等效2424脉波整流电路脉波整流电路 轨道交通牵引供变电技术第四节第四节 基于两套整流机组四组三相整流桥基于两套整流机组四组三相整流桥并联构成的等效并联构成的等效2424脉波整流电路脉波整流电路 由电工基本知识可知，经整流机组整直电流的波纹系数愈小，愈接近直流，则其谐波总含量愈小，功率因数愈高，运营愈经济合理，并有利于提高电能质量。要达到这一目标，最简单的方法是增大整流电路每工频周期的导电相数。近年来轨道交通中广泛采用由两套12脉波整流
2、机组构成的等效24脉波整流电路，从而可在一个工频周期的时间内形成24脉波整流的效果。 轨道交通牵引供变电技术一、等效24脉波整流电路构成原理 等效24脉波整流电路的构成原理接线图如图3.33所示。它由两套相同等容量的12脉波整流机组构成，其中各设有每台具有原边分别产生移相（ 电角度）和 （7.5电角度）作用的轴向分裂式三相四绕组整流变压器T1和T2，其接线组别分别为D、D； 、 和D、D； 、 。它们的二次绕组（d、y绕组）输出分别连接至两组三相整流桥，各组成一套12脉波整流电路，如图3.33中的RCT2与RCT1和RCT4与RCT3。 轨道交通牵引供变电技术247.5240d11y2d1y
3、轨道交通牵引供变电技术图3.33 等效24脉波整流电路原理接线图 每套整流电路两组三相整流桥的直流输出正、负极，相应并联连接到直流牵引变电所的同名（、极）母线上。正常运行情况下，等效整流电路两台整流变压器阀侧同名端线电压的相位差为 （15电角度），如图3.34所示，考虑各整流桥整流臂电压的反相（180）导电后，可保证在一个工频周期内产生24脉波整流电压。 轨道交通牵引供变电技术/12 轨道交通牵引供变电技术图3.34 24脉波整流电路阀侧线电压相量图注： 反相（ ）电压u 180 由于采用了轴向双分裂结构的整流变压器，归算到阀侧（二次侧）绕组的每相漏抗和分裂电抗较大，可取代平衡电抗器的作用，故
4、接线图中不设平衡电抗器。整流变压器原边绕组采用延边三角形接线移相方式，已在本章第二节中讲述。 轨道交通牵引供变电技术二、等效24脉波整流电路工作原理与特性 按图3.33由两套整流机组构成的等效24脉波整流电路中，如以 、 、 和 、 、 分别表示D、D; 、 接线组别的整流变压器（T1）d接线二次绕组和y接线二次绕组的三相输出线电压；接线组别为D、D；d2、y1的整流变压器（T2）相应d接线和y接线二次绕组的三相输出线电压，分别表示为 、 、 和 、 、 。 轨道交通牵引供变电技术ad1ubd1ucd1uay1uby1ucy1u0d11yad2ubd2ucd2uay2uby2ucy2u 由于整
5、流变压器T1和T2原边d接线绕组移相后分别滞后 （7.5电角度）和超前 （-7.5电角度），同时考虑T1、T2二次绕组接线方式本身的移相作用，上述两台整流变压器四组三相输出电压的数学表达式即可方便地得到。 轨道交通牵引供变电技术2424 现以四个二次绕组的a相为例，假定各绕组输出电压相等，其二次输出电压可表达为 式中 整流变压器二次绕组输出线电压最大瞬时值。 轨道交通牵引供变电技术ad12Lmay12Lm2Lmad22Lm2Lmay22Lm2Lmsin(7.5 )sin(307.5 )sin(22.5 )sin(607.5 )sin(52.5 )sin(307.5 )sin(22.5 )uUt
6、uUtUtuUtUtuUtUt （3.72）2LmU2LmU 其他b、c相二次输出电压的表达式，按三相电路对称原则即可得到。例如，整流变压器T1阀侧y接线二次绕组b、c相输出电压为 轨道交通牵引供变电技术by12Lm2Lmcy12Lm2Lmsin(12022.5 )sin(97.5 )sin(24022.5 )sin(217.5 )uUtUtuUtUt （3.73） 如以整流变压器T1二次绕组y接线组别的12点为基准，两台整流变压器并联工作时，考虑上述四组二次输出电压12个相量及其反相（180）电压在整流导电过程中的共同作用，各相量相位差依次为 （15电角度），从而构成24脉波整流器阀侧线电压
7、相量关系图，如图3.34所示。该图同时也表明四组整流桥各整流管按顺时针换相导电顺序。 轨道交通牵引供变电技术12 负载电流（Id）不同时，等效24脉波整流电路的工作原理、工作状态和基本特性，将在下面予以分析，并对该电路设定必要的理想工作条件。1. 设定的理想工作条件 并联工作的两台整流变压器的穿越阻抗（ ）和每台整流变压器的两组换相阻抗均对称平衡，保证四组桥式整流器的直流负载分配均匀。 轨道交通牵引供变电技术KX 忽略阀侧各整流桥间均衡电流和网侧变压器励磁电流的影响，网侧和阀侧（两绕组）电压比归算为111。 并联连接大电感性负载（ ），忽略各整流桥本身电流换相时的重叠角（ ）。 2. 负载电流
8、 （临界电流）时的工作状态与特性 轨道交通牵引供变电技术dX 0ddgII 本节前述由轴向双分裂四绕组整流变压器供电的两组整流桥构成的12脉波整流电路相同，当 时，整流变压器每相换相电抗（漏电抗）产生的漏感电势（反电势）较小，不足以使24脉波整流电路中的每套两组整流桥（如RCT1，RCT2）以及四组整流桥并联运行。因而整流电路进入24相推挽工作状态，即24相输入电压按相序（见图3.34）依次使控制其供电的整流臂整流管轮流导通，一个工频周期内各导电两次。 轨道交通牵引供变电技术ddgII 如图3.35（a）、（b）所示分别为等效24脉波整流电路输入电压与整流电压Ud波形和四组整流桥各整流臂整流管
9、导电电流及顺序图。从图中可知，在一工频周期的每个 时刻内，四组整流桥的四组输入电压（含反相电压）中，出现最高电压瞬时值供电的整流臂整流管导通，其他整流臂整流管闭锁。 轨道交通牵引供变电技术12 每个整流臂整流管每次导通 ，每个工频周期导通两次，共导通 。例如，当整流变压器T1的RCT1整流桥阀侧输入电压 为最高瞬值时，D11和D16导通，此后该电压为负半周达到反相 最高瞬时值时，D11和D16又导通一次，共导通两次，总导电时间为 。在此时刻内负担全部直流负载 。 轨道交通牵引供变电技术126ay1uay1u/6dI 负载电流 时直流输出电压Ud的波形为四组阀侧输入线电压曲线族的包络线，从图3.
10、35中可知，每工频周期Ud有24次脉动，形成24脉波整流。 轨道交通牵引供变电技术ddgII 轨道交通牵引供变电技术（a）（b）（c）（d）（e）图3.35 两套整流机组四组整流桥并联构成的等效24脉波整流电路波形图（ 时）（a）四组整流桥各整流臂整流管轮流导电电压波形图和整流电压Ud波形图；（b）、（c）、（d）、（e）RCT1RCT4各整流臂整流管推挽状态导电电流波形ddgII3. 负载电流 （临界电流）时的工作状态与特性 由两台轴向双分裂四绕组整流变压器为电源的四组三相整流桥并联连接，向直流负载供电的等效24脉波整流电路，在 的理想情况下，由于换相电抗电感电势的作用，四组整流桥达到并联工
11、作状态，总负载电流Id在四组整流桥间平均分配，各承担 。 轨道交通牵引供变电技术ddgII ddgIId(1/4)I 此时，等效24脉波整流电路的整流效果，可看成各导电相相位差为 的两套双整流桥并联组成的12脉波整流电路，共同作用于直流负载产生的整直效果。而各整流桥的负载电流仅为12脉波整流桥的一半。由于两套整流机组的电路和磁路系统是分开的，各整流变压器及其所属两组整流桥之间互不干扰，独立工作。 轨道交通牵引供变电技术/12 换相只在同一整流机组的变压器二次绕组相间及整流臂间进行，换相次序与前述单机组双整流桥并联构成的12脉波整流电路并无区别，因而可按12脉波整流电路的分析方法，来分析等效24
12、脉波整流电路在 时的工作状态及其特性。 轨道交通牵引供变电技术ddgII 如图3.36（a）、（b）（e）所示为两套整流机组、四组整流桥并联连接的等效24脉波整流电路中，T1和T2所属两组整流桥各整流臂整流管轮流并联导电电压波形和整流电压Ud波形图，以及各整流桥整流管电流与导电次序图见图3.36（b）（e）。其相应的两套整流机组、四组整流桥和电源接线图如图3.33所示。下面对其主要工作状态和特性进行分析。 轨道交通牵引供变电技术 轨道交通牵引供变电技术（a）（b）（c）（d）（e）（f）图3.36 两套整流机组四组整流桥并联构成的等效24脉波整流电路波形图（ 时）（a）、（f）四组整流桥各整流
13、臂整流管轮流并联导电电压波形图和整流电压Ud波形图以及局部波形放大图；（b）、（c）、（d）、（e）RCT1RCT4各整流臂整流管并联导电电流波形图ddgII（1）在 的负载情况下，与前述双整流桥并联连接的12脉波整流电路相同，此时每套整流机组的两组整流桥任意时刻均为并联导电工作。并联导电的必要条件是，导电时刻同一机组（T1或T2）两组整流桥同时并联导电支路的电压必须相等且数值为最大。 轨道交通牵引供变电技术ddgII 现分析图3.36（a）、（b）和（f）中K、L、M、N、O、P各点时刻整流电路导电情况图（f）为图（a）的局部图形放大。首先了解T1整流机组的工作状态，其RCT2整流桥的D21
14、、D26整流管和RCT1整流桥的D11、D16整流管，在阀侧线电压和的分别作用下，从L点（ ）开始的LM区间（ ）同时并联导电 轨道交通牵引供变电技术ad1ay1uu/12 经M点（ ）到达MN（ ）区间（ ）一直保持两者并联导电，其中在LM和MN区间由于T1换相电抗反电势的作用，它反对导电支路电压的变化，力图使两导电支路线间电压相等，亦即使整流电压Ud相等。从而上述两支路保持继续并联导电直至N点。 轨道交通牵引供变电技术ad1ay1uu/12ad1ay1uu其两整流桥相应整流臂整流管电流波形见图3.36（c）、（d）。N点后转换为由阀侧线电压 和 分别对RCT2的D21、D26整流管支路和R
15、CT1的D15、D14整流管支路作用而并联导电，持续经历N（ ）区间（ ）、O点（ ）和OP（ ）区间（ ），与前述相同的原因，该两导电支路一直保持并联导电，直到P点为止，其并联导电总时延为 。 轨道交通牵引供变电技术ad1ucy1u/12ad1cy1uuad1cy1uu/12ad1cy1uu/6 P点以后又转换为T1整流机组RCT1、RCT2整流桥的其他两导电支路并联导电，如此交替，循环工作，按图3.34的电压换相顺序进行。两整流桥并联导电支路整流臂整流管电流波形见图3.35（b）、（c），可知每个并联导电支路整流管导电一次总时延为 。 轨道交通牵引供变电技术/3（2）同理，T2整流机组两组
16、整流桥RCT4、RCT3的工作状态与T1整流机组的两组整流桥类似。如图3.35（a）、（b）和（f）中，观察 、L、 、N、 等各点时刻的导电情况。在阀侧线电压 和 的分别作用下，RCT4的D45、D46整流管和RCT3的D35、D36整流管从 点开始并联导电，并持续经历 、 两个区间（各为 ）轨道交通牵引供变电技术KMObd2uby2uKK L LM/12然后在 点转换为在 、 线电压分别作用下，RCT4的D45、D46整流管和RCT3的D31、D36整流管并联导电，依然持续 时延。此后又转换为RCT4、RCT3整流桥的其他两导电支路并联导电，如此交替循环运行，和上述T1整流机组整流桥的工作
17、状态相似，每个并联导电支路整流管导电一次，总时延同样是 。 轨道交通牵引供变电技术Mbd2uay2u/6/3（3）整流电压Ud波形如图3.35（a）、（f）所示。两套阀侧线电压互差 角度的12脉波整流机组并联连接导电时，各自按12脉波整流电路的并联导电规律运行，每隔 有一导电支路线电压达到最大值。 轨道交通牵引供变电技术/12/12 由于各整流变压器换相电抗反电势的作用，任何时刻施加至轮流导电的同一机组两并联导电支路整流管的电压，均为导电时间内两支路线电压的平均值如 ，两并联导电支路并联导电时间为 ，随后进行换相。因而形成24脉波波动的整流电压。 轨道交通牵引供变电技术ad1ay1()/2uu
18、/6 从以上分析和相关波形图可知，当 时，由两套整流机组四组整流桥并联连接构成的等效24脉波整流电路的工作和换流特点主要有： （1）两套整流机四组整流桥任何时刻均为并联导电，两机组相对独立工作，互不干扰。整流换相只在同一机组的两组整流桥的变压器y、d二次绕组相间和相关整流臂整流管之间进行，与另一机组无关。 轨道交通牵引供变电技术ddgII（2）在一个工频周期内，四组整流桥各整流臂整流管各导电2次（含反相电压作用时），每次延续 ，总导电 。电流波形为矩形波（不计均衡电流影响），每组整流桥输出电流幅度为 ，如图3.36（b）（e）所示。和 的工况相比较，此时提高了整流臂整流管的利用率。 轨道交通牵
19、引供变电技术/32 /3d/4IddgII（3）负载电流 时，整流电压Ud的波形为同一机组两并联导电支路导电时间 内线电压平均值曲线族的包络线。每工频周期内，Ud有24次脉动，形成24脉波整流。三、主要技术参数及其计算 1. 理想空载直流电压轨道交通牵引供变电技术ddgII( /6)doiU在负载电流 （临界电流）的运行情况下，24脉波整流电路处于推挽工作状态，其直流输出电压脉波的波顶高度为 ，如图3.36（f）所示，因而空载直流电压为 轨道交通牵引供变电技术ddgII2LmaxU24doi2L max2L24112cosd()22sin/1224UUttU2L1.41U（3.74）式中 、
20、分别为整流变压器二次绕组（阀侧）输出线电压的最大值和有效值。 2. 约定空载直流电压 按图3.35（a）、（b），当在负载电流 的情况下运行时，在轴向双分裂式整流变压器的换相电抗产生的反电动势的作用下，两套机组的四组整流桥并联运行，相当于两套阀侧线电压互差 角度的12脉波整流电路并联导电轨道交通牵引供变电技术2LmaxU2LUdooUddgII12此时直流输出电压脉波波顶高度与12脉波整流电路相同，降低为 。因而理想空载直流电压为 3. 其他主要技术参数计算基于两套整流机组四组三相整流桥并联构成的等效24脉波整流电路其他主要技术参数 轨道交通牵引供变电技术doidoicos0.96612UUd
21、oodoi2L2L0.9660.966 1.411.35UUUU（3.75） 包括整流臂电流平均值 和有效值 ，单台整流变压器二次绕组电流有效值I2ef和一次绕组电流有效值I1ef、整流变压器二次绕组容量S2和一次绕组容量S1，以及单台整流变压器等值（计算）容量SC等参数和量值的计算方法与计算公式，和表3.2所列两组三相整流桥并联的12脉波整流电路其他主要技术参数的计算方法相似，但主要区别有以下几点： 轨道交通牵引供变电技术a,avIa,efI 等效24脉波整流电路各整流桥整流臂电流平均值和有效值的计算中，整流臂电流波形相同，但幅值为 。 单台整流变压器二次绕组和一次绕组线电流有效值I2ef和
22、I1ef的计算中，正、负半波整流电流值均为 。 单台整流变压器容量，由于等效24脉波整流电路由两套整流机组构成，其单台整流变压器容量应为相同整流功率的12脉波整流电路整流变压器容量的1/2。 轨道交通牵引供变电技术d4Id4I四、对基于两套整流机组四组三相整流桥并联构成的等效24脉波整流电路的评价从以上工作原理分析和技术参数特性介绍可知：（1）基于两机组四组整流桥并联构成的等效24脉波整流电路的容量利用率，与单机组双整流桥构成的12脉波整流电路相同。 轨道交通牵引供变电技术在同等直流负载功率（Pd）情况下，等效24脉波整流电路需要两套双整流桥并联的整流机组，而每台整流变压器和整流器的容量均为1
23、2脉波整流电路的 ，即各分别为 和 。（2）各并联整流桥整流臂电流为 ，是12脉波整流电路整流桥臂电流的 ，改善了了整流管阳极的工作条件（电流减小），有利于提高整流器的负荷能力。 轨道交通牵引供变电技术12C12Sd12Pd112I12（3）根据现场运行测试结果，等效24脉波整流电路网侧（3335kV）特征高次谐波为23、25次谐波电流，此外还有3、5、7、11、13次非特征谐波，而谐波总含量较12脉波整流电路有较大下降，从而可减少城轨交通牵引系统对城市电网造成的谐波污染，提高供电质量。 轨道交通牵引供变电技术（4）均衡电流存在的影响和双整流桥并联连接的12脉波整流电路一样，等效24脉波两套整
24、流机组的每套机组整流变压器两组二次绕组和整流臂整流管之间有6f频率的均衡电流流通见图3.30（f），而不流至牵引负荷。由于两套整流机组任意时刻导电支路整流管导通、关断时间不同，两套机组的均衡电流流通路径互不影响、各自独立。为减小均衡电流造成的附加电能损耗，应减小整流变压器y、d接线二次绕组匝数比的误差，在设计轴向双分裂式整流变压器的分裂电抗值时，应达到合理的要求。 轨道交通牵引供变电技术（5）等效24脉波整流电路应用的经济性问题，与单个牵引变电所或整条轨道交通牵引线路的备用方式有关。等效24脉波整流方式的牵引变电所，一般采用整流变压器一次绕组各移相 的两套机组并列运行，每套机组承担 的牵引负荷
25、，当一套机组发生故障时， 另一套牵引整流机组可继续运行（一般在运营初期） 轨道交通牵引供变电技术2412 或由相邻两个牵引变电所进行越区供电的方式，来取代故障机组的工作（故障机组退出运行）。但越区供电受整流机组允许过负荷能力的限制（超负荷50%时允许持续工作2小时），其备用的持续性和应用范围是有限度的。较为完善的备用方式是全线路或若干线路设置共同的移动式24脉波整流机组若干套，一旦某牵引变电所整流机组故障，即可由移动式机组迅速运往故障变电所，取代故障机组的工作。 轨道交通牵引供变电技术 这种备用方式虽然一次投资要增大，但却大大提高了供电的安全可靠性。还需指出，轴向双分裂式四绕组、原边带移相绕组的干式整流变压器结构复杂，绝缘材料标准高、工艺水平和各种技术参数的精确性和一致性（两套整流变压器）要求均较高，致使其造价较一般三绕组整流变压器昂贵得多，但省去了平衡电抗器的一次投资和其运行中的附加能耗，提高了整流机组效率且有利于节能。 轨道交通牵引供变电技术 此外，等效24脉波整流机组的应用，对减少城市电网的谐波污染、提高供电质量的效果十分明显，因此，其技术经济效果应全面综合地进行评估和考量。 由于以上各方面的因素，近年来等效24脉波整流电路机组在国内外城市轨道交通牵引供电系统得到了广泛的优先采用。 轨道交通牵引供变电技术
