軌道交通牽引供變電技術第1章第2節(jié)-城市軌道交通直流電力牽引供變電裝置及其功能

第一章軌道交通牽引供變電裝置與電氣設備概論第二節(jié)城市軌道交通直流電力牽引供變電裝置及其功能軌道交通牽引供變電技術第二節(jié)城市軌道交通直流電力牽引供變電裝置及其功能軌道交通牽引供變電技術軌道交通牽引供變電技術

城市軌道交通直流電力牽引供變電系統(tǒng)是由從電力系統(tǒng)的區(qū)域變電站或城網(wǎng)降壓變電站接受和輸送電能的外部供電系統(tǒng)（包括主變電所、專用中壓供電網(wǎng)）、直流牽引變電所和降壓變電所等環(huán)節(jié)和裝置組成的專用電氣系統(tǒng)，如圖1.11所示。它主要通過牽引變電所整流機組降壓變流后，向城市軌道交通電動車組牽引負荷提供所需直流電壓和電能。同時，經(jīng)降壓變電所變壓器降壓后，為車站與線路區(qū)間各種機電設備、照明負荷和通信信號提供低壓380/220V電源。圖1.11城市軌道交通直流電力牽引供變電系統(tǒng)組成圖軌道交通牽引供變電技術世界上各國城市軌道交通的地鐵與輕軌，大都采用直流牽引制，并具有一百多年的運營歷史。由于城市軌道交通牽引的特點是，車站站間距離短（1～3km），列車啟動和制動頻繁，要求牽引網(wǎng)供電電壓應相對維持穩(wěn)定。最初采用直流電力牽引制的出發(fā)點有以下幾方面：（1）電動車輛應用直流牽引電機調(diào)速方便且易于實現(xiàn)，借助傳統(tǒng)的電阻調(diào)節(jié)控制，改變牽引電機端壓或調(diào)節(jié)勵磁即可調(diào)節(jié)速度。（2）直流串激電機具有適合于列車牽引性能的轉矩-速度特性。（3）直流供電相對交流供電的牽引網(wǎng)電壓損失和功率損失要小得多，有利于保持網(wǎng)壓穩(wěn)定，確保列車頻繁啟動下的電壓質(zhì)量，從而有利于保證列車的運行速度。軌道交通牽引供變電技術隨著機車控制技術和電力電子技術的發(fā)展，出現(xiàn)了斬波調(diào)壓控制的直流牽引電機驅(qū)動方式，直流牽引制的上述優(yōu)勢依然明顯，即便是目前采用變頻調(diào)壓（VVVF）控制的交流牽引電機傳動系統(tǒng)，直流牽引制對于保證網(wǎng)壓質(zhì)量和交流傳動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，以及簡化電動車輛逆變器的器件與設備都是有利的，因此，至今仍然在城市軌道交通牽引中得到廣泛的采用。國外城市軌道交通的直流牽引制供電電壓等級，從570V、750V到1500V、3000V等有多種標準，但其發(fā)展趨勢是向國際電工協(xié)會（IEC）制定的國際標準600V、750V和1500V等電壓等級靠攏。軌道交通牽引供變電技術我國國家標準規(guī)定，城市軌道交通電力牽引供電電壓為750V、1500V兩種等級，其電壓允許波動范圍：750V電壓級為500～900V；1500V電壓級為1000～1800V。電壓等級的選擇是一項牽涉城市或地區(qū)近期與長遠經(jīng)濟、社會發(fā)展的重大決策，它與牽引網(wǎng)結構形式、城市遠期客流量、電動車輛容量與編組、線路斷面開挖工程量，以及具體城市或地區(qū)的環(huán)境和地質(zhì)條件等多種因素有關，應針對主要影響因素，通過綜合技術經(jīng)濟全面比較予以確定。對于750V和1500V電壓等級的牽引網(wǎng)結構形式，均分為架空接觸網(wǎng)和接觸軌兩種。我國早期在北京、天津等地建成的地鐵工程，都是采用直流750V上部取流低碳鋼接觸軌系統(tǒng)，軌道交通牽引供變電技術20世紀末和21世紀初，上海、廣州等地投入運營的地鐵線多數(shù)采用1500V柔性架空接觸網(wǎng)結構，少數(shù)采用1500V剛性架空接觸網(wǎng)結構，同時少數(shù)城市的輕軌線路也有分別采用750V柔性架空接觸網(wǎng)和750V下部取流與上部取流鋼鋁復合接觸軌結構的系統(tǒng)，其后一些城市的地鐵工程則采用了1500V下部取流鋼鋁復合接觸軌系統(tǒng)。這說明接觸網(wǎng)結構形式及其使用的新材料，近年來得到了良好的發(fā)展和應用。

為了對城市軌道交通直流電力牽引供變電系統(tǒng)各主要組成環(huán)節(jié)和供電裝置的功能與作用有全面的了解，下面分別給以簡要介紹。軌道交通牽引供變電技術城市軌道交通需從城市電網(wǎng)或區(qū)域變電所取得電源，由于牽引負荷和為其服務的重要機械動力、行車信號和車站照明都屬于一級負荷，從電源接受和輸送電能并為其供電的外部供電方式必須有足夠的可靠性、靈活性，并能保證供電質(zhì)量。外部供電電源依靠中壓供電網(wǎng)分別與沿線牽引變電所、降壓變電所連接，構成后兩者的電源進線。（一）外部供電方式外部供電方式有集中式供電、分散式供電和混合式供電3種，其構成和主要特點分述如下：

一、外部供電方式和中壓供電網(wǎng)軌道交通牽引供變電技術集中式供電方式集中式供電方式是由專門設置的主變電所集中為沿線直流牽引變電所和降壓變電所供電的一種供電方式，如圖1.12所示。每個主變電所需有兩路從區(qū)域或城網(wǎng)降壓變電所饋出的獨立電源進線，線路電壓多采用110kV，經(jīng)降壓后輸出35kV電壓饋線，為牽引變電所和降壓變電所供電。圖中各主變電所的供電劃分為若干供電分區(qū)，每兩個供電分區(qū)間通過雙環(huán)網(wǎng)電纜進行聯(lián)絡，并設有聯(lián)絡開關QF1、QF2等，正常時斷開。若主變電所A退出工作，則QF1、QF2自動合閘，由相鄰主變電所B向原主變電所A的供電分區(qū)供電。主變電所B退出時，上述程序類似。軌道交通牽引供變電技術圖1.12集中式供電方式示意圖集中式供電方式的主要特點：（1）專用主變電所從城網(wǎng)（或區(qū)域變）高等級的110

kV電壓級引入，形成獨立的供電系統(tǒng)，受城市其他電氣負荷的干擾影響小，供電質(zhì)量和可靠性較高。軌道交通牽引供變電技術（2）城軌交通外部供電與牽引、降壓供電組成統(tǒng)一的獨立系統(tǒng)，便于運營管理與維護，有利于集中調(diào)度監(jiān)控，最終將有利于提高效益。（3）由于35

kV供電電壓的集中式供電方式相對于分散供電的10

kV電網(wǎng)供電，在供電容量和輸送距離方面具有較大優(yōu)勢，有利于城軌交通的長遠發(fā)展和多條線路共用主變電所等資源，從而可極大地獲取總體經(jīng)濟利益。我國多數(shù)大城市如上海、廣州等地和國外某些大城市地鐵工程都采用集中式供電方式。軌道交通牽引供變電技術2.分散式供電方式分散式供電方式是在城市軌道交通沿線就近從城市電網(wǎng)引入中壓10

kV電源直接為牽引變電所和降壓變電所供電的外部供電方式（因城網(wǎng)35

kV電壓級趨于淘汰），如圖1.13所示。一般從城網(wǎng)不同降壓變電所引入的中壓電源向若干個牽引、降壓變電所供電，并各自形成供電分區(qū)，兩供電分區(qū)通過雙環(huán)網(wǎng)電纜進行聯(lián)絡，并設有聯(lián)絡開關，正常時聯(lián)絡開關斷開，各供電分區(qū)分別由各自電源供電，如圖

1.13

中所示。若某一中壓電源進線故障或檢修而退出工作，則通過聯(lián)絡開關自動合閘，轉換由相鄰電源進線為其供電分區(qū)供電，其過程與上述集中式供電方式相同。軌道交通牽引供變電技術圖1.13分散式供電方式示意圖分散式供電方式的主要特點：（1）城軌供電系統(tǒng)中壓電源，如就近從城市電網(wǎng)引入，平均每4～5個車站（牽引、降壓變電所）需引入兩路電源進線，與城市電網(wǎng)接口明顯較多，受城網(wǎng)負荷干擾影響較大，供電質(zhì)量和可靠性相對降低。軌道交通牽引供變電技術（2）城軌供電系統(tǒng)的整體獨立性較差，不利于運營管理和集中調(diào)度監(jiān)控，致使供電系統(tǒng)效益受影響。我國僅在早期修建的北京地鐵線路和個別其他城市輕軌線路采用分散式供電方式。3.混合式供電方式

混合式供電是介于集中式供電與分散式供電之間的一種組合供電方式。它根據(jù)城市電網(wǎng)的現(xiàn)實布局、規(guī)劃和城軌交通近、遠期發(fā)展的需要，因地制宜地充分融入集中式供電與分散式供電方式的優(yōu)點，多數(shù)以集中式供電為主、分散式供電為輔構成，使城軌交通供電系統(tǒng)得到進一步完善和優(yōu)化。這種供電方式的中壓網(wǎng)絡結構及其運行，和前述圖1.12、圖1.13相似，此處不再贅述?；旌鲜焦╇姺绞皆诒本┑罔F近期工程和其他城市城軌交通工程中得到了應用。軌道交通牽引供變電技術（二）中壓供電網(wǎng)中壓供電網(wǎng)是城軌交通外部供電系統(tǒng)的主要組成部分。從對上述各種外部供電方式和圖1.12、圖1.13的分析可知，中壓供電網(wǎng)是連接外部電源與城軌交通牽引、降壓變電所的紐帶，它采用何種電壓等級與結構形式對整個城軌交通供電系統(tǒng)的安全、可靠供電和經(jīng)濟、高效運行將產(chǎn)生重大作用與影響。

1.中壓供電網(wǎng)電壓等級中壓供電網(wǎng)電壓等級的選擇要綜合外部電源情況、城軌交通站點設置、客流量等近期和遠期發(fā)展趨勢，通過全面的技術經(jīng)濟比較確定。我國現(xiàn)行中壓配電標準電壓等級與我國城市軌道交通通用的中壓供電網(wǎng)絡電壓相適應的電壓有35kV、20kV、10kV等幾種。軌道交通牽引供變電技術其中20kV電壓是國際標準電壓級，無論從我國城鄉(xiāng)電力消費增長的發(fā)展趨勢還是城軌交通供電的技術指標來衡量，都是公認為具有發(fā)展前景的優(yōu)越電壓級。目前20kV配電設備、變壓器系列設備已基本上實現(xiàn)了國產(chǎn)化。

為了從技術上對35kV、20kV、10kV中壓供電網(wǎng)有進一步的全面了解，參考文獻[6]對其主要技術指標進行了分析計算，并列出了有關綜合比較指標，如表1.1所示，以供參考。軌道交通牽引供變電技術序號項

目35

kV電壓網(wǎng)絡20

kV電壓網(wǎng)絡10

kV電壓網(wǎng)絡1同一三相平衡負荷下的供電線路長度之比①12.5412供電線路電壓損失之比②1412.53供電線路功率輸送能力之比③3.5214線路功率損失小中大5配電設備尺寸及占用變電所面積較大適中小表1.1不同電壓等級的中壓供電網(wǎng)絡主要技術指標和綜合指標注：①設定電壓損失、負荷P、Q（有功功率、無功功率）、導線截面等均相同。②設定線路距離、輸送功率、導線截面相同。③線路計算電流相同。從表1.1中數(shù)據(jù)可知，城軌交通供電系統(tǒng)的中壓供電網(wǎng)絡，其電壓越高，系統(tǒng)的輸送能力越大，供電距離就越遠，但變電所配電設備所占空間和面積有所增大，需增加一次投資。軌道交通牽引供變電技術（3）應能滿足網(wǎng)絡中負荷分配平衡和潮流計算的要求，后者是指設備和導線容量應能適應潮流計算的節(jié)點功率分布（數(shù)量）和電壓水平規(guī)定值的要求。

按供電對象不同，中壓供電網(wǎng)又區(qū)分為獨立牽引供電網(wǎng)、獨立動力照明供電網(wǎng)和牽引、動力混合供電網(wǎng)。從經(jīng)濟性考慮，牽引、動力混合供電網(wǎng)一次投資最省，但安全可靠性比牽引、動力獨立供電網(wǎng)絡要差些，但完全能滿足需要，因而牽引、動力混合供電網(wǎng)得到廣泛采用。各種中壓供電網(wǎng)絡多數(shù)采用同一電壓級供電，但在技術經(jīng)濟條件滿足時也可采用不同電壓級供電。軌道交通牽引供變電技術

典型的牽引動力照明混合中壓供電網(wǎng)雙環(huán)網(wǎng)供電接線方式如圖1.14所示。圖1.14牽引動力照明混合供電網(wǎng)絡軌道交通牽引供變電技術

典型的牽引動力照明混合中壓供電網(wǎng)雙環(huán)網(wǎng)供電接線方式如圖1.14所示。圖中每個供電分區(qū)均從主變電所的不同母線分段就近引入兩路中壓電源WL1、WL2，每路電源經(jīng)由各牽引、降壓變電所的一段母線及其進線斷路器

QF1、QF2

等而連通，各牽引、降壓變電所母線分段斷路器QFD斷開，正常運行時WL1、WL2同時為各牽引、降壓變電所SS1～SS3各自分段母線供電，由于SS3的QFD斷開，這時WL1、WL2構成的環(huán)網(wǎng)處于開環(huán)運行，當任一引入電源如WL2失壓，則

QF1、QF2、QF5、QF6等自動跳閘，使各變電所母線分段斷路器自動合閘，從而轉換為由WL1電源向SS1～SS3牽引、降壓變電所全部供電。圖

1.14

所示僅為從一個主變電所引入雙回路電源供電的供電分區(qū)的一部分，它與從另一主變電所引入雙回路電源的其他供電分區(qū)通過聯(lián)絡開關相聯(lián)系，構成雙電源雙環(huán)網(wǎng)中壓供電網(wǎng)絡。正常運行情況下，聯(lián)絡開關斷開，雙環(huán)網(wǎng)處于開環(huán)狀態(tài)。軌道交通牽引供變電技術

另一種雙回路輻射式中壓供電網(wǎng)絡如圖1.15

所示。它適用于靠近主變電所的牽引、降壓變電所。正常運行時，各牽引、降壓變電所由主變電所兩段母線分別引入兩路電源進線，兩路電源進線分別接于與前者不同的兩段母線。正常情況下，母線分段斷路器QFD處于分閘狀態(tài)。兩路進線電源分別對兩段母線連接的負荷正常供電。當一路進線電源失電時，該牽引、降壓變電所進線斷路器跳閘，啟動備用電源自投裝置，將

QFD

合閘，由另一路進線電源承擔該變電所全部一、二級用電負荷。軌道交通牽引供變電技術中壓供電網(wǎng)的網(wǎng)絡介質(zhì)：對于地鐵和輕軌交通的地下設施，普遍采用單芯銅電纜，只有在地面工程的少數(shù)情況下，采用三相架空供電線路。圖1.15雙回路輻射式中壓供電網(wǎng)絡軌道交通牽引供變電技術二、主變電所

城軌交通供電系統(tǒng)采用集中式外部供電方式的情況下，應設置專用主變電所。主變電所的功能是從電力系統(tǒng)的區(qū)域變電所或城網(wǎng)降壓變電所接受饋出的高壓電源，經(jīng)主變壓器降壓后通過中壓供電網(wǎng)向沿線直流牽引變電所、降壓變電所集中供電。

根據(jù)城軌交通牽引、動力照明負荷的特點，為其供電的主變電所應設在沿軌道線路接近負荷中心的位置，并盡量貼近線路，以縮短主變電所至線路間的供電電力電纜長度。此外，還應滿足中壓供電網(wǎng)末端電壓損失允許值的要求，規(guī)定應按列車運行的遠期通過能力時，對互為備用的供電線路，當一回路退出運行，另一回路承擔其一、二級負荷供電的情況下，該線路末端電壓損失不宜超過

5%，據(jù)此以確定主變電所的數(shù)量，為保證供電的可靠性，一條線路應設置兩座或更多主變電所。軌道交通牽引供變電技術

由于特大城市軌道交通建設的進一步網(wǎng)絡化發(fā)展和擴張，主變電所的位置和容量應考慮資源共享的需要，即一個主變電所同時為多條軌道交通線路供電服務。同時主變電所的具體定位，還要與城市規(guī)劃部門和城市電網(wǎng)規(guī)劃與電網(wǎng)管理部門協(xié)調(diào)落實。

主變電所設有

110

kV

高壓兩路專用獨立電源進線，或一回路為專用進線，另一回路進線在城網(wǎng)110

kV聯(lián)絡線上用“T”連接方式引入，高壓側多數(shù)采用線路-變壓器組或內(nèi)橋接線的電氣主接線。采用內(nèi)橋接線的主變電所電氣主接線如圖

1.16所示軌道交通牽引供變電技術圖1.16主變電所電氣主接線圖軌道交通牽引供變電技術

經(jīng)主變壓器降壓后，二次電壓為35

kV，均輸出至帶分段斷路器QFD的35

kV中壓分段母線，用多路饋電線饋送至中壓供電網(wǎng)和有關牽引、降壓變電所。

主變電所的結構形式，按照城市規(guī)劃要求和城市建筑條件的制約，城軌交通主變電所多數(shù)采用戶內(nèi)式、半戶外式和地下式等結構形式。對于戶內(nèi)和地下主變電所，電氣設備應盡量無油化、小型化，采用全封閉絕緣組合電器（GIS）或成套配電設備，以減小占地面積和建筑的體積，并需考慮良好的消防設施和隔音裝置，提高變電所建筑的防火等級，妥善地處理和解決防火、防爆、防毒及環(huán)保等重大問題。軌道交通牽引供變電技術三、直流牽引變電所

直流牽引變電所從環(huán)網(wǎng)供電線路的雙電源受電，經(jīng)整流機組整流變壓器降壓、分相后，按一定整流接線方式由大功率硅整流器（或可控硅整流器）把三相交流電變換為直流牽引網(wǎng)相應電壓等級的直流電，并向電動車組或電動車輛供電，如圖1.17所示。整流機組是直流牽引變電所的重要環(huán)節(jié)，為降低整流直流中的脈動分量和整流變壓器一次側的諧波含量，一般應采用等效24脈波或12脈波的整流接線方式?，F(xiàn)代整流機組的單機功率可達3

500

kW以上。

直流牽引變電所的容量和布點位置應根據(jù)線路牽引供電計算的結果，并按牽引網(wǎng)電壓等級、牽引網(wǎng)電壓損失允許值，同時兼顧對牽引電流導致的雜散電流防護、牽引網(wǎng)能耗等多種因素全面綜合考慮后確定。一般設置在沿線與車站合建，以及設在車輛段內(nèi)，對于地面軌道線路或條件許可的少數(shù)地下線路，也可在地面單獨設所。牽引變電所間距離一般在1～4

km。軌道交通牽引供變電技術

如圖1.17所示為直流牽引變電所主接線，兩回路10～35

kV進線電源，從主變電所或區(qū)域變電所引來，在35

kV單母線上匯流，由兩臺三繞組多相整流變壓器

T1、T2

和兩臺基于兩組并聯(lián)三相橋式整流電路構成的大功率硅流器

RCT1、RCT2

分別組成兩套

12

脈波整流裝置，并在直流輸出側并聯(lián)。由于兩臺整流變壓器原邊繞組電壓分別移相±7.5

，兩套12脈波整流器的兩組橋式整流電路為并聯(lián)輸出，從而形成四組三相整流橋并聯(lián)工作的等效

24

脈波整流電路裝置（其構成原理將在本書第三章第三節(jié)中講述）。軌道交通牽引供變電技術兩套整流器的共陰極輸出端，分別經(jīng)由保護其過載和外部短路的直流快速斷路器DQF1、DQF2與整流電壓正母線（＋1

500

V）相連接，其共陽極輸出端則與負母線（－1

500

V）連接。然后通過接觸網(wǎng)饋線F1～F4

和保護接觸網(wǎng)短路或過載用的饋線直流快速斷路器

DQF3～DQF6

等分別為牽引變電所兩側區(qū)間的上、下行接觸網(wǎng)供電，負母線經(jīng)回流導線與線路走行軌相連，形成向電動車輛供電的直流牽引供電回路系統(tǒng)。軌道交通牽引供變電技術圖1.17直流牽引變電所主接線軌道交通牽引供變電技術

由于直流牽引電流流經(jīng)具有內(nèi)阻的走行軌時，將在走行軌上產(chǎn)生縱向電位，其電位大小與直流牽引電流數(shù)值、走行軌單位電阻和供電區(qū)長度有關，如其他條件不變，牽引變電所的供電分區(qū)長度越長，走行軌上形成的縱向電位差就越大，則由其產(chǎn)生的雜散電流泄漏越多，對雜散電流的防護越不利，因此確定牽引變電所間距時需兼顧這方面的需求。（有關雜散電流形成及其對金屬物的腐蝕機理將在本書第八章第九節(jié)講述。）

直流牽引變電所多數(shù)設置在地下車站內(nèi)，對其電氣設備的要求與地下式主變電所對電氣設備的要求相同，應做到無油化、小型化。

軌道交通牽引供變電技術

整流變壓器采用環(huán)氧樹脂絕緣、干式空氣冷卻（可預留強迫風冷），整流器采用箱式結構、空氣冷卻，配電設備采用無油化成套裝置，并應加強全所防火、防爆、防毒等有效措施。

地鐵、城市輕軌交通直流牽引變電所通常與向車站、區(qū)間供電的降壓電力變電所合并，形成牽引、降壓混合變電所。此時，主電路結構和電氣設備與一般直流牽引所相比有所不同。

在有再生電能需向交流電網(wǎng)返送的情況下，直流牽引變電所必須增設可控硅逆變機組（包括交流側的自耦變壓器），其功能和設備也相應增加，運行、技術都較復雜。直流牽引變電所間距離較短，一般不設分區(qū)所和開閉所。軌道交通牽引供變電技術四、降壓變電所

降壓變電所從中壓供電網(wǎng)取得電源，將

10～35

kV

電壓變換為城軌交通低壓設備需要的380

V/220

V低壓電能，向車站列車運輸?shù)耐ㄐ?、信號系統(tǒng)，各種消防、滅火、排水等安全系統(tǒng)，生活和營業(yè)設施，區(qū)間安全設施，車輛段作業(yè)設施，線路控制中心和變電所操作電源等動