城市軌道交通供電系統(tǒng)研究與設(shè)計

1、科研訓(xùn)練結(jié)題報告城市軌道交通供電系統(tǒng)研究與設(shè)計指導(dǎo)教師：張俊芳學(xué)生姓名：尹兆京 梁華斌 寧玉可學(xué)號： 1010190456 10101904一背景介紹目前，大力發(fā)展城市軌道交通已成共識。我國城市軌道交通事業(yè)正面臨著前所未有的良好發(fā)展環(huán)境和難得的發(fā)展機遇。進入21世紀，我國城市軌道交通建設(shè)將進入快速發(fā)展的階段據(jù)。初步統(tǒng)計，國內(nèi)目前已有十幾座城市正在建造快速軌道交通工程，已實現(xiàn)運營線路總長度近400km。另外還有相當(dāng)數(shù)量的大中城市，正在著手不同類型軌道交通建設(shè)的前期籌備工作，預(yù)計在未來中國城市發(fā)展中，軌道交通的建設(shè)速度將會不斷加快。2、 相關(guān)知識簡介1、城市軌道交通供電系統(tǒng)（Power suppl

2、y system for urban rail transit）由電力系統(tǒng)經(jīng)高壓輸電網(wǎng)、主變電所降壓、配電網(wǎng)絡(luò)和牽引變電所降壓、換流（轉(zhuǎn)換為直流電）等環(huán)節(jié)，向城市軌道快速交通線路運行的動車組輸送電力的全部供電系統(tǒng)。城市軌道交通供電系統(tǒng)通常包括兩大部分，即對沿線牽引變電所輸送電力的高可靠性專用外部供電系統(tǒng)；以及從直流牽引變電所經(jīng)降壓、換流后，向動車組電的直流牽引供電系統(tǒng)。其大致的示意圖如下： 從發(fā)電廠（站）經(jīng)升壓、高壓輸電網(wǎng)、區(qū)域變電站至主降壓變電站部分通常被稱為牽引供電系統(tǒng)的“外部（或一次）供電系統(tǒng)”。 從主降壓變電站（當(dāng)它不屬于電力部門時）及其以后部分統(tǒng)稱為“牽引供電系統(tǒng)”。它應(yīng)該包括：主降

3、壓變電站、直流牽引變電所、饋電線、接觸網(wǎng)、走行軌及回流線等。直流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。饋電線是將牽引變電所的直流電送到接觸網(wǎng)上。接觸網(wǎng)是沿列車走行軌架設(shè)的特殊供電線路，電動車輛通過其受流器與接觸網(wǎng)的直接接觸而獲得電力。走行軌道構(gòu)成牽引供電回路的一部分?；亓骶€將軌道回流引向牽引變電所。2、供電制式主要包含電流制、電壓等級和饋電方式，世界各國城市軌道交通均采用直流供電制式，這是因為城市軌道交通車輛功率相對城際列車是很小的，其供電距離較短，對供電電壓要求不高。其電壓在DC600V-DC1500V之間，我國規(guī)定采用DC750V和DC1500V兩種。牽引網(wǎng)饋電方式分

4、為架空接觸網(wǎng)和接觸軌兩種基本類型。一般DC750V采用第三軌饋電方式，DC1500V采用架空接觸網(wǎng)饋電方式。采用哪種供電制式必須根據(jù)城市具體條件與要求，綜合分析論證，經(jīng)測算采用DC750V與DC1500V供電方式單位工程成本接近，從經(jīng)濟上、運營維護的合理性以及備件的通用性等多方面考慮，選用DC1500V更有利一些。選擇合理的供電制式要依據(jù)以下原則：1.要與客流量相適應(yīng)。城市軌道交通設(shè)計的基礎(chǔ)為預(yù)期乘坐旅客流量。根據(jù)預(yù)測客流量選擇合適的電動客車類型，一般大運量的城市軌道交通系統(tǒng)，多采用DC1500V電壓，架空接觸網(wǎng)饋電；中小運量的城市軌道交通系統(tǒng)多采用DC750V和接觸軌饋電方式。比如上海、廣州

5、和大連采用DC1500V接觸網(wǎng)饋電；長春輕軌采用DC750V接觸網(wǎng)饋電。2.供電要求安全可靠。城市軌道交通是城市公共交通系統(tǒng)中的脊梁，一旦發(fā)生故障，造成列車停運，就會影響市民生活，引起城市交通混亂。安全可靠是選擇供電制式的重要條件之一。3.牽引網(wǎng)使用壽命長，減少維修工作量，降低軌道交通運營成本。4.根據(jù)城市人文景觀、地理環(huán)境需要選擇合適的牽引網(wǎng)。5.便于安裝和事故搶修。選用的牽引網(wǎng)應(yīng)便于施工安裝以及正常運營后的日常維修維護，一旦發(fā)生故障，盡快恢復(fù)運營。3、接觸網(wǎng)是城市軌道交通系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，占有非常重要的位置，是傳遞能量的橋梁。接觸網(wǎng)分為柔性接觸網(wǎng)和剛性接觸網(wǎng)，柔性接觸網(wǎng)由接觸懸掛、

6、支持裝置、定位裝置、支柱與基礎(chǔ)四部分組成，剛性接觸網(wǎng)是通過改革研制的新產(chǎn)品，相對柔性接觸網(wǎng)來說具有整體結(jié)構(gòu)簡單、無需下錨裝置、線叉及錨段關(guān)節(jié)安裝調(diào)試方便等優(yōu)點。柔性接觸網(wǎng)暴露于空氣，長期面臨著外界溫度應(yīng)力變化，處于經(jīng)常被受電弓抬升摩擦的工作環(huán)境中，其電可靠性、安全性及供電質(zhì)量對城市軌道交通起著相當(dāng)重要的作用。柔性接觸網(wǎng)分類大多以接觸懸掛的類型來區(qū)分，在一條線路上，為了滿足供電和機械方面的要求，把接觸網(wǎng)分成若干一定長度且相互獨立的分段，這就是接觸網(wǎng)的錨段。根據(jù)每個錨段結(jié)構(gòu)的不同分為簡單接觸懸掛和鏈型接觸懸掛。簡單懸掛的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、支柱高度低、投資小、施工檢修方便；缺點是導(dǎo)線的張力、馳度隨溫度

7、變化較大，導(dǎo)線彈性不均勻，不利于機車高速受流。單鏈形懸掛按下錨方式分為未補償簡單鏈形懸掛、半補償鏈形懸掛、全補償鏈形懸掛。未補償簡單鏈形懸掛即下錨處不設(shè)補償裝置，又稱為硬錨，其接觸線、承力索張力馳度隨溫度變化大，我國很少采用；半補償鏈形懸掛即接觸線補償下錨，承力索未設(shè)補償裝置；全補償鏈形懸掛即接觸線承力索都設(shè)有張力補償裝置。接觸線、承力索張力恒定、彈性較均勻、受流質(zhì)量較好。適合高速行車需要，是我國鐵路及城軌交通接觸懸掛的主要形式。按懸掛鏈數(shù)分分為單鏈型、雙鏈型及多鏈型接觸懸掛。單鏈型接觸懸掛按其有無彈性吊弦分為簡單鏈型懸掛和簡單彈性鏈型懸掛，如下圖所示。按照懸接觸線、承力索在空間位置關(guān)系分為直

8、鏈形懸掛、半斜鏈形懸掛、斜鏈形懸掛，如上圖所示。我國城市軌道交通接觸懸掛多采用簡單斜鏈型懸掛，這足以支持100KM/H以下的列車運行需要。4、整流裝置由整流變壓器與整流器構(gòu)成。直流牽引變電所的主要功能為，將其交流進線電壓通過整流變壓器降壓，然后經(jīng)整流器將交流電變成直流電供電動車輛的直流牽引電動機用。為了提高直流電的供電質(zhì)量，降低直流電源的脈動（波動）量，通常采用多相整流的方法，它可以是六相、十二相整流，還可以增加到二十四相整流。為此，整流變壓器不僅起降壓作用，還要將三相交流電變成多相交流電供整流器整流，整流變壓器與整流器合稱為整流裝置。下面就直流牽引變電所應(yīng)用的多相整流基本工作原理加以敘述。1

9、）、最簡單的三相半波整流電路（圖l7）圖中（a）表示整流變壓器的二次側(cè)三相繞組a、b、c成星形聯(lián)結(jié)，a、b、c三相分別接大功率半導(dǎo)體整流管 D1、D2、D3，R為負載電阻，三相交流電壓（Ua、Ub、Uc）波形如圖(b)所示。在任何時刻，相電壓最高的一相的整流管導(dǎo)通，此時整流電壓（加在負載R上的電壓）即為該相的瞬時電壓，如圖中t1t2時，為a相D1管導(dǎo)通，此時整流電壓為Ua，同理依次為D2、D3導(dǎo)通，整流電壓依次為Ub、Uc波形。2）、三相橋式整流電路 以上接線中兩組半波整流的負荷電流數(shù)值相等，即Id1=Id2，則Id1-Id2=0，零線可以取消，將兩組負載用抗疊加為一個，則成為圖1-8（b）所

10、示的三相橋式整流電路。橋式整流電路對同樣變壓器繞組電壓來說，其整流電壓升高一倍。反之，如整流電壓保持一定，則變壓器繞組電壓可以降低，因而整流元件承受的反電壓可以低些。三相橋式整流變壓器無直流磁化問題。整流電壓Ud的彼形為六相脈動波形，其整流電壓的次序依次為線電壓Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb、Uab、。如圖1-9所示。3）、大功率供電整流電路對于化工、冶金和電力牽引用的大功率整流設(shè)備，由于其直流電壓不太高，而電流很大，為了避免整流支路的整流元件（管）并聯(lián)數(shù)目不致太多，而造成元件之間電流分布不均的問題，可以用兩組整流器并聯(lián)工作的方法。同時可以使兩組整流器相互之間有相位移（相差），

11、以求得多相整流，減少整流電壓脈動的目的。目前城市軌道交通直流牽引變電所用的大功單半導(dǎo)體整流裝置，為了提高直流供電質(zhì)量，降低電壓脈動量，減少注入電網(wǎng)的諧波含量和提高整流變壓器的利用率，普遍采用多相整流電路。5、牽引變電所的電源一般來自電力系統(tǒng)的區(qū)域變電所，牽引變電所的任務(wù)就是將電力系統(tǒng)提供的三相工頻交流電變?yōu)闋恳玫碾娔?。根?jù)牽引制式的不同，牽引變電所又分為直流牽引變電所和交流牽引變電所。根據(jù)不同的牽引制式，變電所內(nèi)完成相應(yīng)的變壓、變相、變流作用。目前我國的牽引變電所主要有電氣化鐵路的單相工頻交流制牽引變電所和城市軌道交通系統(tǒng)（地鐵、輕軌）的直流牽引變電所。6、電力牽引軌道沿線的迷流腐蝕與保護

12、問題 絕大多數(shù)電力牽引軌道交通線路是以走行軌為其電回路的，由于鋼軌與大地之間不是絕緣的，因此由鋼軌回流牽引變電所的電流必有部分經(jīng)大地流回牽引變電所。這部分電流因大地土壤的導(dǎo)電性質(zhì)、地下金屬管道位置的不同，可以分布很廣，故稱之為“迷流”或“雜散電流”。 對于直流單邊供電區(qū)段，一個牽引負荷的情況下，其電流的分布情況，大致示意如圖 l-15所示。由圖可見，在牽引變電所回流線與鋼軌相接的回流點A處，地電流流回牽引變電所。 當(dāng)軌道沿線地下有金屬管道或建筑物鋼筋等導(dǎo)電物時，地中迷流必多沿金屬導(dǎo)體流動，到了回流點附近再流向鋼軌回變電所，因此在回流點附近的金屬管道形成了陽極區(qū)對大地為正），如圖1-16所示：

13、由圖可見對“正”接觸導(dǎo)線情況，陽極區(qū)總是在回流點處不動，這就使陽極區(qū)內(nèi)的金屬物正離子流向大地，發(fā)生電解腐蝕現(xiàn)象，損壞了金屬。這是直流牽引網(wǎng)存在的一個特殊問題，人們總是在不斷地努力尋求改善的各種方法。 當(dāng)接觸網(wǎng)為“負”極性時，與圖l-16中電流方向反向，陽極與陰極區(qū)將轉(zhuǎn)變，則陽極區(qū)將隨著列車的移動而移動，這樣陽極區(qū)是不固定的，則金屬物的腐蝕現(xiàn)象較均勻，情況就不會太嚴重。當(dāng)然接觸網(wǎng)的極性選擇不僅決定于此，目前還是以“正”極性為多。 為了改善地中電流造成的迷流腐蝕問題，可以采取增加軌道與大地間的絕緣、降低走行軌道的電阻、縮短變電所之間的距離、金屬管道遠離軌道線路和其他專門的“電保護”等措施使軌道電流

14、少泄漏人大地，即使有地電流也少流向地下金屬物，已經(jīng)流人地下金屬物的電流，也使其在回流點處往專設(shè)“電旁泄”直接流回變電所，不形成腐蝕陽極區(qū)。所謂“電旁泄”是一種專設(shè)的電流通道，它保證雜散電流從被保護建筑物回流人鋼軌網(wǎng)、牽引變電所回流線或者直接流入與鋼軌網(wǎng)相聯(lián)的牽引變電所母線，使地下建筑物處于陰極狀態(tài)。 “電保護”的方法很多，除了電旁泄方法之外，還可以有“陰極”保護方法，即人為地把特設(shè)的直流電源的陰極接在被保護的地下金屬物上，而陽極接在專設(shè)的接地器上，這樣被保護的地下金屬物對地為負電位，沒有電流流向大地，而進人的（牽引）地下電流經(jīng)特設(shè)電源由專設(shè)接地器（對地為陽極區(qū)）流人大地后回變電所，如圖虛線部分

15、。當(dāng)然還可以用與鋼軌并聯(lián)的專用線做為回流線，其投資更高。加拿大的直線電機軌道交通，在走行軌側(cè)設(shè)二根接觸軌作為正負供電線，這對迷流腐蝕來說也是一個很好的措施，只是結(jié)構(gòu)復(fù)雜一些，投資增加。7、城市軌道交通供電系統(tǒng)不僅為電力機車提供機械能，還保證旅客在旅行中有良好的衛(wèi)生環(huán)境，為空調(diào)設(shè)施、自動售檢票、自動扶梯、屏蔽門、通信信號、消防設(shè)施和各種照明設(shè)備提供能量，保證城市軌道交通系統(tǒng)正常運行?？梢哉f，供電系統(tǒng)是城市軌道交通系統(tǒng)的心臟，是最基礎(chǔ)的能源設(shè)施。整個供電系統(tǒng)應(yīng)具備安全可靠、調(diào)度方便、技術(shù)先進、功能齊全、經(jīng)濟合理的特點，并應(yīng)具備以下所述一些功能：顯示和計量功能，全方位的服務(wù)功能，遠程控制功能，故障自

16、救功能，防止誤操作的功能，方便靈活的調(diào)度功能，完善的控制功能，電磁兼容功能，系統(tǒng)的自我保護功能。三案例選取與相關(guān)簡介在本次課程設(shè)計中我們選取了上海地鐵2號線一期工程供電系統(tǒng)為模板，作了相關(guān)改動，并進行潮流計算：這是二號線現(xiàn)在的狀況，我們仿真的是一期工程：一期工程西起中山公園站，東到龍東路站，本案例中共設(shè)車站9個，分別為中山公園站，人民公園站，河南中路站，陸家嘴路站，東昌路站，東方路站，龍東路站，期間共有八段線路，全長12.504km。下面對此工程作一下描述：1. 供電系統(tǒng)構(gòu)成外部電源方案為集中式供電，設(shè)2座110kv主變電所。中壓網(wǎng)絡(luò)采用獨立的33kv牽引供電網(wǎng)絡(luò)以及獨立的10kv動力照明供電

17、系統(tǒng)。全線設(shè)7座牽引變電所，30座降壓變電所。如圖所示：2. 主變電所兩座主變，分別位于中央公園和靜安寺。每座主變從城市引入可靠110kv電源，每座主變均為線路變壓器組接線方式。兩路電源與主變分列運行，不設(shè)橋路開關(guān)。主變電所內(nèi)設(shè)33/10kv總配電變壓器，專供照明用電，容量為212.5MVA。中壓側(cè)33kv和10kv為分段單母線，設(shè)置分段開關(guān)，分段開關(guān)正常處于斷開狀態(tài)，失壓自投，過流閉鎖。每座主變電所的33kv兩段母線和10kv兩段母線各有3路饋出回路，供給牽引供電系統(tǒng)和照明供電系統(tǒng)。主變采用油浸自冷，有載自動調(diào)壓主變壓器。主變電所采用了SF6絕緣全封閉組合電器GIS，占地面積較小。3. 牽引

18、變電所牽引變電所的交流側(cè)電壓為33kv，采用單母線，雙電源，一用一備；直流側(cè)標稱電壓值為1500V。每座牽引變電所設(shè)兩套牽引整流機組，單套牽引整流機組為12脈波整流方式，兩套整流機組一期構(gòu)成24脈波整流方式。牽引變電所分就地和遠動二級控制，各控制對象能單獨進行控制方式轉(zhuǎn)換。按遠期無人值班設(shè)計。四24脈波整流機組介紹與仿真由于在本次科研訓(xùn)練中，考慮到在前一學(xué)期中學(xué)過有關(guān)整流的知識，而且對Matlab的使用不是很了解，所以就一起進行了一個簡易的24脈波整流電路的仿真。1.24脈波整流原理 24 脈波整流機組的主電路原理圖如圖1 所示。整流機組主要由兩臺12 脈波軸向雙分裂式牽引整流變壓器和四組全波

19、整流橋組成。每臺變壓器側(cè)閥二套繞組分別接成d 接法和y 接法，其線電壓形成30°相差。兩臺變壓器的網(wǎng)側(cè)采用延邊三角形接法，分別移相±7.5°。這樣形成的兩臺變壓器的四套閥側(cè)繞組的線電壓相量互差15°相位(閥側(cè)電壓向量圖如2圖所示)，分別經(jīng)全波整流后，在直流側(cè)并聯(lián)運行，構(gòu)成24脈波整流機組。值得注意的是，當(dāng)變壓器采用了軸向雙分裂式結(jié)構(gòu)，閥側(cè)繞組間具有較大的短路阻抗(分裂阻抗)，因此一般都不設(shè)橋間平衡電抗器。2. MATLAB-Simulink仿真總圖：從左到右元件分別為：三相電壓源：Y-移相變壓器2三相變壓器2三相整流器4三相整流器由以下元件封裝而成：參數(shù)

20、設(shè)置如圖：（其余兩相電源分別正偏和反偏120相角）最后得出顯示器中結(jié)果為：由圖可知，圖中0.01s出現(xiàn)了12個脈波，所以為24脈波，這點符合要求，其中數(shù)值與預(yù)期的1500v存在著一些偏差，主要由于在實際中，繞組匝數(shù)必須是整數(shù)，因此兩閥側(cè)繞組的匝數(shù)比不可能完全等同于 ，只能盡可能接近，所以會出現(xiàn)數(shù)值的偏差，誤差約為2.83%。 五基于案例的潮流分析1、城市軌道交通供電系統(tǒng)的中壓網(wǎng)絡(luò)中壓網(wǎng)絡(luò)由兩條以上與城市軌道交通線路平行敷設(shè)的電纜線路構(gòu)成。其作用是: 縱向把電源側(cè)的主變電所和負荷側(cè)的牽引變電所、降壓變電所連接起來, 橫向把全線的各個牽引變電所和降壓變電所連接起來。由于中壓網(wǎng)絡(luò)是供電系統(tǒng)內(nèi)部變電所

21、之間唯一的電能傳輸通道, 因此每回電纜線路的容量必須滿足所供分區(qū)內(nèi)全部牽引負荷和一、二級動力照明負荷的需求, 而且在網(wǎng)絡(luò)的接線形式、電壓等級、電纜截面的選擇等各方面也應(yīng)根據(jù)負荷情況經(jīng)詳細分析后確定。2、中壓網(wǎng)絡(luò)分析2.1潮流分布計算在進行電力網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計和運行時, 都必須計算電力系統(tǒng)在各種運行方式下各節(jié)點的電壓和通過網(wǎng)絡(luò)各元件的功率。這種計算在工程上稱為電力系統(tǒng)的潮流分布計算。城市軌道交通供電系統(tǒng)可以等效視為規(guī)模較小的電力網(wǎng)絡(luò), 正常運行時基本上是三相對稱的, 因而在潮流計算中一般只需要建立網(wǎng)絡(luò)元件的正序等值電路。根據(jù)開式電網(wǎng)( 負荷只能從一個方向獲得電能的電力網(wǎng)稱為開式電力網(wǎng)) 的定義, 城

22、市軌道交通供電系統(tǒng)可根據(jù)自身的網(wǎng)絡(luò)組成等效成若干開式電網(wǎng)支路, 然后通過反復(fù)迭代計算, 就可得到整個網(wǎng)絡(luò)中各元件的功率和網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的電壓。典型支路潮流計算結(jié)構(gòu)簡圖如圖所示。（具體計算略）2.2潮流分析的主要目標潮流計算主要考察的是網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點電壓和支路功率。就城市軌道交通而言, 對這些數(shù)據(jù)進行計算整理, 最終考察的主要是以下幾個指標。2.2.1電壓損耗電壓損耗是指網(wǎng)絡(luò)元件首末端電壓的數(shù)值差。在近似計算中, 電壓損耗可以用電壓降落縱分量的幅值表示。即:電壓損耗百分值直接反映供電電壓的質(zhì)量。根據(jù)電力網(wǎng)電壓質(zhì)量的要求, 一條輸電線路的電壓損耗百分比在線路通過最大負荷時, 一般不應(yīng)超過其額定電壓的。2.2.2電壓偏移電