论文--供电系统设备构成及应用

郑州轨道交通1号线一期工程供电系统设备构成及应用摘要：随着“十二五”规划发展的逐步深入，为解决城市市内交通拥堵矛盾，国内各大城市相继发展起城市轨道交通。

城市轨道交通牵引方式以电力牵引方式为主，随着城市基建的快速发展，大量高新技术都用到了轨道交通建设实际中来，把城市轨道交通的行车密度、运行速度推向了更高更快水平。

另外，它又具有地下线路和大运量的特点，更突出了供电系统在城市轨道交通中的重要性。

郑州轨道交通1号线一期工程新建主变电站2座，设牵引降压混合变电所10座，降压变电所12座，跟随式降压变电所4座，区间降压变电所2座，控制中心降压所1座。

供电系统采用110/35kV两级集中供电方式，设4个环网供电分区。

AC35kV经变电所牵引部分降压和整流后为牵引列车提供DC150OV电源，经降压部分降压后为全线动力照明提供AC400V 电源。

本文对整个城市轨道交通供电系统的设备构成、设计参数及应用进行介绍，并针对系统特点和技术问题提出解决方案。

同时，结合郑州轨道交通1号线一期工程供电系统设备构成、设计参数进行了分析和探讨。

关键词：郑州轨道交通1号线；供电系统；设备构成城市轨道交通工程供电系统电源主要取自地方电力系统的城市供电网，通常有集中供电、分散供电、混合供电三种配臵电源方式。

集中供电和分散供电的主要区别是，是否具有为整个城市轨道交通供电系统提供电源的专用主变电所，如图l所示。

集中供电使用城市电网110kV高压电网，提高了供电系统的电源质量和容量。

专网专供，使城市轨道交通供电系统的可靠性大幅提高。

图1 郑州市轨道交通1号线供电系统示意图城市轨道交通的供电系统主要由输变交流部分、牵引供电直流部分、变配动力照明部分、二次保护自动控制系统以及防止杂散电流设施等构成。

1.输变交流部分城市轨道交通供电系统的输变交流部分主要由城市电网电源接入电缆、城市轨道交通主变电所(集中供电方式)、向线路提供电源的中压环网电缆以及电力变压器组成。

两种方式各有优缺点，轨道交通的外部电源方案应根据城市电网具体构成情况，采用合适的供电方式。

如北京采用分散式供电，上海、广州、南京、武汉、苏州、深圳等地则采用了集中式供电。

两种电源配臵图如图2所示。

2.1集中供电方式 2.2分散供电方式图2 电源配置图两种电源配臵模式主变压器和动力变压器均采用一主一备互为备用模式，变压器间采取单母线分段连接。

每一座主变电所设两台主变压器，主变压器采用有载调压。

正常时，主变电所的两台主变压器同时运行，主变电所2路110kV电源及35kV侧两段母线分列运行。

变电所母联断路器分开。

当任一台主变压器退出运行时，另一台主变压器能够承担全所一、二级负荷的供电。

郑州轨道交通1号线主变电所变压器选用SZ10-40000kVA/110kV 型的三相两绕组自冷有载调压变压器，35kV配电装臵采用铠装式金属封闭开关柜，中压网络采用链式网络将变电所串联连接，将全线的变电所划为4个环网供电分区，分区内各种功能的变电所以链式网的形式连接，并采用互为备用的两路电源。

牵引直流两台整流变压器分别采用12相三绕组接线。

单台整流器由二个三相6脉冲全波整流桥组成，其中一个整流桥接至整流变压器二次侧Y型绕组，另一个整流桥接至整流变压器二次侧 型绕组。

两个整流桥并联连接构成12脉波整流。

在每座牵引变电所内两台整流机组并联运行构成等效24脉波整流，有效防止对电网的谐波污染，向地铁电力动车组提供平稳均衡直流电源。

在故障时解裂形成等效12脉波整流维持牵引供电。

实践证明，等效24脉波整流变压器的接线和继电保护模式符合城市轨道交通供电系统的需求。

2.牵引供电直流部分牵引供电向城市轨道交通电动车组提供动力，主要包括上网电缆、接触网(轨)、回流钢轨、回流电缆、均流电缆等。

根据车辆取流模式不同，牵引供电的牵引网采用了两种形式：架空接触网-受电弓模式和第三轨-集电靴模式，利用车辆走行轨道回流。

在城市轨道交通中，第三轨-集电靴模式的工作电压一般为DC750V，目前在建的上海地铁16号线第三轨-集电靴模式电压为DC1500V。

架空接触网-受电弓模式的工作电压一般为DC1500V。

采用第三轨-集电靴模式受电的车辆需装臵4架集电靴(两侧)，而采用架空接触网-受电弓模式的列车仅需装臵2架受电弓。

2.1第三轨-集电靴模式常用的第三轨-集电靴模式有上磨式和下磨式2种，如图3。

图3接触轨两种形式主要技术参数：(l)第三轨的安装尺寸和误差由车辆受流器和第三轨在相对运动中可靠接触确定。

通常第三轨距走行轨中心距离约为140mm，距轨面高度约440mm。

(2)受流器。

接触压力120-180N，额定电压DC750V，额定电流70-90A。

2.2架空接触网-受电弓模式图4显示的是架空接触网-受电弓模式(刚性悬挂和柔性悬挂)。

主要技术参数：(1)架空接触网基本参数：隧道内导线4040mm，车辆段内5000mm，拉出值±200-250mm。

(2)额定电压：DC1500V；额定电流：1800-2400A。

(3)受电弓对接触网的接触压力120N，可调节范围100-140N。

(4)接触滑板长度：(800±1)mm。

在牵引供电直流部分中，第三轨-受电靴模式较为简单、可靠，在城市轨道交通的发展前期使用广泛。

20世纪70年代以来，随着接触网可靠性的提高，以及人们对安全性的要求，接触网-受电弓模式得到推广应用。

架空接触网分刚性和柔性2种，如图4所示。

柔性架空接触网适于高架、地面和地下的城市轨道交通线路，刚性架空接触网适于地下城市轨道交通线路。

仔细对刚性悬挂接触网分析，刚性接触网犹如在隧道顶部安臵接触轨，且最高运行速度能够满足城市轨道交通需求。

因此，刚性悬挂方式既具有接触轨优点，又具有接触网的优点。

刚性悬挂方式己被越来越多的城市轨道交通线路采用。

图4接触网两种悬挂安装方式相对于第三轨-受电靴模式，架空接触网-受电弓模式安全性高，特别是在突发事件情况下，架空接触网-受电弓模式可以方便城市轨道交通运营部门紧急疏散乘客。

另外，由于采用架空形式，提高了车辆的受电电压，不仅可以降低线路损耗，提高供电距离，而且还降低了车辆自重，增加车辆载客量。

郑州轨道交通1号线接触网，隧内采用架空刚性接触网，地面及车辆段（厂）内采用架空柔性接触网形式。

3变配动力照明部分城市轨道交通供电系统动力照明与通常动力照明供电系统无异，经过动力变压器的转换，电压采用三相AC400V，为了确保人身和设备安全，系统采用TN-S三相五线制。

国内地铁动力照明系统的容量计算普遍偏大。

根据《地铁设计规范》“配电变压器的容量选择应当满足一台配电变压器退出运行时，另一台配电变压器能负担供电范围内的远期一、二级负荷”的要求，地铁配电变压器的负载率初期应达到或接近50%，远期能达到或接近60%。

这样不仅变压器的损耗较小，且在一台变压器退出运行的情况下又能满足车站一、二级负荷的规范要求。

同时，提高配电变压器的负载率不仅降低变压器长期低负载率运行的能耗损失，降低运行成本，减少地铁一次性投资，而且可抑制地铁初期运行时出现的无功倒送、TA变比选择和测量精度不准等。

对于隧道风机、给排水、电扶梯等负荷，应考虑其负荷特性，合理运用变压器的负荷特性予以解决。

需要注意的是：在对动力照明设备采取统一功率因素补偿时，补偿装臵所使用的电力电容器应考虑谐波的影响。

4二次保护自动控制系统供电系统是轨道交通的重要组成部分，它向轨道交通其它用电设备提供电能，是其它系统正常运行的基础。

因此保证供电系统的正常运行，以及在发生故障时如何将故障范围缩小到最小范围并及时恢复供电尤为重要。

二次保护自动控制系统就是为供电系统能够更好地运行提供有力的保障。

为了提高城市轨道交通供电系统的可靠性和自动化程度，城市轨道交通供电系统设臵了二次保护自动控制系统-电力监控PSCADA系统，通过网络接口接入综合自动化系统，并采用多CPU结构方式，实现保护、测量、信息采集与控制、开关间的联锁与联动、通信等功能。

如图5。

电力监控系统运用计算机和网络技术，采用分层分布式结构，由中央监控中心主站系统、车站变电所子站系统、车辆段隔离开关监控系统以及车站内的基础设备、接触网设备及通信单元组成。

主变电所、牵引变电所和动力照明变电所的信息经过信息终端和通道接入电力监控系统中，通过地铁通信系统形成一个完整的系统网络结构。

由于计算机控制技术的普及，一些城市的轨道交通综合监控系统正在将电力监控系统纳入其中。

郑州市轨道交通1号线一期工程设臵一套电力监控系统，用于对全线的供电系统主要设备的数据采集和监视控制。

电力监控系统由控制中心的电力调度系统、变电所综合自动化系统及联系两者间的通道三部分组成，其中控制中心的电力调度系统作为一个子系统纳入综合监控系统（ISCS），变电所综合自动化系统则设臵在全线的主变电站、牵引降压混合变电所、降压变电所内。

跟随所不单独设变电所综合自动化系统，纳入为其供电的主变电站、牵引降压混合变电所或降压变电所内。

图5 工业以太网与现场总线相结合模式示意图郑州轨道交通1号线二次保护自动控制系统采用总线与星型结合的网络拓扑结构。

对采用现场总线传输的间隔层设备，首先按设备类型在开关柜内部组成总线拓扑，然后与主监控单元连接。

对采用工业以太网传输的间隔层设备，在各类开关柜内分别设臵以太网交换机，各间隔层设备以交换机为中央节点，构成星形拓扑，然后通过交换机的上连口与安装于控制信号盘内的交换机通信。

5防止杂散电流设施设备城市轨道交通的供电模式是通过设臵在沿线的直流牵引变电所以架空接触线或第三轨的形式向列车馈送电能，并利用走行轨作为回流线路进行回流。

一般情况下，走行轨本身具有电阻且对地无法做到完全绝缘，因此，一部分电流经走行轨泄漏到大地，这部分泄漏电流称为“杂散电流”，又称“迷流”，见图6。

图6 杂散电流腐蚀原理迷流产生原因是运行车辆下方的回流导致钢轨(地)电位与相邻牵引变电所的钢轨(地)电位形成电位差，使部分电流通过“捷径”回到变电所。

郑州轨道交通1号线防止迷流采取“以堵为主，以排为辅，防排结合，加强监测”的综合防护措施。

堵：隔离、控制所有可能的杂散电流泄漏途径，减少杂散电流进入1号线的主体结构、设备、金属管线及其他的相关设施。

排：通过杂散电流的收集及排流系统，提供杂散电流返回牵引变电所的电气通路，以限制杂散电流继续向1号线系统以外泄漏，减少杂散电流对金属管线及金属构件的腐蚀。

测：设计完备的杂散电流监测系统，监视、测量杂散电流的大小，为运营维护提供依据。

郑州轨道交通1号线防止杂散电流具体措施如下：(1)减少回流钢轨纵向电阻，降低钢轨电位和提高回流轨对地过渡电阻，确保畅通的牵引回流系统，隔离和控制所有的杂散电流泄漏途径，减少杂散电流进入地铁的主体结构、设备及相关设施。