【上海軌道交通供電系統(tǒng)改進設計7300字（論文）】

上海軌道交通供電系統(tǒng)改進設計摘要從“十三五”規(guī)劃實施至今，逐步推進城市化建設，地鐵已經(jīng)成為了人們出行的一種主要途徑。為了保障人民群眾的生活水平不降低，就必須要提高城市軌道交通線路運營質(zhì)量和效率，其中最重要的就是做好地鐵供電系統(tǒng)設計工作。地鐵為直流制式，由于地鐵所需電壓不高，供電距離縮短，直流短距離內(nèi)電壓損耗降低。在此基礎上，為了提高地鐵的運營效率和安全性，必須要做好供電系統(tǒng)的規(guī)劃設計工作。直流牽引供電系統(tǒng)是城市軌道交通系統(tǒng)中給列車供電的心臟，需確保電力的安全，可靠運行。在當前我國各大城市中都存在著大量的地鐵項目，所以對于地鐵供電系統(tǒng)的研究非常重要。本文以上海軌道交通十號線為例，綜合設計其供電系統(tǒng)，由主變電所，牽引變電所、減壓變電所，牽引網(wǎng)、對雜散電流腐蝕防護體系層面的系統(tǒng)分析，希望對軌道交通供電系統(tǒng)設計有借鑒意義。關鍵詞：供電系統(tǒng)；軌道交通；直流牽引供電目錄TOC\o"1-3"\h\u320431引言 148192軌道交通供電系統(tǒng)組成 219082.1高壓供電系統(tǒng) 2295552.2牽引供電系統(tǒng) 3209362.3動力與照明供電系統(tǒng) 440973上海軌道交通十號線的供電系統(tǒng)設計 6187153.1主變電所 610713.1.1主變壓器 668443.1.2開關設備 6202003.1.3直流電源設備 775193.1.4自動監(jiān)控設備 7147783.2牽引變電所 7131423.3減壓變電所 8267933.4牽引網(wǎng) 8306353.4.1接觸網(wǎng) 9157123.4.2鋼軌回路 9217593.4.3饋電線 9207633.4.4回流線 9236313.5雜散電流腐蝕防護系統(tǒng) 989014改善地鐵供電系統(tǒng)運行的有效措施 1189884.1遵循三項原則 11171804.2應用智能化設備 11275215結(jié)論 1222231參考文獻 131引言城市軌道交通采用直流牽引供電，是城市軌道交通得以正常運行的先決條件。隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對于出行的要求越來越高，城市軌道交通建設也得到了迅猛的發(fā)展。但是城市軌道交通直流牽引供電設備所面臨的工作環(huán)境比較復雜，直流牽引供電設備對城市軌道交通的發(fā)展起著舉足輕重的作用。以確保直流牽引供電設備能夠正常運行，加強供電設備日常管理工作勢在必行。在直流牽引供電設備的管理工作中，堅持以防為主，及時排查供電設備的日常運行，保證供電設備存在的問題能夠及時的被發(fā)現(xiàn)，并得到解決，從而確保直流牽引供電設備平穩(wěn)工作。城市軌道交通直流牽引供電分為電力機車牽引與車站段控制中心用電。由于城市軌道交通線路長，車輛多，列車密度大等特點，使得其發(fā)生故障概率較大。在城市軌道交通信息化水平日益提升的今天，要求直流供電系統(tǒng)穩(wěn)定。城市軌道交通通常采用電流牽引供電與交流牽引供電。由于城市軌道交通具有線路長、運量大等特點，因此在采用電流牽引供電時需要考慮列車安全運行問題。直流牽引供電系統(tǒng)和交流供電系統(tǒng)相同，能夠給城市軌道交通提供電力。相對城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)而言，城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)能夠提供更穩(wěn)定直流供電。由于其結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，維護成本低等優(yōu)點，直流牽引供電系統(tǒng)在我國城市軌道交通中得到了廣泛的應用。但直流牽引供電系統(tǒng)有其不足。直流牽引的供電電壓比較高，通常為750V、1500V兩種，軌道交通運量巨大，通常由1500V及架空接觸網(wǎng)提供電源，軌道交通運輸能力一般，一般采用750V和接觸軌供電。直流牽引供電系統(tǒng)具有供電距離遠的特點，但是供電時的線損很大，所以，直流牽引供電系統(tǒng)的施工費用很高，具有一定安全風險。由于直流牽引供電系統(tǒng)雜散電流與軌道周邊金屬不同，管道及通信電纜外皮在隧道中與鐵皮反應產(chǎn)生腐蝕，減少基礎設施使用壽命。隨著城市軌道交通不斷發(fā)展，地鐵線路逐漸增多，而目前國內(nèi)大部分地區(qū)仍使用傳統(tǒng)的剛性基礎形式，導致地下管線密集且復雜。軟性混凝土極大地對城市軌道交通運行造成一定安全隱患。所以需要采用合理有效的方法來減少地鐵車站以及線路的絕緣電阻，從而提高直流牽引供電系統(tǒng)的可靠性和安全性。在此基礎上，本文將結(jié)合上海軌道交通十號線進行分析，設計并研究了它的供電系統(tǒng)。2軌道交通供電系統(tǒng)組成城市軌道交通供電系統(tǒng)包括外部高壓供電與軌道交通內(nèi)部供電兩大部分。軌道交通內(nèi)部的高壓系統(tǒng)是指在地鐵車站或區(qū)間內(nèi)安裝有牽引網(wǎng)、受流器以及輔助設備等電氣設備，以實現(xiàn)對列車進行不間斷地供電。圖2.1是軌道交通供電系統(tǒng)的構(gòu)成。軌道交通的外部高壓供電是指從電力系統(tǒng)獲取電能的一種方式。外部供電以軌道交通為主，即將變電所內(nèi)配置的2臺110kv、35kV主變壓器集中供電。其中一臺主變作為地鐵車輛的電源，另一臺主變作為列車上的輔助設備。通過發(fā)電廠產(chǎn)生電力，通過升壓變壓器，然后通過電力網(wǎng)輸送到主降壓變電站降到35kv以后，然后經(jīng)牽引變電所降壓整流，得到DC700/1500v直流電，通過饋線與接觸網(wǎng)，傳遞給軌道交通。內(nèi)部供電包括牽引供電系統(tǒng)與動力照明系統(tǒng)兩部分。針對動力照明系統(tǒng)而言，其電壓主要是為AC380/220V。該站以建立降壓變電所為主，每臺降壓變電所內(nèi)布置有2臺動力變壓器。2臺動力變壓器降壓，然后將AC400V低壓電可以通過動力照明配電系統(tǒng)向其供電范圍內(nèi)的站點和區(qū)間內(nèi)的負載供電。圖2.1軌道交通供電系統(tǒng)組成2.1高壓供電系統(tǒng)軌道交通的外部供電方式（高壓供電）包括：集中供電、分散供電與混合供電3種類型。國外在城市發(fā)展初期采用了集中化供電方式，隨著城市化進程加快和社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了分散化供電的模式。其中國內(nèi)多選擇采用集中集中式的供電方式，以分散式供電為補充。集中供電方式為在軌道交通供電線路沿線布設專用主站，采用110kV高壓供電，為在軌運行的內(nèi)部系統(tǒng)提供電能，但是，城市電網(wǎng)需引進2路110kV或者35kV供電。當一條供電線路發(fā)生故障時，另一供電線路可以繼續(xù)提供電能。圖中采用集中供電方式，通常有三級電壓制與兩級電壓制兩種。圖2.2集中式供電方式分散式供電就是將城市中壓電源分散地引進，也就是區(qū)域變電所，向軌道系統(tǒng)提供電力，通常約10KV，可向各路牽引變電所及降壓變電所雙路供電。圖2.3分散式供電混合式供電就是將上述2種供電方式混合構(gòu)成，通常是主變電所，個別地區(qū)的牽引變電所、降壓變電所等引入城市電網(wǎng)電源，起到輔助作用。2.2牽引供電系統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)見圖2.4。在鐵路系統(tǒng)中，通常采用交流牽引供電方式。主要包括牽引變電所，牽引網(wǎng)等。其中變電所和配電變壓器都與其它電氣設備有密切的關系。包括主要降壓變電所、直流牽引變電所，饋線，架空線路和跑道。其中，以電纜為主體的電力機車牽引網(wǎng)供電系統(tǒng)是目前世界上應用最為廣泛的一種電力牽引網(wǎng)絡。主要有變電所，架空線路等，它可以分為導體軌道與架空線路兩大基本型式。牽引網(wǎng)供電系統(tǒng)是由電流系統(tǒng)組成、電壓等級及供電方式等。為牽引變電所提供電能，有4種不同的接線方式，環(huán)形供電接線等，雙邊供電接線等，單邊供電接線方式，輻射形的供電接線。每種供電接線都能滿足牽引負荷要求，但對各種運行工況下的電網(wǎng)穩(wěn)定性影響很大。在實際運用中，一般采用各種接線方式相結(jié)合的方式，為了使供電系統(tǒng)免受損壞。牽引變電所采用整流機組，對三相交流電進行整流，使之成為適當直流電，它的基本原理是三相半波整流，三相橋式整流及大功率供電整流等。其中整流機組又分為受流側(cè)變壓器與整流器兩大部分組成。通過受流器接收架空接觸網(wǎng)或者第三軌的電能，由車載變流裝置為軌道交通牽引電動機提供動力，帶動列車順利行駛，然后從鋼軌返回到牽引變電所的負極。圖2.4牽引供電系統(tǒng)示意圖2.3動力與照明供電系統(tǒng)軌道交通供電系統(tǒng)可以分為直流供電系統(tǒng)以及交流供電系統(tǒng)，其中，電源及照明系統(tǒng)通常為低壓交流供電。電力照明系統(tǒng)包括降壓變電所，電力照明等。（1）降壓變電所以承擔電力照明負荷，每個車站都要設下行變電所。由于受地形限制，一般不布置上行變電所。車站兩端可設置牽引變電所、階梯變電所。當變電站數(shù)量較多時，可以利用車站附近的供電線路作為電源點。如負荷大，牽引變電所，階梯變電所可以置于車站一端。（2）動力照明電力照明系統(tǒng)采用380/220V三相五線制（TN-S制）配電。原則上為徑向供電，閥桿供電可以根據(jù)單個負載進行審批。根據(jù)不同的應用場合選擇相應的電壓等級及電流輸出形式，以滿足各種用電設備對電力的需求。3上海軌道交通十號線的供電系統(tǒng)設計直流牽引供電系統(tǒng)是以主變電所為主、牽引變電所、減壓變電所、饋電線、接觸網(wǎng)、行走軌、回流線、雜散電流防護系統(tǒng)的構(gòu)成。由于城市地鐵是地下工程，其接地方式與其他類型的接地裝置不同，因此對直流電源的要求也有所不同。3.1主變電所主變電所為電氣化鐵道提供動力，它使電力系統(tǒng)中的三相高壓電經(jīng)降壓、轉(zhuǎn)化為單相送至接觸網(wǎng)，用于電力機車或者動車組的取流。由于接觸網(wǎng)和受電弓都直接與大地相連，所以其供電系統(tǒng)一般均為三級負載。城軌用電是一級負荷，一定要確保不中斷電源，所以，主變電所外部電源需使用2路獨立高壓電源。主變電所主要作用是從城市電網(wǎng)中接收110kv或者220kv高壓電源，降壓之后就是牽引變電所、降壓變電所供的中壓電源為10kv或者35kv。供電要求：2路獨立電源進線供電，且2路電源同步工作，相互備用；進線上所有設備均需安裝斷路器。進線電源容量可以滿足供電區(qū)域的正常工作和事故工作主要電氣設備包括：主變壓器，開關設備，直流電源設備，自動監(jiān)控設備等。3.1.1主變壓器實現(xiàn)降壓及能量傳送的主變壓器等。對目前的國內(nèi)行情而言，我國城市軌道交通主變電所實行一主一備（變壓器），也就是熱備用狀態(tài)。2臺變壓器在正常運行情況下同步工作，各分擔1/2的用電負荷。在事故運行狀態(tài)下有以下幾個方面的要求：1）在主變壓器發(fā)生異常運行或失效的情況下，另一個主變壓器要滿足本供電區(qū)域內(nèi)高峰時牽引負荷以及動力，照明等一級，二級負荷的用電要求。2）一個變電所因某種原因解列后，其余主變電所要能夠擔負全線動力與照明一級與二級負荷以及牽引負荷。3.1.2開關設備開關設備在痛斷設備中占有重要地位，在主變電所可以分為高壓側(cè)開關設備與中壓側(cè)開關設備（高壓側(cè)110kv，中壓側(cè)35kv）。其中高壓側(cè)的高壓開關設備主要用于對變電站內(nèi)各系統(tǒng)進行控制及保護，而中壓側(cè)則主要用于向電網(wǎng)提供電能或輸送無功功率。高壓側(cè)，我們通常使用110KV的全封閉六氟化硫組合式電氣設備，六氟化硫氣體絕緣金屬封閉開關設備簡稱GIS，它包括例如斷路器（GCB）等、現(xiàn)地面匯控柜（LCP）、隔離開關（DS）、母線、接地開關（ES）和電壓互感器（VT）、避雷器（LA）、電流互感器（CT）以及其他構(gòu)成的電力設備，裝置占用空間少，結(jié)構(gòu)緊湊，造型美觀，操作安全、具有較強的抗污染能力等等。此外，除了母線采用三相共箱式結(jié)構(gòu)，其余部分采用三相分箱。110kV側(cè)GIS通常使用六氟化硫斷路器、液壓操動機構(gòu)等。以降低變電所土建規(guī)模，中壓側(cè)開關設備（35kv）通常使用GIS，但是都采用三相風箱式，使用真空斷路器，關于操縱機構(gòu)，選用液壓彈簧式或者彈簧儲能式結(jié)構(gòu)，三工位隔離開關與接地刀開關的使用。對于中壓側(cè)電壓式35kv開關設備，可以采用空氣絕緣金屬鎧裝開關柜，在裝置內(nèi)安裝了功能各異的隔室，手車有落地式的，也有中置式的。3.1.3直流電源設備直流電源設備具有以下功能：線路在正常工作的情況下，向其服務對象供給穩(wěn)定直流電源，（類如監(jiān)控設備、車站應急照明及緊急疏散標志）；以及給所述蓄電池充電；當蓄電池電壓低于規(guī)定要求時，通過控制開關使其恢復到額定工作電壓或設定范圍內(nèi)，以保證供電系統(tǒng)安全和可靠地工作。出現(xiàn)故障后，用蓄電池直流供電1~2h。3.1.4自動監(jiān)控設備自動監(jiān)控設備，用于對變電所內(nèi)電氣設備進行監(jiān)控與控制，并且可以實現(xiàn)遠程控制與數(shù)據(jù)采集。針對供電系統(tǒng)運行狀態(tài)，自動切換自動切除電氣設備及設施的故障，為了城市軌道交通供電系統(tǒng)安全運行、高效運行的保證。3.2牽引變電所牽引變電所作用：從城市電網(wǎng)或者城軌主變電送出35kv中壓電，經(jīng)降壓、整流后轉(zhuǎn)化為牽引供電需要的1500v直流電。牽引變電所主接線中裝有高壓受、配電系統(tǒng)（35kV）及直流受、饋電系統(tǒng)由兩個部分組成（750V或1500V），其中整流機組（整流變壓器一整流器組）可進行交、直流系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。牽引變電所個數(shù)隨直流牽引電壓級別變化、牽引網(wǎng)中最大電壓損失的允許值與其它諸多因素相關。在雙邊供電分區(qū)中部或單邊供電分區(qū)末端存在最大電壓損失允許值，這一數(shù)值能夠確保列車的正常起動，因此，牽引變電所設計容量應滿足長期高峰小時用電負荷。沿城市軌道交通布置牽引變電所，通常根據(jù)牽引供電結(jié)果及經(jīng)濟技術(shù)要求而進行，于是，沿線的幾個站點和車輛段周邊，每2~4km設變電所1座，每臺變電所都裝有兩套整流機組。為確保列車安全運行，各牽引供電系統(tǒng)應保證不間斷地供給足夠大的功率以滿足車輛對電能的需要。其好處如下：沿線任意舉引變電所出現(xiàn)故障時，鄰近兩邊牽引變電所可擔負各自供電任務。牽引變電所的防護：（1）交流電源側(cè)防護：有定時限保護（在設定了啟動電流后，對定時時間進行設定），過流速斷保護。（2）整流機組的防護：一次側(cè)交流斷路器進行全電流保護，對于瞬時過電流、定時限的過電流、過負荷等來保護。此外，整流變壓器的瓦斯保護也是必要的、正母線接地，作短路保護、和過電壓保護等等。（3）直流側(cè)防護：快速空氣開關防護，跳閘開關信號采用電流變化率（即在最大值出現(xiàn)之前，依據(jù)電流量增加的速率提前給出跳閘信號，這是一種過電流保護）。3.3減壓變電所降壓變電所具有以下作用：對于站點和線路區(qū)之間的功率、照明負荷以及通信信號電源供電。就牽引供電系統(tǒng)而言，降壓變電所可并入牽引變電所構(gòu)成牽引、降壓的混合變電所，但多為分別設置。受環(huán)境條件制約和安全保障等方面要求，和供電對象均為列車牽引、一級負荷，如通信信號電源，因此均須維持不間斷的供電，另外，還給予了另外兩個、三級動力及照明負荷提供動力，故采用環(huán)形供電系統(tǒng)。環(huán)形供電系統(tǒng)網(wǎng)絡下的直流牽引變電所、降壓變電所（動力用電）及牽引、降壓混合變電所在不間斷供電情況下，還可實現(xiàn)變電所間互聯(lián)網(wǎng)絡，提高供電可靠性。3.4牽引網(wǎng)牽引網(wǎng)由接觸網(wǎng)組成、軌道電路（包括大地）、饋電線與回流線之間存在較大范圍，在城軌供電系統(tǒng)中，是為電動車組提供電能的直接紐帶。3.4.1接觸網(wǎng)接觸網(wǎng)的主要設計內(nèi)容有：接觸懸掛、支持結(jié)構(gòu)和基礎，附加導線等、防雷和接地，平面布置等、接觸網(wǎng)隔離開關和回流箱的設置等等。3.4.2鋼軌回路“軌道”交通之所以區(qū)別于普通交通，就在于軌道交通車輛要在軌運行，軌道對運行于軌道中的汽車起導向作用，并起承載作用。用于牽引供電系統(tǒng)，用作牽引電流返回的回路。3.4.3饋電線饋電線功能為：將牽引變電所的電能引到接觸網(wǎng)的導線。3.4.4回流線回流線功能為：用于將牽引電流回流至牽引變電所內(nèi)負極。3.5雜散電流腐蝕防護系統(tǒng)當前，城市地鐵普遍采用直流牽引供電方式。牽引變電所向列車供給必要的牽引電源，以及經(jīng)由接觸網(wǎng)向列車輸送直流電，取走行軌做牽引電流回路，回到牽引變電所的負極。走行軌與地面之間必須有絕緣的作用，但是無法達到完全絕緣的效果，這樣走行軌上就有電壓降低現(xiàn)象，導致鋼軌間電位差的產(chǎn)生，所以直流牽引電流不可能完全沿著走行軌返回牽引變電所的負極，部分泄漏至道床上，最后由道床泄流入大地，泄漏的電流值越大?；亓麟娮鑼⒃龃螅孤冻鰜淼碾娏鲿容^大。該部分泄漏的電流若與沿線附近導電性能更好的埋地金屬管線相遇，電流會選擇電阻較低的徑路做流通路徑，電流由牽引變壓所的正級開始，流過金屬管線，終于由大地返回鋼軌上，到牽引變電所的負極。這部分電流為雜散電流（迷流）。如圖3.1所示，這就是雜散電流形成回路。圖3.1雜散電流示意圖雜散電流腐蝕防護系統(tǒng)主要作用在于降低牽引供電系統(tǒng)的溢散出電流，增強了軌道回路的絕緣性，避免迷流在城市和軌道線路周圍金屬管線上產(chǎn)生電腐蝕，且能檢測迷流。4改善地鐵供電系統(tǒng)運行的有效措施4.1遵循三項原則就地鐵系統(tǒng)而言，部分日常設備系統(tǒng)，如電源系統(tǒng)、燈控系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)等，都要靠地鐵供電系統(tǒng)提供電能，才能正常工作，并且在不同時段下，不同的系統(tǒng)供電需求是不一樣的。比如，夏季空調(diào)系統(tǒng)供電需求高于其他季節(jié)；在冬天，燈控系統(tǒng)對于供電的要求要高于其它季節(jié)，夜間燈控系統(tǒng)供電需求高于日間。這就使得在實際工作中，往往會因為供電系統(tǒng)出現(xiàn)問題，導致地鐵無法進行安全穩(wěn)定的運行。因此在地鐵供電系統(tǒng)的施工過程中，要把實際提供電源和所需電源統(tǒng)一起來，才能保證地鐵供電系統(tǒng)安全，可靠地運行。而要想實現(xiàn)這個目標，需遵循如下3個原則：（1）安全性原則：地鐵運營時，實際供電指數(shù)通常要求滿足某種準則，如果小于電源標準指標，將造成地鐵負電壓運行，如果超過電源的標準指標，就易造成一定的安全事故，因此，標準指標的輸送是非常必要的，從而保證運行安全；（2）效益性原則：節(jié)能是當代的重要課題，伴隨著節(jié)能理念被應用到各行各業(yè)，地鐵供電系統(tǒng)也要跟上時代的發(fā)展要求，積極采取多種節(jié)能措施等，嚴格遵循節(jié)能規(guī)定，重視低碳化和效益的提高；（3）智能性原則：適用于地鐵供電系統(tǒng)各種供電設備，均須遵循在科學智能型，也就是說，由總開關同時控制其他開關，這是地鐵系統(tǒng)未來的一個發(fā)展方向。4.2應用智能化設備在科技和信息技術(shù)高度發(fā)達的今天，地鐵系統(tǒng)每年也都在向著運輸智能化的方向邁進。當前我國地鐵系統(tǒng)，系列智能燈控系統(tǒng)和智能辦公化系統(tǒng)已逐步開始運用等等，但空間運輸系統(tǒng)還較為單一，已經(jīng)不能適應時代發(fā)展的需要。今后，便捷化和舒適化發(fā)展