城市軌道交通供電系統(tǒng)介紹

城市軌道交通供電系統(tǒng)110KV線路和主變電所或直接從電網(wǎng)引入電源的10KV電源系統(tǒng)將電源配至各車站、車輛段的中壓網(wǎng)絡(luò)給車輛提供直流牽引供電的牽引變電所和接觸軌給動(dòng)力和照明負(fù)荷供電的降壓變電所和跟隨所對供電系統(tǒng)內(nèi)設(shè)施、設(shè)備實(shí)施監(jiān)控的電力監(jiān)控系統(tǒng)限制和監(jiān)測雜散電流的雜散電流防護(hù)系統(tǒng)以及綜合接地系統(tǒng)各車站、車輛段與綜合基地、區(qū)間的低壓配電和照明系統(tǒng)一、供電系統(tǒng)的組成1234567

供電系統(tǒng)的負(fù)荷分為兩大類：一是車輛的牽引負(fù)荷，二是動(dòng)力和照明負(fù)荷。針對牽引負(fù)荷，需要在軌道交通的沿線設(shè)牽引變電所；針對動(dòng)力和照明負(fù)荷，需要在各車站、車輛段、停車場、控制中心以及其它有較大負(fù)荷的場所設(shè)降壓變電所。牽引負(fù)荷按一級負(fù)荷設(shè)計(jì)。車輛的型式、編組、對數(shù)、速度等對牽引負(fù)荷的大小有很大的影響，車站是設(shè)在地下還是地面或高架對動(dòng)力和照明負(fù)荷的大小有很大的影響。二、供電系統(tǒng)的負(fù)荷

動(dòng)力照明配電系統(tǒng)用電負(fù)荷按其不同的用途和重要性分為一、二、三級負(fù)荷。一級負(fù)荷：應(yīng)急照明、變電所操作電源、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)備、消防系統(tǒng)設(shè)備、消防電梯、地下站廳站臺照明、地下區(qū)間照明、排煙系統(tǒng)用風(fēng)機(jī)及電動(dòng)閥門、通信系統(tǒng)設(shè)備、信號系統(tǒng)設(shè)備、電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)設(shè)備、兼作疏散用的自動(dòng)扶梯、屏蔽門、安全門、防淹門、排雨泵、車站排水泵。其中應(yīng)急照明、變電所操作電源、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)備、通信系統(tǒng)設(shè)備、信號系統(tǒng)設(shè)備為特別重要負(fù)荷。二級負(fù)荷：地上站廳站臺照明、附屬房間照明、普通風(fēng)機(jī)、排污泵、電梯、自動(dòng)扶梯。三級負(fù)荷：空調(diào)制冷及水系統(tǒng)設(shè)備、鍋爐設(shè)備、廣告照明、清潔設(shè)備、電熱設(shè)備。

各地根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)可能對一、二、三級負(fù)荷作局部的調(diào)整。二、供電系統(tǒng)的負(fù)荷

供電系統(tǒng)按是否設(shè)置地鐵專用的主變電所分為集中供電和分散供電。集中供電從電力系統(tǒng)引入110KV電源，經(jīng)主變電所降壓成35KV或20KV、10KV后通過中壓環(huán)網(wǎng)分配給地鐵各站、段。

三、集中供電和分散供電

分散供電不設(shè)主變電所，直接從城網(wǎng)引入10kV（或35kV）電源，經(jīng)開閉所配給地鐵各站、段。其要求的電源點(diǎn)多，與電力部門接口較多。

三、集中供電和分散供電商城開閉所停車場開閉所小紅門開閉所榮昌街開閉所垡渠路開閉所亦莊火車站開閉所

由于城網(wǎng)采用10kV供電，分散供電時(shí)在城市引入的是10KV電源，在郊縣農(nóng)網(wǎng)區(qū)域，也可以引入35KV電源。分散供電的電源，特別是從農(nóng)網(wǎng)引入的電源，可靠性被認(rèn)為較低。

三、集中供電和分散供電

采用集中供電時(shí)，在某些情況下少設(shè)1座主變電站時(shí)，在非正常供電條件下可能有幾個(gè)站的供電質(zhì)量得不到保證，如果增設(shè)1座主變電站則又很浪費(fèi)，此時(shí)可采取局部分散供電方式，從城網(wǎng)（或農(nóng)網(wǎng)）引入10kV或35kV電源給局部線路供電（這部分中壓網(wǎng)絡(luò)保持獨(dú)立）。這樣的電源供電方式稱為混合供電方式。三、集中供電和分散供電會展中心二七廣場國基路線路主變電所1號線1期二七廣場、會展中心2號線1期二七廣場、國基路四、主變電所資源共享

1座主變電所的投資約1億元，年運(yùn)營費(fèi)約200萬元。1座主所給2～3條線供電，實(shí)現(xiàn)資源共享，能夠節(jié)約大量投資和運(yùn)營費(fèi)用。主變電所主接線圖110KV電源線路采取電纜敷設(shè)方式。每座主變電所均引入兩路110KV電源，設(shè)置兩臺主變壓器。采用線路變壓器組接線，正常時(shí)兩臺主變壓器分列運(yùn)行。主變電所均采取全戶內(nèi)布置，并在房頂預(yù)留濾波和電容補(bǔ)償?shù)膱龅?。五、主變電所設(shè)計(jì)

征地困難時(shí)，主變電所也可以放在地下，地面上只有樓梯口和通風(fēng)口。主變電所也可以與城市110kV變電站合建，節(jié)約110kV線路投資和減少用地。每公里110kV電纜線路的投資約500～600萬元。五、主變電所設(shè)計(jì)

國標(biāo)規(guī)定了兩個(gè)直流牽引供電的電壓等級：DC750V和DC1500V。地鐵車輛早期常采用直流電機(jī)作為動(dòng)力，直流電機(jī)笨重而且電刷容易損壞。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，本世紀(jì)開始中國的地鐵也采用交流電機(jī)作為動(dòng)力，使用具有VVVF控制技術(shù)的直交車輛，在車輛上將直流電變成三相交流電來驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)。六、直流牽引電壓和車輛

廣州地鐵四號線在國內(nèi)首先采用了直線電機(jī)車輛，隨后的廣州地鐵五號線、六號線以及北京地鐵機(jī)場線均采用直線電機(jī)車輛。

六、直流牽引電壓和車輛

我院與北京交大在該?！冻鞘熊壍澜煌熊囘\(yùn)行模擬計(jì)算》軟件的基礎(chǔ)上，結(jié)合已建成的城市軌道交通實(shí)際運(yùn)行工況，對該軟件運(yùn)行控制模式進(jìn)行了優(yōu)化升級，補(bǔ)充了節(jié)能運(yùn)行模式。列車運(yùn)行模擬

牽引供電仿真模擬軟件包簡介七、牽引供電仿真及牽引變電所布點(diǎn)

我院與西南交大聯(lián)合開發(fā)了《城市軌道交通牽引供電及接觸網(wǎng)系統(tǒng)仿真軟件》，該軟件可根據(jù)列車運(yùn)行模擬結(jié)果、建立全線牽引供電系統(tǒng)模型，動(dòng)態(tài)掃描全線列車運(yùn)行狀況，計(jì)算出供電網(wǎng)絡(luò)各種電氣參數(shù)。最近，我院又從德國引進(jìn)了一套供電計(jì)算軟件，大大提高了我院交、直流牽引計(jì)算的準(zhǔn)確性。牽引供電網(wǎng)絡(luò)仿真模擬

牽引供電仿真模擬軟件包簡介七、牽引供電仿真及牽引變電所布點(diǎn)

亦莊線正線共設(shè)置12座牽引變電所，車輛段和停車場分別設(shè)置1座牽引變電所。返回七、牽引供電仿真及牽引變電所布點(diǎn)武漢地鐵二號線一期共設(shè)15座牽引變電所，分別位于金銀潭、常青花園、金色雅園、范湖、航空路、循禮門、江漢路、積玉橋、螃蟹甲、洪山廣場、石碑嶺、廣埠屯、楊家灣和光谷廣場。常青花園車輛段及綜合基地單獨(dú)設(shè)1座牽引變電所七、牽引供電仿真及牽引變電所布點(diǎn)亦莊線采用DC1500V架空接觸網(wǎng)供電方式，正線設(shè)置7座牽引變電所。武漢地鐵二號線一期共設(shè)15座牽引變電所，分別位于金銀潭、常青花園、金色雅園、范湖、航空路、循禮門、江漢路、積玉橋、螃蟹甲、洪山廣場、石碑嶺、廣埠屯、楊家灣和光谷廣場。常青花園車輛段及綜合基地單獨(dú)設(shè)1座牽引變電所。七、牽引供電仿真及牽引變電所布點(diǎn)各車站、車輛段與綜合基地、控制中心均設(shè)置1座降壓變電所，車輛段以及規(guī)模較大的車站還需要設(shè)置跟隨式降壓變電所所。

在有牽引變電所的車站、車輛段，牽引變電所和降壓變電所合建成牽引降壓混合變電所。

長大區(qū)間的風(fēng)井處還需要設(shè)置跟隨所，區(qū)間跟隨所一般放在地面，往往采用箱式。八、降壓變電所的布點(diǎn)

牽引降壓混合變電所、降壓變電所35kV側(cè)采用單母線分段接線方式，兩段母線間通過母聯(lián)斷路器相聯(lián)。兩套整流機(jī)組接在同一段母線上。九、典型牽引降壓混合變電所主接線

九、典型降壓變電所主接線

車站變電所應(yīng)盡量設(shè)置在站臺層，變電所下面應(yīng)設(shè)電纜夾層。車站變電所布置時(shí)，應(yīng)保證變電所用房的長、寬和凈高滿足要求。車站變電所布置時(shí)，應(yīng)保證引入、饋出電纜徑路的順暢。車站變電所布置時(shí)，應(yīng)考慮大型設(shè)備的運(yùn)輸通道。

基本要求十、車站變電所的布置

南四環(huán)站混合變電所設(shè)備布置平面圖

十、車站變電所的布置商城站混合變電所設(shè)備布置平面圖

十、車站變電所的布置十、車站變電所的布置序號被保護(hù)單元名稱保護(hù)裝置類型保護(hù)功能配置1環(huán)網(wǎng)進(jìn)出線導(dǎo)引線差動(dòng)保護(hù)或電流選跳保護(hù)裝置導(dǎo)引線差動(dòng)保護(hù)或電流選跳保護(hù)電流保護(hù)裝置過電流保護(hù)零序過電流保護(hù)失壓延時(shí)保護(hù)2整流機(jī)組電流保護(hù)裝置電流速斷保護(hù)過電流保護(hù)零序電流保護(hù)整流變壓器過負(fù)荷保護(hù)整流變壓器溫度保護(hù)（變壓器內(nèi)部保護(hù)）整流器二極管保護(hù)（整流器內(nèi)部保護(hù)）整流器交、直流側(cè)過電壓保護(hù)（整流器內(nèi)部保護(hù)）整流器溫度保護(hù)（整流器內(nèi)部保護(hù)）（一）中壓保護(hù)的配置返回十一、繼電保護(hù)的配置序號被保護(hù)單元名稱保護(hù)裝置類型保護(hù)功能配置3配電變壓器電流保護(hù)裝置電流速斷保護(hù)過電流保護(hù)零序電流保護(hù)過負(fù)荷保護(hù)溫度保護(hù)（變壓器內(nèi)部保護(hù)）4母聯(lián)電流保護(hù)裝置過電流保護(hù)零序電流保護(hù)十一、繼電保護(hù)的配置（一）中壓保護(hù)的配置直流進(jìn)線大電流脫扣保護(hù)（斷路器本體保護(hù)）逆流保護(hù)直流饋線大電流脫扣保護(hù)（斷路器本體保護(hù)）電流速斷保護(hù)過電流保護(hù)dI/dt+ΔI保護(hù)低電壓保護(hù)熱過負(fù)荷保護(hù)雙邊聯(lián)跳保護(hù)每個(gè)牽引變電所設(shè)一套框架泄漏保護(hù)裝置十一、繼電保護(hù)的配置（二）直流側(cè)保護(hù)的配置

內(nèi)容項(xiàng)目瞬時(shí)保護(hù)短延時(shí)保護(hù)長延時(shí)保護(hù)0.4kV進(jìn)線√√√0.4kV母聯(lián)√√

0.4kV饋線√

√電容補(bǔ)償柜√

十一、繼電保護(hù)的配置（三）400V側(cè)保護(hù)的配置十二、接觸網(wǎng)接觸網(wǎng)需要敷設(shè)在地面及高架區(qū)段、地下區(qū)段和車輛段、停車場等所有需要電化的線路上。高架橋和隧道常采取的三種施工工法：

1、礦山法（馬蹄形隧道）

2、明挖法（矩形隧道）

3、盾構(gòu)法（圓形隧道）十二、接觸網(wǎng)接觸網(wǎng)分為架空接觸網(wǎng)和接觸軌（三軌）。架空接觸網(wǎng)分為柔性懸掛和剛性懸掛。

架空接觸網(wǎng)分為柔性懸掛和剛性懸掛。洞外一般采取柔性懸掛，洞內(nèi)一般采取剛性懸掛，但車輛速度較高時(shí)，洞內(nèi)也采取柔性懸掛。架空接觸網(wǎng)的供電電壓一般采用DC1500V。十二、接觸網(wǎng)接觸網(wǎng)分為架空接觸網(wǎng)和接觸軌（三軌）。架空接觸網(wǎng)分為柔性懸掛和剛性懸掛。

接觸軌按其接觸面分為上部接觸、下部接觸軌和側(cè)部接觸。國內(nèi)以前采取上部接觸方式，從武漢一號線開始采取下部接觸方式。側(cè)部接觸采取四軌回流，三軌和四軌可以共用支架。接觸軌一般采取DC750V授電，但廣州和深圳地鐵的某些地鐵線路采取DC1500V授電。接觸軌以前采用低碳鋼接觸軌，從武漢一號線開始，采用載流量大、自重量輕的鋼鋁復(fù)合接觸軌。十二、接觸網(wǎng)接觸網(wǎng)分為架空接觸網(wǎng)和接觸軌（三軌）。架空接觸網(wǎng)分為柔性懸掛和剛性懸掛。上海地鐵三號線上海地鐵五號線十二、接觸網(wǎng)國外某城市地鐵武漢軌道交通一號線十二、接觸網(wǎng)架空接觸網(wǎng)和接觸軌（三軌）的特點(diǎn)表現(xiàn)在投資、景觀、可靠性和人身安全上，穿過城區(qū)的高架線路，最好用接觸軌。十二、接觸網(wǎng)地下區(qū)段的架空剛性懸掛十二、接觸網(wǎng)側(cè)部四軌回流線路中間四軌回流橡膠輪胎系統(tǒng)四軌回流十三、限界和線路上的供電設(shè)施區(qū)間單洞架空接觸網(wǎng)車輛輪廓車輛限界設(shè)備限界車輛輪廓車輛限界設(shè)備限界直線地段雙跨矩形隧道建筑限界圖（接觸軌）十三、限界和線路上的供電設(shè)施雙線馬蹄形隧道建筑限界圖（接觸軌）十三、限界和線路上的供電設(shè)施地上區(qū)段雙線建筑限界圖（接觸軌）十三、限界和線路上的供電設(shè)施地下島式車站建筑限界圖（接觸軌）十三、限界和線路上的供電設(shè)施地下側(cè)式車站建筑限界圖（接觸軌）十三、限界和線路上的供電設(shè)施控制中心綜合監(jiān)控系統(tǒng)（含電調(diào)）車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)控制信號盤主變電所綜合監(jiān)控系統(tǒng)范圍系統(tǒng)范圍電力監(jiān)控牽引所和降壓所接觸網(wǎng)開關(guān)供電復(fù)示系統(tǒng)雜散電流監(jiān)測終端雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)電力監(jiān)控系統(tǒng)分級監(jiān)控示意圖

電力監(jiān)控系統(tǒng)作為控制中心綜合監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，通過專用通信數(shù)據(jù)通道以及各被控站的變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對全線供電系統(tǒng)和供電設(shè)備的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，并將雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞到供電維護(hù)管理部門。十四、電力監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）

變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)采用分層、分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由站級管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層和間隔設(shè)備層三部分組成，完成對變電所的控制、監(jiān)視、測量、保護(hù)、所內(nèi)自動(dòng)化管理及遠(yuǎn)程通信等功能。十四、電力監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）

在直流牽引供電中，常利用走行鋼軌回流，這就不可避免地有少量電流從鋼軌流入到地中，流入地中的這部分電流稱為雜散電流，埋入地下的結(jié)構(gòu)鋼筋和金屬管線是雜散電流的良好通路。雜散電流在流經(jīng)的金屬導(dǎo)體上形成陰極區(qū)和陽極區(qū)，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕（腐蝕電池）。十五、雜散電流腐蝕防護(hù)接觸網(wǎng)牽引所牽引所降壓所隧道鋼筋道床鋼筋鋼軌

形成電化學(xué)腐蝕必須具備的基本條件：

1、要有陰極、陽極和電位差；

2、要有電解質(zhì)（離子通路）；

3、要有電子通路。雜散電流腐蝕防護(hù)主要針對條件1進(jìn)行，以減小雜散電流的大小，采取的措施主要有：

1、保證回流暢通；

2、隔離（堵）；

3、排流（排）

4、監(jiān)測雜散電流的大?。y），采取補(bǔ)救措施。針對條件2則要求保證道床干燥，這也可以限制雜散電流的泄漏。十五、雜散電流腐蝕防護(hù)1、保證回流暢通（1）在軌縫、道岔處焊接連接電纜，電纜具備足夠的截面。（2）短軌焊成長軌時(shí)，焊軌處的電阻應(yīng)滿足條件。以上措施也提高了網(wǎng)壓。十五、雜散電流腐蝕防護(hù)2、隔離（1）鋼軌與道床鋼筋的隔離；（2）道床鋼筋與結(jié)構(gòu)鋼筋的隔離；（3）地下結(jié)構(gòu)鋼筋與接地網(wǎng)的隔離；（4）正線與段、場線的隔離，段、場內(nèi)庫內(nèi)與庫外的隔離；（5）引出地鐵外管線的隔離。十五、雜散電流腐蝕防護(hù)單點(diǎn)絕緣電阻大于108歐，每公里的過渡電阻大于15歐。3、排流在道床內(nèi)和地下結(jié)構(gòu)內(nèi)將道床鋼筋和結(jié)構(gòu)鋼筋焊接成排流網(wǎng)，在牽引變電所處通過二極管將雜散電流引回牽引變電所。十五、雜散電流腐蝕防護(hù)道床鋼筋接觸網(wǎng)鋼軌

排流是一把雙刃劍。在牽引變電所，排流回路短接了負(fù)極和地網(wǎng)，提高了鋼軌電位，從而增加了雜散電流的泄漏。很多專家不主張排流。4、監(jiān)測在線路旁設(shè)置參比電極，測量道床鋼筋和結(jié)構(gòu)鋼筋的極化電位是否高于0.5V，以判斷鋼筋是否處于鈍化狀態(tài)。通過排流柜，也可測量雜散電流的大小。十五、雜散電流腐蝕防護(hù)

監(jiān)測的結(jié)果可以通過電力監(jiān)控系統(tǒng)傳送給供電維護(hù)管理部門。

十六、車站綜合接地系統(tǒng)與鋼軌電位的限制

在車站設(shè)置滿足各系統(tǒng)、各設(shè)備接地的綜合接地網(wǎng)。把全線各站的綜合接地網(wǎng)通過接地扁鋼（銅）連接起來，形成高低壓兼容，強(qiáng)弱電合一的綜合接地系統(tǒng)。由于車輛和鋼軌處于同一電位，而鋼軌與地絕緣，因此車輛與車站站臺間可能出現(xiàn)超過人體承受的電壓。為保護(hù)人身安全，每個(gè)車站在鋼軌與地網(wǎng)之間設(shè)置鋼軌電位限制裝置，當(dāng)鋼軌電位超標(biāo)時(shí)，短接鋼軌與地網(wǎng)。

電阻型吸收裝置主要采用多相IGBT斬波器和吸收電阻配合的恒壓吸收方式，根據(jù)再生制動(dòng)時(shí)直流母線電壓的變化狀態(tài)調(diào)節(jié)斬波器的導(dǎo)通比，從而改變吸收功率，將直流電壓恒定在某一設(shè)定值的范圍內(nèi)，并將制動(dòng)能量消耗在吸收電阻上。十七、再生制動(dòng)能量吸收裝置電阻型

電容儲能型再生制動(dòng)能量吸收裝置主要采用IGBT逆變器將列車的再生制動(dòng)能量吸收到大容量電容器組中，當(dāng)供電區(qū)間內(nèi)有列車起動(dòng)、加速需要取流時(shí)，該裝置將所儲存的電能釋放出去。連接單元變換器電容器S0

雙極隔離開關(guān) L1

線路電抗器 V2,R2

放電回路S1

直流快速斷路器 C 直流連接電容器 CBank

電容器組R1,K1

預(yù)充電回路 L2

斬波電抗器R1

預(yù)充電電阻 V1

升壓/降壓變換器 K1 Pre-chargingcontactor L2 Chopperreactor 十七、再生制動(dòng)能量吸收裝置電容型

飛輪儲能型能量吸收裝置采用IGBT逆變器將列車的再生制動(dòng)能量吸收到大容量飛輪電機(jī)中，通過高速旋轉(zhuǎn)的飛輪來儲存能量，當(dāng)供電區(qū)間內(nèi)有列車起動(dòng)、加速需要取流時(shí)，該裝置將所儲存的電能釋放出去并進(jìn)行再利用。飛輪儲能技術(shù)的進(jìn)口受限。

十七、再生制動(dòng)能量吸收裝置飛輪儲能型

近年來，國內(nèi)一些公司也在開發(fā)PWM型逆變器。湘潭恒信的逆變器開始在一些地鐵線路上被采用，由于擔(dān)心可靠性達(dá)不到要求，該型逆變器還帶有吸收電阻；許繼公司的逆變器正在廣州地鐵四號線上掛網(wǎng)試運(yùn)行，我們正在密切跟蹤其試驗(yàn)情況。十七、再生制動(dòng)能量吸收裝置逆變型

逆變器有晶閘管型和IGBT脈寬調(diào)制型。晶閘管型的諧波含量較高，這是它不常被采用的原因。脈寬調(diào)制（PWM）型解決了諧波問題，但I(xiàn)GBT的價(jià)格很高，而且進(jìn)口受限，國內(nèi)也無應(yīng)用。應(yīng)用PWM