「城市軌道交通供電與牽引系統（高級課件）」.ppt

第六章城市軌道交通供電與牽引系統 要點 2 城市軌道交通供電系統 1 城市軌道交通電力牽引系統 3 城市軌道交通牽引供電行業(yè)標準 4 城市軌道交通牽引供電產業(yè)發(fā)展概況 第六章城市軌道交通供電與牽引系統 課程基礎 2 電機與電力拖動 1 工廠供電原理 3 電力拖動自動控制系統 4 電力電子技術 第六章城市軌道交通供電與牽引系統 推薦相關教材 2 鄭瞳熾 張明銳 城市軌道交通牽引供電系統 M 北京 中國鐵道出版社 2000 1 徐安 城市軌道交通電力牽引 M 北京 中國鐵道出版社 2000 3 于松偉 楊興山 韓連祥 等 城市軌道交通供電系統設計原理與應用 M 成都 西南交通大學出版社 2008 6 1 2直流電力牽引系統 6 1 3交流電力牽引系統 6 1城市軌道交通電力牽引系統 6 1 4城市軌道車輛用直流感應電機 6 1 1概述 1 電力牽引系統工作原理及能量傳遞過程 6 1 1概述 牽引傳動裝置 接觸網 第三軌 受流器變流裝置牽引電機齒輪傳動箱輪對列車運行 2 軌道交通電力牽引系統主要類型 根據供電電壓制式可分為 直流 600 750 1500 3000V 標稱值 交流 6250 15000 25000V 標稱值 根據牽引電機可分為 直流電力牽引系統交流電力牽引系統 直流傳動框圖 交流傳動框圖 3 軌道交通車輛的結構與特性 有軌電車 電動車組 特種電動車獨軌電動車輕軌車磁浮列車 4 電動車組牽引特性 6 1 2直流電力牽引系統 1 直流電動機2 直流牽引調速系統3 牽引電動機的電氣制動4 牽引主回路及其控制 1 直流電動機 直流電動機由定子轉子兩部分構成 直流電動機各部分的作用 定子的作用是用來產生磁場 提供磁路和作為電機的機械支撐 轉子部分是用來產生感應電勢和電磁轉矩從而實現機電能量轉換的主要部件 轉子通過軸承與定子保持相對位置 使兩者之間有一個空氣隙 直流電動機工作原理 直流電動機分類 根據勵磁繞組與電樞繞組的聯接方式主要分為他勵 并勵 串勵和復勵四種 直流電動機機械特性 電動機是用來拖動車輛運行的 而車輛運行對電動機提出的主要要求是轉速和轉矩 串勵電動機機械特性 他勵電動機機械特性 2 直流牽引調速系統 直流電機的基本調速方法直流牽引電動機調速的基本形式 直流牽引調速系統 基本調速方法 這里 CE是常數Id是由負載決定的方法 調節(jié)電樞供電電壓U改變勵磁磁通 改變電樞回路電阻R 直流牽引調速系統 基本形式 調節(jié)端電壓 1 變阻控制調節(jié)電阻的方法又可分為兩類 即采用有觸點組合式凸輪開關調阻和無觸點斬波調阻 有觸點開關調阻 斬波調阻 直流牽引調速系統 基本形式 調壓法 2 斬波調壓 直流斬波電路原理 直流斬波電壓波形 1 定頻調寬控制 脈寬調制 保持斬波周期T不變 改變斬波器導通時間 從而改變負載平均電壓 2 定頻調寬控制 頻率調制 保持斬波周期T不變 改變斬波器導通時間 從而改變負載平均電壓 3 調頻調寬混合控制 不但改變斬波器的工作頻率 而且改變斬波器的導通時間 特點比較 1 定頻調寬控制 頻率固定 易于設計消除高次諧波的濾波器 2 定寬調頻控制 控制方便 易發(fā)生共振及干擾通信信號 3 調頻調寬混合控制 常用在需要大幅度改變輸入電壓 同樣帶來濾波器設計困難等問題 直流牽引調速系統 基本形式 調節(jié)主極磁通 3 電動機的電氣制動 電阻制動他勵式電阻制動串勵式電阻制動再生制動 電動機的電氣制動 電阻制動 電機牽引工況 他勵電阻制動工況 電動機的電氣制動 再生制動 4 牽引主回路及其控制 主電路 輔助電路 控制電路 機車電路 主電路功能 牽引和制動時 完成能量傳遞和轉換 特點 大功率 高電壓 大電流 主要包括 牽引變壓器 整流器 牽引電機 1受電弓2主斷路器 牽引斷路器 3電壓檢測環(huán)節(jié)4接地開關5負載接觸器6濾波電抗器7濾波電容器8凸輪調速變阻器9牽引電動機10信號發(fā)生器11控制電子裝置12司機控制器 輔助電路 有兩類 1 交流輔助電路功能 給主電路的通風 冷卻輔助電機等 特點 三相380V交流供電 功率較小 包括 單 三相變換器 通風電機 壓縮電機等 2 直流輔助電路功能 給電器控制 電子控制及照明 空調設備供電 特點 直流110V供電 有蓄電池作后備電源 包括 DC110V交直流變換電源 蓄電池 車燈 空調等 此外 用于客車牽引的機車上有DC600V直流電源供客車車廂內空調 采暖 照明及旅客信息服務系統供電 控制電路 有兩類 1 電器控制功能 完成電路和氣路的開關及邏輯互鎖 特點 電動或氣動的邏輯開關 包括 繼電器 電控閥 氣動開關等 近年來生產機車上的邏輯聯鎖已由邏輯控制單元 LCU 完成 2 電子控制功能 配合主輔助電路完成機車的控制 特點 弱電控制 控制復雜 包括 給定積分器 特性控制 防空轉 防滑 移相控制 功率放大 脈沖變壓器等控制單元 6 1 3交流電力牽引系統 1 交流牽引系統特點及發(fā)展概況2 三相異步電機3 交流電機調速系統4 交流傳動的脈寬調制技術 1 交流牽引系統特點及發(fā)展概況 直流電力傳動優(yōu)點 具有良好的調速性能直流電力傳動缺點 防空轉性能較差 換向器與電刷 因而帶來了較大的體積與重量 容易產生環(huán)火以及繁雜的維護問題交流電力傳動特點 電機結構簡單 成本較低 正作可靠 壽命長 維修 運行費用低 防空轉能力好 第一階段 交流電動機數學模型復雜 初期 人們對其調速特點沒有很好的掌握 第二階段 充分掌握其調速理論 受變流器本身限制 調速裝置無法實現 第三階段 電力電子器件的發(fā)展促進了交流電機的應用 交流牽引系統已被世界各國公認為近代最優(yōu)越的牽引調速系統 交流牽引也是今后世界各國軌道交通發(fā)展的總趨勢 國外部分城市使用交流牽引車輛概況 2 三相異步電動機 1軸承2前端蓋3轉軸4接線盒5吊環(huán)6定子鐵心7轉子8定子繞組9機座10后端蓋11風罩12風扇 封閉式三相籠型異步電動機結構 3 三相異步電機工作原理 定子三相繞組通入三相交流電 星形聯接 旋轉磁場的產生 電流出 電流入 三相電流合成磁場的分布情況 合成磁場方向向下 合成磁場旋轉60 合成磁場旋轉90 t o 轉動原理 定子三相繞組通入三相交流電 感應電動勢E20 電磁力F A X Y C B Z 由前面分析可知 電動機轉子轉動方向與磁場旋轉的方向一致 但轉子轉速n不可能達到與旋轉磁場的轉速相等 即 如果 轉差率 因此 轉子轉速與旋轉磁場轉速間必須要有差別 旋轉磁場的同步轉速和電動機轉子轉速之差與旋轉磁場的同步轉速之比稱為轉差率 機械特性 4 交流電動機調速系統 三相交流異步電機調速方法可分為改變極對數 調節(jié)供電頻率 調節(jié)轉差三大類 變頻調速是最為理想的調速方法 變頻調速是把交 直流電變換為可調電壓 可調頻率的交流電 向交流電機供電 脈寬調制控制技術 用于交流電傳動的變頻器實際上是變壓 VariableVoltage 簡稱VV 變頻 VariableFrequency 簡稱VF 器 即所謂VVVF裝置 6 1 4城市軌道車輛用直線感應電機 1 直線電機特點及發(fā)展概況2 直線感應電機的基本工作原理3 直線感應電機控制及在地鐵動車上的應用 優(yōu)點 LTM車輛有著斷面小 爬坡能力強 轉彎半徑小 良好的牽引和制動性能 噪聲小 壽命長等優(yōu)點 缺點 與普通的旋轉電機相比 它的效率和功率因數低 直線電機系統一次側和二次側的氣隙對LIM的性能影響較大 所以對軌道 反作用板 軌枕的尺寸精度及安裝精度 LIM的安裝精度及支撐結構都相應有較高的要求 加拿大的多倫多 溫哥華 LIM驅動的輕軌車輛已運營多年馬來西亞也計劃建設同樣的交通系統在日本 LIM驅動方式也被用于地鐵車輛牽引 如大阪地鐵的鶴見綠地線電動車輛 東京地鐵的都營12號線電動車輛 都采用了LIM驅動方式 1 直線電機特點及發(fā)展概況 2 直線感應電機的基本工作原理 車輛用直線感應電機的牽引控制原理與旋轉式異步電機的控制方法是一樣的 都采用變頻變壓控制 由VVVF逆變器完成牽引控制功能 控制方法既可采用較為簡單的轉差頻率控制 亦可采用高級的動態(tài)控制方法 如矢量控制 直接轉矩控制等 但車輛用直線電機的控制還必須考慮當電機氣隙變化時的頻率問題和反應板材料變化的相應控制 3 直線感應電機控制及在地鐵動車上的應用 1 為了滿足車輛運行需要 城市軌道動車組必須具備哪三種基本的牽引特性 2 直流電動機有哪些勵磁方式 3 直流電動機調速有哪些基本形式 4 交流異步電機的工作原理 5 直線感應電機在城市軌道電力牽引應用中具有哪些優(yōu)點 思考題 第六章城市軌道交通供電與牽引系統 要點 2 城市軌道交通供電系統 1 城市軌道交通電力牽引系統 3 城市軌道交通牽引供電行業(yè)標準 4 城市軌道交通牽引供電產業(yè)發(fā)展概況 6 2 2中壓網絡 6 2 3牽引供電計算的條件及需用參數 6 2城市軌道交通供電系統 6 2 4牽引變電所 6 2 5降壓變電所 6 2 6供電系統的保護 6 2 7接觸網 6 2 8城軌供電SCADA系統 6 2 9地下雜散電流及其防護 6 2 1概述 1 城市軌道供電系統的構成 6 2 1概述 牽引供電系統 電能從牽引變電所經饋電線 接觸網輸送給電動列車 再從電動列車經鋼軌 回流線流回牽引變電所 牽引負荷為一級負荷 規(guī)定有兩路獨立的電源雙邊供電 當任何一路電源發(fā)生故障中斷供電時 另一路應能保證一級負荷的全部用電 動力照明系統 動力照明供電系統由降壓變電所及動力照明組成 每個車站應設降壓變電所 若地下車站負荷較大 一般設于站臺兩端 其中一端可以和牽引變電所合建成混合變電所 若地面車站負荷較小 可設一個降壓變電所 2 城市電網對軌道交通的供電方式及負荷等級 城市軌道交通系統的外部電源方案 根據城市電網構成的不同特點 可采用集中式 分散式 混合式等不同形式 究竟采用何種方式 應通過計算確定需要負荷之后 根據城市軌道交通路網規(guī)劃 城市電網構成特點 工程實際情況綜合分析確定 1 集中式供電 在城市軌道交通沿線 根據用電容量和線路長短 建設專用的主變電所 這種由主變電所構成的供電方案 稱為集中式供電 上海 廣州 南京 香港 德黑蘭 2 分散式供電 不設主變電所 而直接由城市電網區(qū)域變電所的35 33 kV或10kV中壓輸電線直接向城市軌道交通沿線設置的牽引變電所 降壓變電所供電并形成環(huán)網 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 3 混合式供電 將前兩種供電方式結合起來 一般以集中式供電為主 個別地段引入城市電網電源作為集中式供電的補充 使供電系統更加完善和可靠 北京地鐵一線和環(huán)線 城市軌道交通供電系統的負荷等級共分為三個 1 地下鐵道重要的電力用戶如車站站廳和站臺層的事故救援及照明 電動車輛 通信 信號 防災裝置為一級負荷 一級負荷規(guī)定有兩路獨立的電源雙邊供電 當任何一路電源發(fā)生故障中斷供電時 另一路應能保證一級負荷的全部用電 2 車站站廳和站臺層的一般照明 設備及管理用房照明 出入口照明 一般風機 直升電梯 自動扶梯為二級負荷 3 車站內廣告照明 冷水機組及配套設備 電熱設備 清潔機械設備等為三級負荷 3 城市軌道供電系統的功能和作用 城市軌道交通的用電負荷按其功能不同可分為兩大用電群體 一是電動客車運行所需要的牽引負荷 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 通風機 空調 自動扶梯 電梯 水泵 照明 AFC系統 FAS BAS 通信系統 信號系統等 在上述用電群體中 有不同電壓等級直流負荷 不同電壓等級交流負荷 有固定負荷 有時刻在變化的運動負荷 每種用電設備都有自己的用電要求和技術標準 而且這種要求和標準又相差甚遠 城市軌道供電系統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 4 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 通過城市電網一次電力系統和軌道交通供電系統實現輸送或變換 最后以適當的電流形成 直流或交流電 和電壓等級供給用電設備 城市電網一次電力系統 軌道交通供電系統 城市電網一次電力系統由國家電力部門建造與管理 包括發(fā)電廠 站 傳輸線路及區(qū)域變電所 發(fā)電廠 站 分為火力 水力 核動力等各種能源發(fā)電廠 站 傳輸線路 需升壓為超高電壓 110kV或220kV 通過三相傳輸線輸送到區(qū)域變電所 區(qū)域變電所 將超高壓電能降壓為所需電壓等級 如10kV或35kV 再經過三相輸送電線輸送到本區(qū)域內的牽引變電所和降壓變電所 并再降壓為所需的電壓等級 如1500V或380V等 城市軌道交通是一個重要的用電部門 按規(guī)定須由兩路獨立的電源供電 當其中任何一路電源發(fā)生故障時 另一路應能保證一級負荷的全部用電的需要 因此 城市軌道牽引變電所的電源進線來自兩個區(qū)域變電所或來自一個區(qū)域變電所的兩路獨立電源 當一路電源失壓時 另一路電源自動切入 使軌道交通系統能獲得不間斷的電源 軌道交通供電制式是指供電系統向電動車輛或電力機車供電所采用的電流和電壓制式 電壓制由低壓到高壓 有600V 750V 825V 1000V 1200V和1500V等 其發(fā)展趨向是國際IEC電壓標準 為600V 750V 1500V 而我國國標電壓標準為750V和1500V兩種 所以 目前國內各城市的地鐵和輕軌采用的電壓制均為750V和1500V之間進行選擇 電流制有直流 交流兩類 國際電力牽引設備委員會建議采用下列數值 直流 600 750 1500 3000V 標稱值 交流 6250 15000 25000V 標稱值 1 中壓網絡的功能及其兩大屬性 6 2 2中壓網絡 通過中壓電纜 縱向把上級主變電所和下級牽引變電所 降壓變電所連接起來 橫向把全線的各個牽引變電所 降壓變電所連接起來 便形成了中壓網絡 其功能類似于電力系統中的輸電線路 中壓網絡不是供電系統中獨立的子系統 但它是供電系統設計的核心內容 設計外部電源方案 主變電所的位置和數量 牽引變電所及降壓變電所的數量 牽引變電所與降壓變電所的主接線等 中壓網絡的兩大屬性是電壓等級和構成形式 根據中壓網絡功能的不同 為牽引變電所供電的中壓網絡稱為牽引供電網絡 簡稱牽引網絡 為降壓變電所供電的中壓網絡稱為動力照明供電網絡 簡稱動力照明網絡 目前 國內城市軌道交通工程經常采用的形式有牽引動力照明混合網絡與牽引動力照明獨立網絡 2 中壓網絡的電壓等級 我國現行中壓配電標準電壓等級有 35kV 20kV 10kV 6kV和3kV 目前 國內城市軌道交通普遍采用牽引動力照明混合網絡 電壓為10kV或10kV 牽引動力照明混合網絡采用同一電壓等級 并通過公用電源電纜同時向牽引變電所 降壓變電所提供中壓電能 供電系統的整體性較好 牽引動力照明獨立網絡既可以采用不同的電壓等級 也可以采用同一電壓等級 牽引網絡與動力照明網絡相對獨立 彼此相互影響較小 對于集中式供電系統 牽引網絡和動力照明網絡可以采用相對獨立的形式 即牽引動力照明網絡獨立網絡 也可以共用混合網絡 對于分散式供電系統 則采用牽引動力照明混合網絡 中壓網絡內部結構形式涉及中壓網絡供電安全準則及其運行方式 3 中壓網絡的構成形式 在城軌供電系統中壓網絡設計中 應根據中壓網絡優(yōu)化準則 結合外部電源的實際情況 通過對供電分區(qū)的用電性質 負荷密度的分析研究 確定安全可靠 經濟實用的中壓網絡接線方式 中壓網絡的重要指標是供電可靠性 中壓網絡的構成原則 1 滿足安全可靠的供電要求 2 每一個變電所均應有兩個獨立電源 3 滿足潮流計算要求 即設備容量及電壓降滿足要求 4 滿足負荷分配平衡的要求 5 供電分區(qū)應就近引入電源 盡量避免反送電 6 具有良好的經濟指標 7 滿足繼電保護的要求 8 系統接線方式盡量簡單 9 全線牽引變電所 降壓變電所的主接線盡量一致 10 滿足運行管理 倒閘操作的要求 11 滿足設備選型要求 1 牽引供電計算的條件 6 2 3牽引供電計算的條件及需用參數 城市軌道交通列車 車輛 是以變化的速度沿區(qū)間運行的 因此牽引負荷是變化的 此外 牽引負荷也隨時間而變化 當線路上列車 車輛 密集則負荷大 反之負荷小 甚至為零 線路的技術條件 包括縱斷面和限坡要求 1 線路年輸送能力 2 信號的閉塞方式 3 電動列車 車輛 類型 4 電動列車 車輛 載客量 5 線路行車間隔時間和每天最多開行列車對數 2 牽引供電計算需用的參數 牽引供電計算需用的參數 1 電牽引年用電量 應分別計算年總用電量和電力系統所需增加的功率 2 列車電流的平均值和有效值 3 供電臂電流的平均值和有效值 與線路的供電方式有關 4 供電臂瞬時最大電流和短路電流 與主變壓器接線方式有關 5 牽引網阻抗 6 電牽引供電系統能耗 應包括牽引變電站內主變壓器和牽引網的電能損失 由于電動列車 車輛 的工作電壓要求有一定范圍 我國直流牽引供電系統巳經規(guī)定采用IEC標準 1 變電所分類 6 2 4牽引變電所 根據變電所的功能不同 可分為以下三類 1 高壓主變電所由發(fā)電廠或區(qū)域變電所直接供電 在主變電所降壓后 分別以不同電壓等級向牽引變電所和降壓變電所供電 是城市軌道交通供電系統的集中變電所 用于三級電壓供電 2 牽引變電所城市軌道交通供電系統的主要用電對象是電動車組 即牽引用電 為確保牽引供電的質量 牽引變電所的設置 數量 位置 和容量應該按遠期列車編組 運行密度進行牽引供電計算后確定 牽引變電所引入兩個獨立的中壓交流電源 并將交流電能轉換為直流電能 承擔著向電動列車提供直流牽引電能的功能 根據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 根據不同的牽引制式 變電所內完成相應的變壓 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 地鐵和輕軌 的直流牽引變電所 3 降壓 動力 變電所降壓 動力 變電所根據動力用電量確定其設置數量和容量 2 變電所的供電方式 1 二級電壓供電 由區(qū)域變電所輸出中高壓等級 10kV或35kV 直接向牽引變電所和降壓變電所供電 由牽引變電所降壓和整流為直流牽引電壓等級 如750V或1500V 由降壓變電所降為380V動力電壓等級 再分別向接觸網 電動車組供電或向動力用電設備供電 2 三級電壓供電 需設置軌道交通系統高壓變電所 即由區(qū)域變電所輸出高壓等級 如110kV或220kV 對主變電所供電 再由主變電所將高壓等級降為中高壓等級 分別向牽引變電所和降壓變電所供電 我國北京 天津地下鐵道采用二級電壓供電方式 上海地鐵則采用三級電壓供電方式 3 變電所的主要電氣設備 主要設備包括 變壓器 斷路器 隔離開關 母線 熔斷器 電壓互感器 電流互感器 避雷器 整流器等 變壓器 一種傳遞和變換交流電能的靜止變換器 按應用功能分升壓變壓器和降壓變壓器 按相數分單相 三相 多相變壓器 按線圈數分單相線圈 自耦變壓器 雙線圈 三線圈變壓器 按調壓方式分空載調壓 不帶負載調壓 有載調壓變壓器 按絕緣方式分干式 澆注式 油浸式變壓器 斷路器 一種對電路進行控制 開斷 關合 和保護的高壓電器開關 用于自動切斷負載電流和短路電流 按絕緣方式和熄弧介質分為 油斷路器 六氟化硫斷路器 真空斷路器 空氣斷路器等 隔離開關 一種沒有熄弧裝置的高壓電器開關 不能切斷負載電流和短路電流 但可在無負荷電流時接通和斷開電路 在斷開狀態(tài) 能起到隔離電壓作用 為運行 操作和檢修提供方便和安全條件 電路停電時應斷開斷路器 后拉開隔離開關 送電時則先合上隔離開關 再閉合斷路器 母線 一種匯合和分配電能的導線 室外常用軟質母線 如蕊芯鋁絞線 室內則采用硬質母線 如鋁排 母線常用顏色標記識別 在三相交流系統中 黃色 A相 綠色B相 紅色 C相 在直流系統中 紅色 正極 藍色 負極 黑色 零線及接地線 熔斷器 一種利用過負荷或短路電流導致熔體發(fā)熱熔斷原理設計的保護電器設備 低壓熔斷器一般采用插入式纖維管瓷管熔斷器 高壓熔斷器有充石英砂瓷管熔斷器 室外用角式和跌落式熔斷器 熔斷器在電流超過最小熔斷電流時 熔斷時間隨電流增大而縮短 一旦熔體熔斷 須停電更換熔體 電壓互感器 一種用于測量 控制和保護回路用的變壓器 其一次繞組并聯在一次電路中 二次繞組則并聯儀表 繼電器的電壓線圈 由于二次儀表 繼電器的電壓線圈阻抗很大 所以電壓互感器工作時二次回路接近于空載狀態(tài) 二次繞組的電壓一般為10V 電壓互感器分為雙繞和三繞組 單相和三相 干式 油浸式和澆注式 屋內和屋外等分區(qū) 電流互感器 是一種電氣測量 控制和保護回路用的變流器 將其一次線圈串連在一次回路中 二次繞組與儀表 繼電器等的電流線圈串連 形成閉合回路 電流互感器有單匝和多匝式 干式 油浸式和澆注式 屋內和屋外等分區(qū) 避雷器 一種防止從線路浸入的雷電波損壞電器設備絕緣的保護電器 一般有保護間隙型 角型 管型 閥型等 整流器 一種與牽引變壓器組合成變壓整流機組的電流變換設備 通過整流器 將牽引變壓器輸出的交流電變?yōu)橐欢妷旱燃壍闹绷麟娏?當牽引變壓器是多相變壓器時 整流器變換成的直流電較為平滑 即直流電中含有的交流成分少 4 變電所附屬設備 保護裝置 計量儀表 電壓 電流等 蓄電池 事故照明和開關設備操作的電源 在交流電失去時 阻燃性導線 滅火設備 5 向牽引變電所供電的形式 由于交通運輸的重要性 所有軌道交通的牽引供電都屬于電力部門供電的一級負荷 即要確保向它供電的可靠性 為此 牽引變電所均由兩個獨立的電源供電 又由于軌道交通線路分布范圍較廣 通常需要在軌道沿線設置多個牽引變電所向它供電 再加上電源線路的具體分布情況不同 因此 造成向牽引變電所供電的形式復雜多樣 但可以將它歸納成以下幾種典型的形式 1 環(huán)形供電由兩個或兩個以上主降壓變電站和所有的牽引變電所用輸電線聯成一個環(huán)形 環(huán)形供電是很可靠的供電線路 因為在這種情況下 一路輸電線和一個主降壓變電站同時停止工作時 只要其母線仍保持通電 就不致中斷任何一個牽引變電所的正常供電 但其投資較大 a 牽引變電所 b 主降壓變電所 c 線條表示一路三相輸電線 d 軌道線 2 雙邊供電由兩個主降壓變電站向沿線牽引變電所供電 通往牽引供電所的輸電線都經過其母線聯接 為了增加供電的可靠性 用雙路輸電線供電 而每路按輸送功率計算 這種接線可靠性稍低于環(huán)線供電 當引入線數目較多時 開關設備多 投資增加 3 單邊供電當軌道沿線附近只有一側有電源時 則采用單邊供電 單邊供電較環(huán)形供電的可靠性差 為了提高可靠性 應用雙回路輸電線供電 單邊供電設備較少 投資也少 在雙邊供電和單邊供電的情況下 每路輸電線可以不必都進入所有的牽引變電所 而是輪流地每隔一個進入一個 這樣可以減少進線的數目而降低變電所的投資 4 輻射形供電每個牽引變電所用兩路獨立輸電線與主降壓變電站聯接 這種接線方式適合于軌道線路成弧形的情況 這種接線簡單 但當主降壓變電所停電時 全線將停電 6 直流牽引變電所 直流牽引變電所的主要功能是 將其交流進線電壓通過整流變壓器降壓 然后經整流器將交流電變?yōu)橹绷麟姽┙o電動車輛的直流牽引電機使用 直流牽引變電所從雙電源受電 經整流機組變壓器降壓 分相后 按一定的整流接線方式由大功率硅整流器把三相交流電變換成與直流牽引網相應電壓等級的直流電 向電動電機供電 整流機組是直流牽引變電所的關鍵設備 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12相脈動的整流接線方式 現代整流機組的單機功率可達到3500kV以上 直流牽引變電所間距離僅幾千米 一般不設分區(qū)所和開閉所 由兩個或兩個以上主降壓變電站和所有的牽引變電所用輸電線聯成一個環(huán)形 環(huán)形供電是很可靠的供電線路 因為在這種情況下 一路輸電線和一個主降壓變電站同時停止工作時 只要其母線仍保持通電 就不致中斷任何一個牽引變電所的正常供電 但其投資較大 6 2 5降壓變電所 城市軌道交通的正常運行中 除了牽引用電之外 在環(huán)境控制和系統服務等方面還有眾多用電設備 如通風機 給排水泵 自動扶梯等動力設備 以及照明 通信信號設備等 這些設備一般均使用三相380V或單相220V交流電 降壓變電所即是將區(qū)域變電所或諸變電所輸入的中壓等級電壓降壓變成低壓交流電 并通過配電 所 室分配各種設備用電 降壓變電所一般設在車站附近 即可對車站較集中的電氣設備供電 也方便向車站兩側區(qū)間用電設備供電 此外 車輛基地 系統調度控制中心需要專門設置的降壓變電所供電 1 降壓變電所 2 降壓變電所負荷分類 一級負荷 消防用電 防災報警 設備監(jiān)控 通信 信號 售檢票 排風 排煙機以及相關風閥 事故照明 含疏散指示照明 廢水泵和降壓變所自用電 屏蔽門系統 交直流屏 二級負荷 一般照明 節(jié)電照明 設備及管理用房照明 出入口照明 標志燈箱 污水泵 直升電梯 自動扶梯等 由降壓變電所任一段低壓母線供電 必要時可切除 三級負荷 廣告照明 冷水機組及配套設備 電熱設備 清潔機械等 由降壓變電所的任一段低壓母線供電 當變電所只有一路電源時自動切除 一級負荷中的事故照明由交 直流屏供電 消防泵 噴淋泵 廢水泵 防災報警 設備監(jiān)控 通信 信號 售檢票采用雙電源末端自切 雙電源引自降壓變電所的兩端低壓母線 其他一級負荷均接在環(huán)控室低壓母線上 該母線由降壓變電所雙路供電 在環(huán)控電控柜自切 3 動力照明系統 車站動力照明采用380 220V三相五線制系統配電 照明電源引自降壓變電所0 4kV兩段母線 照明配電箱分別設于站臺層 設備層及站廳層的配電室內 按不同照明種類分別設置照明配電箱 事故照明 包括誘導照明 由降壓變電所交直流屏供電 站臺下安全照明 折返線檢查坑和車輛段檢查坑內的安全照明或攜帶式照明用插座采用交流36V安全電壓 其余均采用交流220V電壓 6 2 6供電系統的保護 1 35kV進 出線 2 35kV母聯 3 35kV整流機組饋線 4 35kV動力變壓器饋線 5 直流1500V進線 6 直流1500V饋線 7 1500V直流設備 1 牽引網與接觸網 6 2 7接觸網 接觸網即經過電動列車的受電器向電動列車供給電能的導電網 有接觸軌方式和架空接觸網兩種方式 城市軌道交通系統的牽引網是沿線路敷設的專為電動車輛供給電源的裝置 是軌道交通供電系統中電動車組供電的直接環(huán)節(jié) 它由兩部分組成 正極接觸網供電 負極走行軌回流 牽引網包括接觸網 鋼軌回路 包括大地 饋電線和回流線等 饋電線是連接牽引變電所和接觸網的導線 把牽引變電所電能變換成牽引制式用電能并饋送給接觸網 接觸網是一種懸掛在軌道上方沿軌道敷設的 與鐵路頂軌保持一定距離的輸電網 通過電動車組的受電弓 或受流器 和接觸網的滑動接觸 牽引電能就由接觸網進入電動車組 驅動牽引電動機使列車運行 接觸網可分為接觸軌和架空接觸網兩種類型 接觸軌的主要優(yōu)點是 使用壽命長 維修量小 在地面對城市景觀沒有影響 適應于電壓較低的制式 接觸網的主要優(yōu)點是 安全性較好 適應于電壓較高的制式 接觸軌和接觸網兩種供電方式 目前在世界上許多國家同時并存 到底用哪種方式要根據城市自身的特點決定 2 接觸網應滿足的要求 1 由于接觸網在工作中無備用網 因而要求接觸網強度高 且安全可靠 2 要求在各種氣候條件下均應受流良好 3 因接觸網部件更換困難 因此要求接觸網性能好 運行壽命長 4 因其維修是利用行車中的間隔時間進行的 故要求結構輕巧 零部件互換性強 便于施工 維護和搶修 5 因接觸網無法避開腐蝕強 污穢嚴重等異常環(huán)境 應采用耐腐蝕和防污穢技術措施 6 因采用與受電器摩擦接觸的受流方式 因此要求接觸網有較均勻的彈性 接觸線等部位要有良好的耐磨性 3 接觸網的電分段 電分段是為了便于檢修和縮小事故范圍而將接觸網分為若干段 電分段根據設置位置分為縱向電分段和橫向電分段 縱向電分段指的是沿線路方向進行分段 橫向電分段式在線路之間的分段 如在車輛段的各股道之間進行的分段等 電分段通常用分段絕緣器來實現 分段絕緣器是用以實現電分段的專用絕緣裝置 目前 廣泛采用環(huán)氧樹脂分段絕緣器 其結構主要由環(huán)氧樹脂絕緣板 鋁合金導流滑板等組成 接觸網在正常工作狀態(tài)下 從牽引變電所直接得到饋電 并構成雙邊供電 接觸網的電分段設在下列各處 1 車輛出行處 進站端 2 輔助線與正線的銜接處 3 車輛段與正線的銜接處 4 車輛段庫線入口處 4 接觸網的供電原理及方式 牽引供電所向接觸網供電有兩種方式 單邊供電和雙邊供電 接觸網通常在相鄰兩牽引變電所間的中央斷開 將兩牽引變電所之間兩供電臂的接觸網分為兩個供電分區(qū) 每一供電分區(qū)的接觸網只從一端的牽引變電所獲得電流 稱為單邊供電 如果在中央斷開處設置開關設備時 可將兩供電分區(qū)連通 此處稱為分區(qū)亭 經分區(qū)亭的斷路器閉合 則相鄰牽引變電所間的兩個接觸網供電分區(qū)均可同時從兩個變電所獲得電流 則稱為雙邊供電 5 接觸網的類型 牽引供電所向接觸網供電有兩種方式 單邊供電和雙邊供電 接觸網分為架空式接觸網和接觸軌 也稱第三軌 式接觸網 接觸軌式接觸網僅用于地鐵與封閉的城市鐵路和輕軌 架空式接觸網除此還可用于鐵路干線 城市地面和工礦電機車電力牽引線路 1 架空式接觸網架空式接觸網是架設在走行軌道上部的接觸網 由電動列車頂部伸出的受電弓與之接觸取得電能 架空式接觸網用于城市地面以及低下 鐵路干線 工礦的電力牽引線路 一般 牽引網電壓較高時 為了安全和保證一定的絕緣距離 宜采用高架式接觸網 架空接觸網可分為地面架空式和隧道架空式兩種 1 地面架空式由以下幾個部分組成 接觸懸掛 包括承力索 吊弦 接觸線 支持裝置 其作用是用以支持接觸懸掛 并將其負荷傳給支柱或其他建筑物的結構 包括腕臂 拉桿和絕緣子 定位裝置 其作用是保證接觸線與受電弓的相對位置在規(guī)定范圍內 包括定位器與定位管 支柱與基礎 其作用是用以支承接觸懸掛和支持裝置 并將接觸懸掛固定在規(guī)定高度 2 隧道架空式因為隧道內空間狹窄 所以隧道架空式接觸網必須考慮隧道斷面 凈空高度 帶電體對接地體的絕緣距離等因素的限制 此外隧道架空式接觸網的支持裝置可直接設置在洞頂或洞壁上 而不需要專門立支柱 只有合理的選擇和確定懸掛方式 才能充分地利用有效的凈空高度 改善接觸網的工作性能 安裝在絕緣子上的饋電線通過聯接線與接觸線聯接 使接觸線受電 接觸線由調節(jié)臂固定 調節(jié)臂帶棒式絕緣子 一端固定安裝在隧道洞頂一側的彈性支架上 調節(jié)臂可用來調整接觸線與軌面之間的高度 彈性支架通過調節(jié)臂使接觸線與受電弓之間保持足夠的彈性 以保證它們之間的良好接觸受流 地面與隧道架空式懸掛均屬柔性接觸懸掛 還有一種懸掛方式為剛性架空式接觸懸接 可適用于低凈空隧道 在日本的東京 大阪等地的地鐵中已有應用 但在彈性方面不如柔性接觸懸掛 6 接觸軌 接觸軌是沿線走行軌道一側平行鋪設的附加第三軌 故又稱第三軌 在凈空受到限制的線路和電壓等級較低時多采用接觸軌式接觸網 接觸軌受電方式最早在倫敦城市軌道采用 由于接觸軌構造簡單 安裝方便 可維修性好 并對隧道建筑結構等凈空要求低 受流性能滿足DC750V供電的需要 因而在標準電壓DC750V供電系統中得到廣泛的應用 接觸軌系統允許電壓波動范圍為DC750V DC900V 第三軌接觸網的電壓據IEC標準為DC600V和DC750V 北京地鐵采用了750V的接觸軌供電的方式 但也有國家采用較高電壓 如西班牙巴塞羅那地鐵就采用了DC1500V和1200V 接觸軌可以有三種布置方式即 上磨式 下磨式以及側磨式 1 上磨式接觸軌裝在專用絕緣子上 底朝下 取流時 接觸靴自上壓向接觸軌 上磨式的接觸力不由受流器 集電靴 的重量和磨耗情況決定 而只受彈簧支座特性的控制 受流平穩(wěn) 由于端部彎頭的過渡作用 能夠減少在斷電區(qū)的電流沖擊 上磨式接觸軌因接觸靴在其上面滑動 所以固定方便 但不易加防護罩 上磨式接觸軌施工作業(yè)簡便 可以在軌頭上部通過支架安裝不同類型的防護板 北京地鐵 紐約地鐵都是采用上接觸式第三軌 2 下磨式下磨式軌頭朝下 通過絕緣肩架 橡膠墊 扣板收緊螺栓 支架等安裝在底座上 下接觸式的優(yōu)點是防護罩從上部通過橡膠墊直接固定在接觸軌周圍 對人員安全性好 3 側磨式接觸式側面接觸式就是接觸軌軌頭端面朝向走行軌 集電靴從側面受流 跨座式獨軌車輛就采用側面接觸形式 其受流器裝在轉向架下部 接觸軌裝在軌道梁上 6 2 8城軌供電SCADA系統 電力監(jiān)控系統 簡稱SCADA系統 實現在控制中心 OCC 對供電系統的主變電所 牽引變電所和降壓變電所的供電設備等的運行狀態(tài)進行集中管理和調度 實施控制和數據采集 除利用 四遙 遙控 遙信 遙測 遙調 功能監(jiān)控供電系統設備的運行情況 及時掌握和處理供電系統的各種事故 報警事件功能外 利用該系統的后臺工作站還可以對系統進行數據歸檔和統計報表功能 以便更好地管理供電系統 1 雜散電流的產生 6 2 9地下雜散電流及其防護 直流牽引供電系統在理想的狀況下 牽引電流由牽引變電所的正極出發(fā) 經由接觸網 電動列車和走行軌返回牽引變電所的負極 但鋼軌與隧道或道床等結構鋼之間的絕緣電阻不是很大 這樣勢必造成流經牽引軌的牽引電流不能全部經由鋼軌流回牽引變電所的負極 有一部分的牽引電流會泄露到隧道或道床等結構鋼上 然后經過結構鋼和大地流回牽引變電所的負極 這部分泄露的電流就是雜散電流 又稱迷流 2 雜散電流的危害 1 雜散電流會造成地下金屬結構的電腐蝕 如果這種電腐蝕長期存在 將會嚴重損壞地鐵附近的各種結構鋼筋和地下金屬管線 破壞了結構鋼的強度 影響其使用壽命 當軌道沿線地下有金屬管道或建筑物鋼筋等導電物