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BLFK型电流传感器在城轨牵引供电整流器中的应用
发布时间:    文章来源:    浏览次数:1722
前言
   整流器是城市轨道供电系统中的一项重要设备,它起着向列车提供能源的作用。为了减少对电网的影响,牵引供电整流器采用24脉波整流方式。
采用24脉波整流方式,不仅能够减少工程建设投资成本,而且能够减少供电系统牵引负荷产生的谐波,从而减少城轨供电系统对城市电网的谐波污染,提高供电质量。
1  24脉波整流器工作原理
   城轨牵引供电系统中,在每座牵引变电所内,由整流变压器和整流器组成整流机组。24脉波整流电路由两组12脉波整流电路构成,12脉波整流由两个6脉波3相整流桥并联组成。其中一个3相整流桥接向整流变压器的二次侧星形绕组,另一个3相整流桥接向整流变压器的二次侧三角形绕组。由于每台整流变压器二次侧星形绕组和三角形绕组相对应的线电压相位错开π/6, 便可以得到两个三相桥并联组成的12脉波整流电路。图1 为12脉波整流机组电气原理图。
当供给两台12脉波整流器的整流变压器高压网侧并联的绕组分别采用±7.5°外延三角形联接时,两套整流机组并联运行构成等效24脉波整流。
2  保护配置
    整流器本体设置的保护可分为两类:过电压保护及内部短路保护。
 
图1:12脉波整流机组电气原理图
2.1  过电压保护
   过电压的类型可概括为:(1)换相过电压;(2)交流侧过电压;(3)直流侧过电压。
2.1.1换相过电压保护
   当二极管通过正向电流时,正电荷及负电荷的载流子向PN结方向扩散,于是正电荷载流子(空穴)就在P区与N区的交界面附近聚积起来。由于这些载流子的聚积,在二极管正向电流过零时,二极管不能立即恢复反向截止能力。这时在二极管中出现类似于短路电流的反向电流,逆向电流或快或慢的忽然消失。电流的忽然中断引起整流电路中的感性负载产生感应电压,该电压叠加于正常反向电压之上形成换相过电压。
为避免换相过电压将二极管反向击穿,一般的解决方法是在每只二极管上并联RC电路限制。但是实际应用中会出现这样的情况:二极管并联RC回路后会抬高整流器的空载电压,而且电阻的发热量很大。
    为使二极管免受换相过电压的危害,对于二极管整流电路,通过实际应用经验和理论分析,直流侧并联的过电压保护电阻、电容可兼有换相过电压保护的作用,能够有效抑制残余的过电压,因此可取消并联RC。
2.1.2交流侧过电压保护
   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震荡电路,在接通变压器网侧绕组时,会产生瞬变过程及由此引起的过电压。此外在整流变压器空载开断时,其励磁感抗释放的能量将会产生过电压。为此,在交流侧加氧化锌过电压吸收器,可将过电压抑制在2倍以下。
2.1.3直流侧过电压保护
   直流侧过电压包括雷击过电压,直流侧快速开关断开而产生的操作过电压,以及来自地铁车辆上的过电压。直流侧过电压保护措施如下: 
(1)在直流电网侧加装了吸收操作过电压的电容Cdc和放电电阻Rdc。
(2)为避免过高的电压击穿元件,在整流器的输出端加压敏电阻Rv,以抑制残余的过电压。
(3)直流侧加负载电阻Rz(有些资料中也称为“压仓电阻”),以防止过高的突升空载电压。
2.2  整流器内部短路保护
   如果整流桥中的某个二极管失去反向截止能力,会造成整流器交流侧的相间短路,这种情况即为整流器的内部短路,为此整流器设置了快速熔断器保护和逆流保护。
2.2.1快速熔断器保护
   如图1所示,在每个二极管支路上串联一只快速熔断器,整流桥内二极管、快速熔断器组件的并联数量与整流器的容量有关。串联快速熔断器的作用是为了分断因某只二极管击穿而造成的交流侧短路电流,防止变压器相间短路。
   快速熔断器的选择要求:只在与其串联的二极管损坏时才熔断保护,整流器的外部短路,快速熔断器不应动作熔断,而由交直流开关分断故障电流进行保护。
快速熔断器选择从以下三个方面考虑:
1)额定电压UFU
2)额定电流IFU
3)I2t值核算
2.2.2逆流保护
    对于内部短路故障,整流器还设置了逆流保护。
设置逆流保护的目的是为了防止快速熔断器不能熔断短路电流时,对整流器进行保护,提供跳闸信号给后续操纵。
3  逆流保护回路
   如果整流器桥臂内的某个二极管反向击穿,则在这个二极管支路的熔断器开始熔断的弧前时间和燃弧时间内,将有逆向的故障电流流经这个桥臂。在整流器的每个桥臂设置一只电流传感器,用于检测此逆向电流。出现逆流时输出信号给保护电路,该信号经过判别处理后,输出跳闸信号给后续操作。
  
 
图2:逆流保护原理图
   图2所示为一个6脉波整流电路的逆流保护原理图,在一台12脉波整流器内,共设置12只电流传感器,检测整流桥各桥臂的电流。
   设置在整流器桥臂的电流传感器的选择需要根据整流器容量的大小,并且需要考虑出现大电流时可以正常检测,不至于传感器饱和。以我公司已经批量生产的2200kW整流器为例,选用了LEM公司的BLFK2000-S2型电流传感器。该传感器使用±15V双电源供电,可以测量2000A电流,电流2000A时输出4V电压,响应时间在20μs以内,可用于-10 ~ +70℃的工作环境。BLFK2000-S2是一种应用霍尔效应的开环电流传感器,体积小、重量轻、成本较低,采用对开式结构,安装、更换均十分方便,原边与副边之间高度绝缘,传感器本身的电流消耗仅为25mA,精度基本能满足保护电路的使用需求。后续电路如图3所示,图中的REF为保护设定值。
  
图3: 电流传感器后续电路示意图
   选用BLFK2000-S2型电流传感器构成的逆流保护回路,其优点主要体现在以下几个方面:
(1)由于电流传感器副边输出的是一个电压信号,因此就使后续电路变的简单。
(2)原边与副边之间良好的绝缘性能,使主、辅回路安全隔离。
(3)适应-10 ~ +70℃的工作环境,可满足城轨供电系统变电所恶劣的使用条件。
(4)对开式结构,方便工作人员在长期使用中的维护。
(5)精度高、响应时间短,满足保护电路的需求。
   除了在逆流保护回路中使用电流传感器之外,在整流器直流输出电压、直流输出电流的检测中也使用到了LEM的传感器,正是由于其良好的隔离特性及精度,为盘面表计提供了准确的信号。
4  结束语
   LEM公司是国际知名的跨国公司,是电力、电子传感器方面的先驱者和发明者。LEM传感器被广泛应用于电力电子、机器人、电梯、医疗等行业,相比其他传感器公司的产品有技术领先、成本低廉、性能优良、种类多样、可靠性高等优势。这也是我们在本方案中选择LEM传感器的原因。
2005年我公司为广州地铁4号线提供了24脉波牵引整流器,该条线路为国内第一条采用直线电机的线路。自2005年12月26日通车运行以来,设置在各桥臂的电流传感器能够及时、准确地反映母线电流的状态,在安全性、可靠性等方面显示了优越性,发挥了其应有的作用。
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