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王小斌 李寶恩 賀莉
（西安永電電氣有限責任公司，陜西 西安 710016）
摘 要：簡要介紹了城軌供電系統牽引整流器的工作原理，電路結構，敘述了其保護配置，重點介紹了由BLFK型電流傳感器構成的逆流保護回路。
關鍵詞 整流器 電流傳感器 逆流保護
0 前言
整流器是城市軌道供電系統中的一項重要設備，它起著向列車提供能源的作用。為了減少對電網的影響，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投資成本，而且能夠減少供電系統牽引負荷產生的諧波，從而減少城軌供電系統對城市電網的諧波污染，提高供電質量。
1 24脈波整流器工作原理
城軌牽引供電系統中，在每座牽引變電所內，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脈波整流電路構成，12脈波整流由兩個6脈波3相整流橋并聯組成。其中一個3相整流橋接向整流變壓器的二次側星形繞組,另一個3相整流橋接向整流變壓器的二次側三角形繞組。由于每臺整流變壓器二次側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組成的12脈波整流電路。圖1 為12脈波整流機組電氣原理圖。
當供給兩臺12脈波整流器的整流變壓器高壓網側并聯的繞組分別采用±7.5°外延三角形聯接時，兩套整流機組并聯運行構成等效24脈波整流。
2 保護配置
整流器本體設置的保護可分為兩類：過電壓保護及內部短路保護。 
圖1：12脈波整流機組電氣原理圖
2.1 過電壓保護
過電壓的類型可概括為：（1）換相過電壓；（2）交流側過電壓；（3）直流側過電壓。
2.1.1換相過電壓保護
當二極管通過正向電流時，正電荷及負電荷的載流子向PN結方向擴散，于是正電荷載流子（空穴）就在P區與N區的交界面附近聚積起來。由于這些載流子的聚積，在二極管正向電流過零時，二極管不能立即恢復反向截止能力。這時在二極管中出現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載產生感應電壓，該電壓疊加于正常反向電壓之上形成換相過電壓。
為避免換相過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RC電路限制。但是實際應用中會出現這樣的情況：二極管并聯RC回路后會抬高整流器的空載電壓，而且電阻的發熱量很大。
為使二極管免受換相過電壓的危害，對于二極管整流電路，通過實際應用經驗和理論分析，直流側并聯的過電壓保護電阻、電容可兼有換相過電壓保護的作用，能夠有效抑制殘余的過電壓，因此可取消并聯RC。
2.1.2交流側過電壓保護
由于變壓器網側繞組的漏抗與閥側繞組的分布電容或抑制電容組成震蕩電路，在接通變壓器網側繞組時，會產生瞬變過程及由此引起的過電壓。此外在整流變壓器空載開斷時，其勵磁感抗釋放的能量將會產生過電壓。為此，在交流側加氧化鋅過電壓吸收器，可將過電壓抑制在２倍以下。
直流側過電壓包括雷擊過電壓，直流側快速開關斷開而產生的操作過電壓，以及來自地鐵車輛上的過電壓。直流側過電壓保護措施如下：
(1)在直流電網側加裝了吸收操作過電壓的電容Cdc和放電電阻Rdc。
(2)為避免過高的電壓擊穿元件，在整流器的輸出端加壓敏電阻Rv，以抑制殘余的過電壓。
(3)直流側加負載電阻Rz（有些資料中也稱為“壓倉電阻”），以防止過高的突升空載電壓。
如果整流橋中的某個二極管失去反向截止能力，會造成整流器交流側的相間短路，這種情況即為整流器的內部短路，為此整流器設置了快速熔斷器保護和逆流保護。
2.2.1快速熔斷器保護
如圖1所示，在每個二極管支路上串聯一只快速熔斷器，整流橋內二極管、快速熔斷器組件的并聯數量與整流器的容量有關。串聯快速熔斷器的作用是為了分斷因某只二極管擊穿而造成的交流側短路電流，防止變壓器相間短路。
快速熔斷器的選擇要求：只在與其串聯的二極管損壞時才熔斷保護，整流器的外部短路,快速熔斷器不應動作熔斷，而由交直流開關分斷故障電流進行保護。
快速熔斷器選擇從以下三個方面考慮：
1）額定電壓UFU
2）額定電流IFU
3）I2t值核算
2.2.2逆流保護
對于內部短路故障，整流器還設置了逆流保護。
設置逆流保護的目的是為了防止快速熔斷器不能熔斷短路電流時，對整流器進行保護，提供跳閘信號給后續操縱。
3 逆流保護回路
如果整流器橋臂內的某個二極管反向擊穿，則在這個二極管支路的熔斷器開始熔斷的弧前時間和燃弧時間內，將有逆向的故障電流流經這個橋臂。在整流器的每個橋臂設置一只電流傳感器，用于檢測此逆向電流。出現逆流時輸出信號給保護電路，該信號經過判別處理后，輸出跳閘信號給后續操作。 
圖2：逆流保護原理圖
圖2所示為一個6脈波整流電路的逆流保護原理圖，在一臺12脈波整流器內，共設置12只電流傳感器，檢測整流橋各橋臂的電流。
設置在整流器橋臂的電流傳感器的選擇需要根據整流器容量的大小，并且需要考慮出現大電流時可以正常檢測，不至于傳感器飽和。以我公司已經批量生產的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，可以測量2000A電流，電流2000A時輸出4V電壓，響應時間在20μs以內，可用于-10 ~ +70℃的工作環境。BLFK2000-S2是一種應用霍爾效應的開環電流傳感器，體積小、重量輕、成本較低，采用對開式結構，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電路的使用需求。后續電路如圖3所示，圖中的REF為保護設定值。  圖3： 電流傳感器后續電路示意圖
選用BLFK2000-S2型電流傳感器構成的逆流保護回路，其優點主要體現在以下幾個方面：
（1）由于電流傳感器副邊輸出的是一個電壓信號，因此就使后續電路變的簡單。
（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-10 ~ +70℃的工作環境，可滿足城軌供電系統變電所惡劣的使用條件。
（4）對開式結構，方便工作人員在長期使用中的維護。
（5）精度高、響應時間短，滿足保護電路的需求。
除了在逆流保護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，為盤面表計提供了準確的信號。
4 結束語
LEM公司是國際知名的跨國公司，是電力、電子傳感器方面的先驅者和發明者。LEM傳感器被廣泛應用于電力電子、機器人、電梯、醫療等行業，相比其他傳感器公司的產品有技術領先、成本低廉、性能優良、種類多樣、可靠性高等優勢。這也是我們在本方案中選擇LEM傳感器的原因。
2005年我公司為廣州地鐵4號線提供了24脈波牽引整流器，該條線路為國內第一條采用直線電機的線路。自2005年12月26日通車運行以來，設置在各橋臂的電流傳感器能夠及時、準確地反映母線電流的狀態，在安全性、可靠性等方面顯示了優越性，發揮了其應有的作用。
參考文獻：
[1] 黃俊. 電力電子變流技術. 北京：機械工業出版社，1993
[2] 鐵路專用選型手冊 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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