地铁牵引整流器交直流侧RC阻容回路替代压敏电阻可行性研究

苏维杰 林勇波

广州地铁集团有限公司，广东广州 510000

压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压限位到相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。因其快速有效限制电压常用于地铁牵引整流器保护回路中，但压敏电阻使用寿命较短（国内厂家推荐为 2年左右），运营维护成本高且受外界环境影响大。在广州地铁运营维护中出现多次因压敏电阻不稳定性造成直流系统故障，为优化整流器交直流侧的保护回路，提出采用RC阻容回路替代压敏电阻进行保护 。

整流器内部二级管为电力电子半导体器件，其对电压非常敏感，当外加电压超过元器件所允许的最大数值时，元器件将大概率损坏。因此在整流器交直流侧及二极管中均设有过压保护，是否可用RC阻容回路替代压敏电阻保护，重点验证RC阻容回路是否可满足保护过电压情况下保护整流器二极管等内部器件。

1 整流器主回路简介

在城市轨道交通牵引供电系统中，主变所AC110kV电源通过AC33kV环网供电方式输送到每个变电所，变电所内AC33kV通过整流变压器降到AC1.18kV，再经整流器转换成DC1500V电源向列车送电。牵引变电所内整流机由整流变压器和整流器组成，由两个6脉波3相整流桥并联组成12脉波整流，及两组12脉波整流电路组成24脉波整流电路。以广州地铁六号线为例，整流器交流侧有压敏电阻及特殊熔断器过压保护，直流侧均RC阻容回路，压敏电阻及特种熔断器过压保护如图1所示。

图1 广州地铁六号线整流器主电路原理简图

2 整流器过电压产生的原因

（1）雷电引起过电压：雷电直接击于电气设备时，巨大的雷电流在被击设备上流过造成的过电压。

（2）交流侧过电压：整流器交流侧由变压器提供电源，由于变压器网侧绕组的漏抗与阀侧绕组的分布电容或抑制电容组成振荡电路，在接通变压器绕组时，会产生瞬变过程及由此而引起的过电压。

（3）直流侧过电压：直流侧装有快速断路器，当断开直流侧故障电流时，由于分断回路电感大或者分断电流大产生过电压。

（4）换向过电压 ：由于整流器内部元器件二极管在换向结束后，因二极管不能立即恢复阻断能力，存在较大的反向电流，而当二极管阻断能力恢复时，反向电流急速减小到零，反向电流突变会因线路电感存在而在器件两端产生过电压。

3 整流器交直流侧阻容保护回路

为进一步优化整流器交直流侧保护回路，整流器交直流侧采用加装RC回路抑制过电压，整流器主电路原理简图如图2所示，二极管主要参数如表1所示。

图2 整流器主电路原理简图

表1 二极管主要参数表

4 整流器交直流侧RC阻容保护回路可行性分析

4.1 交流侧过电压情况下分析

4.1.1 理论计算

变压器接通、断开产生的操作过电压可以用下式来进行计算。

式中：Urms—变压器阀侧线电压，1180V；KV—网压升高系数；KG—过电压系数；计算得出，U约为3671V。

4.1.2 现场测量

为验证电阻电容的吸收效果，在广州地铁十三号线正线上进行了现场测试。测试表明，经过电阻电容吸收回路后，变压器接通、断开瞬间相间的电压约为2000V左右，具体可见图3、图4。

图3 变压器合闸瞬间两相间波形

图4 变压器分闸瞬间两相间波形

根据以上分析，理论计算所得的变压器接通、断开时的过电压小于整流器的二极管反向重复峰值电压4400V，经过阻容吸收后电压降为2000V左右，远远小于4400V，因此在RC阻容回路保护下整流器二极管不会受到过电压的冲击而损坏。

4.2 直流侧过电压情况分析

雷电引起的过电压，一般采用避雷器进行防护。整流器后端设备（直流开关进线柜、馈线柜、负极柜）均配备了避雷器，因此即使受到雷电冲击引起的过电压，避雷器已逐级将过电压吸收到可允许范围内。整流器直流侧能承受8.8kV的反向重复峰值电压（两个二极管串联），而直流开关柜内的避雷器雷电冲击电流下残压（峰值）为5.3kV/20kA，加之还有直流侧电阻电容的保护，因此亦不会对柜内二极管造成损坏。

5 整流器交直流侧RC阻容保护回路运用成果

在广州地铁十三号线、成都地铁3号线、成都地铁4号线、福州地铁1号线、长沙地铁1号线、长沙地铁2号线、整流器均取消了交流侧压敏电阻保护，改为RC阻容保护，并已投入运营，目前运行良好。

6 结语

综上所述，RC阻容回路满足过电压情况下保护整流器二极管等内部器件，可以考虑整流器交直流侧RC阻容回路替代压敏电阻。