城軌交通供電系統(tǒng)

1、第第4 4章章 城市軌道交通供電系統(tǒng)城市軌道交通供電系統(tǒng) 城市軌道交通供電系統(tǒng)是軌道交通的重要組成部分，它不但為列車提供牽引動力，而且還為地鐵運營服務(wù)的輔助設(shè)施，如照明、通風(fēng)、空調(diào)、排水、通信、信號、防災(zāi)報警、自動扶梯等提供電力。如果在地鐵運營期間供電一旦中斷，不僅列車運行癱瘓，現(xiàn)場及附近地區(qū)引起極大的混亂。所以城市軌道交通供電系統(tǒng)是確保城市軌道交通正常運營的重要設(shè)施。城市軌道供電原理城市軌道供電原理:城市軌道交通的供電電源一般取自城市電網(wǎng)，通過城市電網(wǎng)一次電力系統(tǒng)和軌道交通供電系統(tǒng)實現(xiàn)輸送或變換，最后以適當(dāng)?shù)碾娏餍纬桑ㄖ绷骰蚪涣麟姡┖碗妷旱燃壒┙o用電設(shè)備 城市電網(wǎng)一次電力系統(tǒng) 軌道交通供電系

2、統(tǒng) 第一節(jié) 供電系統(tǒng)的組成及要求 一、供電系統(tǒng)的組成 城市軌道交通供電系統(tǒng)主要由降壓供電系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)組成。一條軌交線的降壓供電系統(tǒng)有多個降壓變電站，每個車站設(shè)12座，為車站用戶和負(fù)荷供電，包括：通信、信號、車站照明、AFC、FAS、BAS、商業(yè)用電等等。牽引供電系統(tǒng)為城軌列車供電，每隔35 k m設(shè)一個牽引變電站。 二、 供電系統(tǒng)的基本要求 1 1供電系統(tǒng)必須可靠供電系統(tǒng)必須可靠 城市軌道交通電動列車和車站設(shè)備都是為乘客提供服務(wù)的設(shè)備，在運營過程中，一旦供電中斷，受影響最大的是行車和客運兩個部門。所以城市軌道交通供電系統(tǒng)，必須具有高度的可靠性。為此，各變電站采用兩路進(jìn)線，并互為備用；電源

3、容量設(shè)計時應(yīng)為發(fā)展留有余地；而且應(yīng)選用先進(jìn)、可靠的電氣設(shè)備，采用模塊化的計算機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)實時監(jiān)控，調(diào)度自動化的運行模式；以專人定時巡視檢查為輔助手段。2 2供電系統(tǒng)必須滿足不同用戶的需求供電系統(tǒng)必須滿足不同用戶的需求城市軌道交通系統(tǒng)內(nèi)各用電單位，對供電有不同的需求，為了滿足各單位的用電要求，首先對供電負(fù)荷進(jìn)行分類。(1)按供電對象的重要性，將供電系統(tǒng)分成三級一級負(fù)荷:城市軌道交通電動列車、通信、信號設(shè)備、消防設(shè)備等用戶，必須確保不間斷供電；為此，必須采取兩路電源供電，當(dāng)任何一路電源失電后，應(yīng)自動、迅速切換至另一路電源。二級負(fù)荷: 城市軌道交通車站照明、自動扶梯等用戶，應(yīng)確保連續(xù)供電，萬一停

4、電后會影響客運服務(wù)質(zhì)量，但并不影響列車運行安全；設(shè)計時，一般采用二路進(jìn)線電源，再分片分區(qū)供給。 三級負(fù)荷: 城市軌道交通的商業(yè)用電、廣告照明等用戶，應(yīng)確保其正常供電，這些用戶并直接不影響客運服務(wù)質(zhì)量，其用電可根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷情況進(jìn)行調(diào)整。 (2)按用戶負(fù)荷變化及用途可作以下分類 負(fù)荷變化不大的低壓交直流負(fù)荷 此類負(fù)荷要求有很高的供電可靠性和良好的供電質(zhì)量。如：變電站控制設(shè)備的低壓交直流負(fù)荷。 負(fù)荷變化大的直流供電 它們對供電、供電設(shè)備的可靠性要求高，用電量隨客運的高峰低谷變化而變化。如：客運列車：它是城市軌道交通供電系統(tǒng)中的最主要負(fù)荷，而且是直流負(fù)荷。在夜間列車停運時，負(fù)荷為零。 負(fù)荷變化大的交流

5、供電 車站用戶多為是低壓用戶，如：車站電梯和自動扶梯、環(huán)控設(shè)備、照明、售檢票系統(tǒng)、消防報警系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、通信、信號等。這些用戶，在客運時段是用電高峰，列車停運時段是用電低谷。而且必須向通信、信號專業(yè)設(shè)備提供24 h不間斷的連續(xù)供電 夜間用電 停車場的車輛維修作業(yè)區(qū)等夜間用電用戶。白天列車運行的時間段，由于絕大部分的電動列車都在正線運行，因此，列車檢修用電是低谷，反之在夜間客運終止，回庫列車的檢修作業(yè)用電是高峰時段。 非重要用戶 車站商業(yè)等不直接影響運營質(zhì)量的用戶，盡管其用電量較大，但這些用戶的列車運營沒有直接關(guān)系，我們將這些用戶歸類為非重要用戶。 綜上所述：城市軌道交通供電系統(tǒng)，必須依據(jù)不

6、同用電需求區(qū)別對待，即重要的一級負(fù)荷，二路電源供電，并能自動切換。二級負(fù)荷，也是二路電源進(jìn)線分片分區(qū)供給。三級負(fù)荷一路電源供電，在供電能力緊張，停止三級負(fù)荷供電，只有這樣才能滿足和保障用戶的用電要求，實現(xiàn)城市軌道交通運營的正常。 三、供電系統(tǒng)的主要電器設(shè)備 1.變壓器 2.斷路器(高壓開關(guān)) 3.隔離開關(guān) 4.母線 5.熔斷器 6.電壓互感器 7電流互感器 8.避雷器 9.整流器 10.繼電保護(hù)裝置 四、供電系統(tǒng)的功能 1.接收并分配電能 2.降壓整流及傳輸直流電能 3.降壓及動力配電 4.電力監(jiān)控城市軌道供電系統(tǒng)的功能和作用城市軌道供電系統(tǒng)的功能和作用 城市軌道交通的用電負(fù)荷按其功能不同可分

7、為兩大用電群體。 一是電動客車運行所需要的牽引負(fù)荷； 二是車站、區(qū)間、車輛段、控制中心等其他建筑物所需要的動力照明用電，諸如：通風(fēng)機、空調(diào)、自動扶梯、電梯、水泵、照明、AFC系統(tǒng)、FAS、BAS、通信系統(tǒng)、信號系統(tǒng)等。 在上述用電群體中，有不同電壓等級直流負(fù)荷、不同電壓等級交流負(fù)荷；有固定負(fù)荷、有時刻在變化的運動負(fù)荷。每種用電設(shè)備都有自己的用電要求和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，而且這種要求和標(biāo)準(zhǔn)又相差甚遠(yuǎn)。城市軌道供電系統(tǒng)就是要滿足這些不同用戶對電能的不同需求，以使其發(fā)揮各自的功能與作用。 五、供電方式 1.集中式供電 在城市軌道交通沿線，根據(jù)用電容量和線路長短，建設(shè)專用的主變電所。主變電所進(jìn)線電壓一般為110

8、kV，經(jīng)降壓后變成35kV或10kV，供牽引變電所與降壓變電所。主變電所應(yīng)有兩路獨立的進(jìn)線電源。集中式供電，有利于城市軌道交通供電形成獨立體系，便于管理和運營。上海、廣州、南京、香港、德黑蘭地鐵等。主變電所主變電所城市電網(wǎng)城市電網(wǎng)中壓網(wǎng)絡(luò)中壓網(wǎng)絡(luò)牽引或降壓變電所牽引或降壓變電所 2.分散式供電 在地鐵沿線直接由城市電網(wǎng)引入多路電源構(gòu)成供電系統(tǒng)。一般為10kV電壓級。分散式供電要保證每座牽引變電所和降壓變電所均獲得雙路電源，要求城市軌道交通沿線有足夠的電源引入點及備用容量。建設(shè)中的沈陽地鐵、長春輕軌、大連輕軌、北京城鐵、北京八通線、北京地鐵5號線等10kV牽引或降壓變電所牽引或降壓變電所10kV

9、10kV10kV10kV10kV10kV區(qū)域變電所區(qū)域變電所 3.混合式供電 將前兩種供電方式結(jié)合起來，一般以集中式供電為主，個別地段引入城市電網(wǎng)電源作為集中式供電的補充，使供電系統(tǒng)更加完善和可靠。北京地鐵一線和環(huán)線、建設(shè)中的武漢軌道交通工程、青島地鐵南北線工程等即為混合式供電方案。 集中供電方式的優(yōu)點：集中供電方式的優(yōu)點： （1 1）可靠性高，便于集中統(tǒng)一調(diào)度和集中管理。）可靠性高，便于集中統(tǒng)一調(diào)度和集中管理。 （2 2）施工方便，維護(hù)容易，電纜敷設(shè)徑路比較好走。）施工方便，維護(hù)容易，電纜敷設(shè)徑路比較好走。 （3 3）抑制諧波的效果較好。為減少諧波對電網(wǎng)的影響和）抑制諧波的效果較好。為減少諧

10、波對電網(wǎng)的影響和危害，一是采用較高脈波（危害，一是采用較高脈波（2424脈波）整流機組，二是選用脈波）整流機組，二是選用較高電壓（較高電壓（110kV110kV）的電源，因為大容量、高電壓電網(wǎng)的）的電源，因為大容量、高電壓電網(wǎng)的承受能力強，同時國標(biāo)規(guī)定的諧波總畸變率和諧波電壓含承受能力強，同時國標(biāo)規(guī)定的諧波總畸變率和諧波電壓含有率比小容量、低電壓電網(wǎng)要低得多，而且也有利于今后有率比小容量、低電壓電網(wǎng)要低得多，而且也有利于今后集中采取高次諧波防治措施。集中采取高次諧波防治措施。 （4 4）計費方便、簡單。采用）計費方便、簡單。采用110kV110kV電壓集中供電方式，運電壓集中供電方式，運行管理

11、單位與電業(yè)部門的電度計費在主變電所設(shè)總計量就行管理單位與電業(yè)部門的電度計費在主變電所設(shè)總計量就行，不必在各變電所分別計量。行，不必在各變電所分別計量。 城市軌道交通內(nèi)部供電系統(tǒng): 牽引供電系統(tǒng),動力照明供電系統(tǒng) 牽引供電系統(tǒng)：牽引變電所將三相高壓交流電變成適合電動車輛應(yīng)用的低壓直流電。饋電線再將牽引變電所的直流電送到接觸網(wǎng)上，電動車輛通過其受流器與接觸網(wǎng)的直接接觸而獲得電能 動力照明供電系統(tǒng)：提供車站和區(qū)間各類照明、扶梯、風(fēng)機、水泵等動力機械設(shè)備電源和通信、信號、自動化等設(shè)備電源，由降壓變電所和動力照明配電線路組成。 電氣化鐵路的供電方式 1、 BT供電方式 在牽引供電系統(tǒng)中加裝吸流變壓器-回

12、流線裝置的供電方式，稱為吸流變壓器供電方式，簡稱BT（Booster Transformer）供電方式。它是在牽引網(wǎng)中，每相距1.5-4km，設(shè)置一臺變比為1：1的吸流變壓器，其一次線圈串接入接觸網(wǎng)，二次線圈串接在回流線中，（即吸流變壓器-回流線方式，簡稱吸-回方式），或串接在軌道中（即吸流變壓器-軌道方式，簡稱吸-軌方式）。 吸軌方式需要自吸流變壓器處作絕緣軌縫，將軌道進(jìn)行絕緣分段，依靠吸流變壓器的作用，使絕大部分回歸電流流經(jīng)由軌道和吸流變壓器二次線圈流回牽引變電所。與吸-回方式相比，吸軌方式造價要低得多，對接觸網(wǎng)的運行維護(hù)也比較有利，對于地形比較困難，或穿越長大隧道的的電氣化區(qū)段是有意義的

13、。但是，對鄰近線路的防護(hù)效果要差一些。而且，在絕緣軌縫兩側(cè)的軌端之間可能出現(xiàn)數(shù)百伏的電壓，對線路維修人員的安全是個威脅，為了解決這個矛盾，可在吸流變壓器出做兩個絕緣軌縫，以加長帶有不同電位的兩段鋼軌之間的距離，此外，當(dāng)列車通過絕緣軌縫的整段時間內(nèi)，吸流變壓器由于副邊線路被短路而失去作用。 吸-回方式比吸-軌方式抑制通信干擾的效果好。我國采用的BT方式均為吸-回方式，日本東海道新干線也如此，而英國、法國、瑞典兩種方式都有應(yīng)用，挪威只用BT-鋼軌方式。 吸流變壓器采用變比為1：1的特殊變壓器，其特點是要求勵磁電流小。吸流變壓器的原邊串接在接觸網(wǎng)上，次邊串接在回流線中。間隔約1.5-4km 設(shè)置一臺

14、吸流變壓器，在兩個吸流變壓器中間，把軌道和回流線連接起來，這個連接成為吸上線。它是機車電流返回回流線的通路。吸流變壓器工作時，使接觸網(wǎng)和回流線間集中的加強了互感耦合，設(shè)吸流變壓器的原邊電流為I1，匝數(shù)為w1，負(fù)邊電流為I2，匝數(shù)為w2，根據(jù)變壓器的原理，I1 w1= I2 w2，而w1= w2，所以，I1= I2 ，I1和I2的差別是I1種含有吸流變壓器的勵磁電流，勵磁電流流經(jīng)軌道和大地，但數(shù)值很小。 吸-回方式能迫使由軌道回路和大地返回牽引變電所的機車牽引電流的絕大部分經(jīng)由回流線路流回牽引變電所，而不經(jīng)由軌道和大地。從而把本來距離很大的接觸網(wǎng)軌道大地回路，改變?yōu)榫嚯x相對很小的接觸網(wǎng)回流線線路

15、。而且，回流線中流回的電流與接觸網(wǎng)內(nèi)流過的牽引電流大小基本相等，方向相反，它們形成的電磁場相互抵消，這樣就達(dá)到了牽引供電回路比較對稱的目的，顯著的消弱了接觸網(wǎng)和回流線周圍空間的交變磁場，使?fàn)恳娏髟卩徑耐ㄐ啪€路中的電磁感應(yīng)影響大大的減小。 BT方式牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價較高，由于吸流變壓器串入接觸網(wǎng)，使得牽引網(wǎng)阻抗變大，供電臂長度將減??；因存在BT分段（火花間隙），不利于高速、重載等大電流運行；但BT方式的鋼軌電位低，抑制通信干擾的效果很好。 2. AT供電方式 AT供電方式又稱為自耦變壓器供電方式。自耦變壓器（Auto-Transformer）是一種電力變壓器，它并接與接觸網(wǎng)、鋼軌和正饋線之

16、中。這種方式由接觸網(wǎng)、鋼軌、正饋線和自耦變壓器組成供電回路，并在接觸網(wǎng)和正饋線之間每隔10-15公里并入一臺自耦變壓器，其中心抽頭與鋼軌連接，正饋線與接觸懸掛同桿架設(shè)，架設(shè)于接觸網(wǎng)支柱的田野側(cè)。在AT牽引變電所中，牽引變壓器將110千伏三相 電降壓成單相55千伏，則鋼軌與接觸網(wǎng)間的電壓正好是自耦變壓器兩端的電壓的一半即27.5千伏。 AT線圈兩端分別接到接觸網(wǎng)(T)和正饋線(AF)上，其中點抽頭與鋼軌(R)相接，AF與T架設(shè)在同一支柱上。牽引變壓器的次邊以55kV，在供電臂上并接AT。AT兩半線圈匝數(shù)n1n2，即原、次邊變比為2：1，使供給接觸網(wǎng)上的電壓仍按275kV饋出。 設(shè)機車取流為I，則

17、AT原邊電流為I2，即牽引變壓器次邊為機車取流的一半。由于接在T與R間和AF與R間的AT兩半線圈是電壓相等的，在理想情況下，T與AF中流過的電流大小相等，方向相反，正饋線如同BT方式中的回流線作用一樣，因此可以對通信明線的影響進(jìn)行有效地防護(hù)。 AT方式與BT方式相比，在機車取流相同情況下，從變電所至最靠近機車的AT間，接觸網(wǎng)與正饋線上電流只有機車電流的一半，對通信明線干擾將大大減弱。另外，在機車取流的兩個AT間的區(qū)段內(nèi)，機車電流總是由左右兩側(cè)接觸網(wǎng)雙邊供給，方向相反，對通信明線的干擾互相抵消，因此具有更好的防護(hù)效果。應(yīng)當(dāng)指出，實際上AT供電回路中的電流分布是非常復(fù)雜的。電力機車在任意一個AT區(qū)

18、間取流時，除相鄰的兩個AT供給電流外，供電臂上其它的AT也要向該機車供給部分電流。機車電流通過該供電臂中所有AT的正饋線和鋼軌之間的線圈與鋼軌大地形成的鏈形電路返回變電所，這種電流分布用一般的方法來計算將十分困難，通常都采用電子計算機計算。 實際的AT供電方式往往還增加一根接地保護(hù)線PW。在AT處，保護(hù)線與接觸懸掛金屬支座或雙重絕緣子中部相連，并與鋼軌連接，在自動閉塞區(qū)段則與軌道電路中的信號扼流線圈中點相連。保護(hù)線電位一般在500V以下，正常情況下不流過牽引電流。當(dāng)絕緣子發(fā)生閃絡(luò)時，短路電流可通過保護(hù)線作回路而不經(jīng)信號軌道電路提高了信號電路工作的可靠性。保護(hù)線又是隨接觸網(wǎng)支柱架空懸掛的，相當(dāng)于架空地線，對接觸網(wǎng)起屏蔽作用，減小對架空通信線的干擾，同時也起到避雷線的作用，通過放電器G入地。在鋼軌對地泄漏電阻和機車取流較大的情況下，為降低鋼軌電位，還可在AT區(qū)段中部加橫向連接線CPW，將鋼軌與保護(hù)線并接。 AT并聯(lián)于牽引網(wǎng)中，克服了BT串入網(wǎng)中BT分段的缺陷，使供電電壓成倍提高，牽引網(wǎng)阻抗小，供電距離長（改為直接供電方式的170%-200%），網(wǎng)上壓損和能損都小，是一種適于高速、重載等大電流牽引的供電方式。在正線貫通方案上，牽引變電所的平均間距為48.6km，最大間距為58.6km，供電臂最大長度為29.9km。 4.根據(jù)供電壓制式