4.第2章 城轨供电原理外部电源
城市轨道交通 供电系统讲义教学教材
城市轨道交通供电系统讲义第二章城市轨道交通供电系统描述●第一节供电系统的组成与功能●地铁供电系统是为地铁运营提供所需电能的系统，它不仅为地铁电动列车提供牵引用电，而且还为地铁运营服务的其它设施提供电能，如照明、通风、空调、给排水、通信、信号、防灾报警、自动扶梯等。
●地铁供电系统一般包括外部电源、主变电所（或电源开闭所）、牵引供电系统、动力照明供电系统、电力监控系统。
其中，牵引供电系统包括牵引变电所和牵引网，动力照明供电系统包括降压变电所和动力照明配电系统。
幻灯片26●地铁系统是一个重要的用电负荷。
按规定应为一级负荷，即应由两路电源供电，当任何一路电源发生故障中断供电时，另一路应能保证地铁重要负荷的全部用电需要。
在地铁供电系统中牵引用电负荷为一级负荷，而动力照明等用电负荷根据它们的实际情况可分为一级、二级或三级负荷。
地铁外部电源供电方案，可根据实际情况不同分为集中供电方式、分散供电方式和混合供电方式。
幻灯片27第二节变电所的分类●地铁供电系统中一般设置三类变电所，即主变电所（分散式供电方式为电源开闭所）、降压变电所及牵引降压混合变电所。
●主变电所是指采用集中供电方式时，接受城市电网35kV及以上电压等级的电源，经其降压后以中压供给牵引变电所和降压变电所的一种地铁变电所。
●降压变电所从主变电所（电源开闭所）获得电能并降压变成低压交流电。
●幻灯片28●牵引变电所从主变电所（电源开闭所）获得电能，经过降压和整流变成电动列车牵引所需要的直流电。
●主变电所：专为城市轨道交通系统提供能源的枢纽。
●牵引变电所：为列车提供适应的电源。
●降压变电所（配电变电所）：为车站、隧道动力照明负荷提供电源。
幻灯片29第四节供电系统主要运行方式● 1 10kV系统运行方式● 1.1 正常运行方式●变电所10kV母联开关和开闭所间联络开关均处于打开状态，每座变电所由2回电源供电，两段10kV母线分列运行。
变电所由开闭所按不同的供电分区供电。
城市轨道交通供电系统运行与管理04-外部电源供电方式
二、电压等级及要求
(一)负荷等级概念
一级负荷 《供配电系统设计规范》(GB50052-2009)第3.0.1条规定，符合下 列情况之一时，应视为一级负荷： (1）中断供电将造成人身伤亡时。 (2）中断供电将在经济上造成重大损失时。 (3）中断供电将影响重要用电单位的正常工作。
一级负荷中特别重要负荷 在一级负荷中，当中断供电将造成重大设备损坏或发生中毒、 爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要场所的不允许中断供电的 负荷，应视为一级负荷中特别重要的负荷。
二、电压等级及要求
(三)城轨供电电源要求
(5)设有两座以上主变电所的应急电源系统中，在保证城轨电动车组 安全快捷地运送旅客的基本功能的前提下，要求将下列负荷纳入应 急电源系统。 ①保证一定运输能力的牵引负荷。一定运输能力的负荷应是指高峰 小时以下的运输能力时的负荷。 ②保证城轨交通的通信系统、信号系统、防灾报警系统、电力监控 与数据采集系统、变电所操作电源和应急照明等特别重要负荷的正 常运行。
一、外部电源供电方式
(二)分散式供电
主要特点如下： (1)直接从城市电网分散地引入多路中压电源作为城市轨道交通电 源。 (2) 与城市电网接口比较多，平均每4～5个车站就要引入两路电 源。外部电源电压等级多为10kV，也有少量的35kV等级。 (3)城轨供电系统与城市电网关系紧密，独立性差，运营管理相对 复杂。
一、外部电源供电方式
(三)混合式供电 多指以集中式供电为主以分散式供电为辅的供电 方式。
北京地铁一线和环线、建设中的武汉轨道交通工程、青 岛地铁南北线工程等即为混合式供电方案。
一、外部电源供电方式
(四)3种供电方式的比较
1．供电质量
集中式供电的外部电源引自城市高压电网(如110kV)， 电压等级高，电网电压波动小。中压侧电压相对稳定， 供电质量高。 分散式供电的外部电源引自城市10kV电网，电压等级 较低，用户较多，系统网压波动较大。
城市轨道交通工程供电系统及设备组成
城市轨道交通工程供电系统及设备组成城市轨道交通供电系统是城市轨道交通运营的动力源泉，负责电能的供应与传输。
城市轨道交通的供电系统主要由外电源、牵引供电、动力照明、杂散电流腐蚀防护系统、电力监控系统组成。
外电源城市轨道交通供电系统的外电源主要取自外部电力系统的城市供电网，通常有三种形式：集中式供电、分散式供电、混合式供电。
集中式供电和分散式供电的分别是是否具有为整个城市轨道交通供电系统提供电源的主变电所。
集中式供电使用城市供电网的高压电网，提高了城市轨道交通供电系统的电源电压和容量，专网专供，使城市轨道交通供电系统的可靠性进一步提高。
分散式供电直接从城网分散地引入多路中压电源作为城市轨道交通电源，与城网电力资源共享，该方式要求城网有比较多的中压电源点。
混合式供电吸收了集中式供电与分散式供电方案的各自优点，系统方案灵活，使供电系统完善和可靠。
牵引供电系统牵引供电系统包括牵引变电所和牵引网。
牵引变电所的站位和容量设置，遵循供电合理，运营方便，满足高峰运营时最大负荷的需要进行设计。
牵引变压器和配电变压器一般均采用空气自冷式干式变压器，根据《地铁设计规范》“电力电缆与控制电缆，在地下敷设应采用低烟无卤阻燃电缆，在地上敷设时可采用低烟阻燃电缆。
为应急照明、消防设施供电的电缆，明敷时应采用低烟无卤耐火铜芯电缆或矿韧绝缘耐火电缆”。
变电所的主开关根据电压选择六氟化硫气体灭弧开关或真空开关。
为了抑制直流牵引负荷产生的谐波电流注入城市电网，牵引整流机组采用双机组12 脉波并列运行构成等效24 脉波整流，以满足供电部门关于抑制高次谐波注入电网的要求。
采用多相整流，增加直流侧输出电压脉波数的等效24 脉波整流，是解决城市轨道交通牵引负荷谐波的最佳方案。
相对于在电网侧加装滤波装置，该方案结构简单、成本低、运营管理方便，同时提供给车辆的直流电压更加平稳，有利于车辆运行。
根据车辆受电模式不同，牵引供电的牵引网采用两种形式：第三轨—集电靴模式和架空接触网- 受电弓模式，利用车辆走行轨回流。
城市轨道交通供电系统
尽量减少杂散电流，使杂散电流对车站内部及附近金属结构的腐蚀在设计年限内 不造成影响。
二 供电系统用电负荷分类
一级负荷
1、定义：
• 负荷一旦供电中断，就会导致中断运营；
2、设计要求：
• 必须有两路以上线路电源，两路电源互为备用，部分重要负荷，除双路供电外， 还应有应急电源；
3、一级负荷系统/设备：
• 通信、信号、电力监控系统、火灾自动报警系统、消防系统设备、消防电梯、事 故风机、自动售检票系统、排烟系统风机及电动阀门、防淹门、防护门、应急照 明、诱导照明、应急疏散照明指示系统、全新风机、环境与设备监控系统设备、 排雨泵、车站排水泵等。
二 供电系统用电负荷分类
二级负荷
1、定义：
• 负荷一旦供电中断，也会对轨道交通的运营造成很大影响；
一 城市轨道交通供电系统组成
概述
电压等级
AC110KV/AC63KV AC35KV AC10KV
AC380V /AC220V AC36V
DC1500V/DC750V DC220V/DC110V
说明
主变电所的电源电压，其中，AC63kV电压级为东北电网所特有 主变电所电源电压或牵引供电系统电源电压
牵引供电系统、动力照明供电系统和电力监控系统电压电压 动力照明等低压负荷用电的电源电压 安全照明电源电压 接触网（轨）电源电压
变电所直流操作电源电压和事故照明电压
一 城市轨道交通供电系统组成
主变电所
设计要求
– 至少设置两路电源。 – 每个进线电源的容量应满足变电所
全部1、2级负荷的要求。 – 两路电源要求来自不同的变电所或
同一变电所的不同母线。 – 每座变电所设置2台主变压器。 – 两路电源应分别运行，互为备用。
第二章外部供电系统【精选】
图2-3 集中式供电方式示意图
第一节 外部电源
2.分散式供电方式 分散供电方式是指沿地铁线路的城市电网（通常是
10KV电压等级）分别向各沿线的地铁牵引变电所和降 压变电所供电。
第一节 外部电源
五、谐波及其治理 1.谐波及其产生 在理想的干净供电系统中，电流和电压都是 正弦波的。在只含线性元件(电阻、电感及电 容)的简单电路里，流过的电流与施加的电压 成正比，流过的电流是正弦波。 在电力系统中，谐波产生的根本原因是由于 电流流经非线性负荷（如变压器、电子开关等） 时，电流与所加的电压不呈线性关系而造成波 形畸变，形成非正弦电流，即电路中有谐波产 生。
区域变电所
10kV
10kV
10kV
10kV
10kV
10kV
10kV
牵引或降压变电所
图2-4 分散式供电方式示意图
第一节 外部电源
3.混合式供电方式 混合式供电方式是将分散式与集中式相结合的供电方
式 。采用集中式供电方式时，在主变电所设置一定的
情况下，若线路末端中压网络压降不能满足要求，则可 从城市电网引入中压电源作为补充，这就构成了以集中 式供电方式为主的混合式供电方式。
第一节 外部电源
一、城市轨道交通对外部电源的要求 1）两路独立的进线电源。这两路电源可以来自城市电 网的不同变电所，也可来自城市电网的同一变电所的 不同母线。主变电所进线电源应至少有一路为专线电 源。 2）每路进线电源的容量应满足所内全部一、二级负荷 的要求。 3）两路电源应分列运行，互为备用，当一路电源发生 故障时，另一路电源不应同时受到损坏，由另一路电 源保证对城轨供电系统供电。 4）为了便于运营管理和减少损耗，外部电源点应尽可 能地靠近城市轨道交通线路。
城市轨道交通供电系统 (12)
第二章外部电源
外部电源方案的形式1
集中和分散两种供电方式的比较2
电源外线的设计原则3
谐波的分析及治理
4
通常有三种外部电源方案的形式，
即城市电网对城市轨道交通的供电方式有3种：集中式供电、分
散式供电和混合
式供电。
集中式分散式混合式
外部电源方案2.2 外部电源方案形式
（3）混合式供电
混合式供电方案是介于集中供电方案的一种结合方案，根据城市电网现状、规划以及城市轨道交通自身的需要，
吸收了集中式供电和分散式供电的各自优点，系统方案灵活，使供电系统完善可靠。
如图2-3所示。
图2-3混合式供电示意图修建主变电所，集中式供电特点
沿线分散引入城网电源，
分散式供电特点
了主变电所，兼有集中式和分散式两种方式的特点。
混合式供电方案是介于集中供电方案的一种结合
方案，根据城市电网现状、规划以及城市轨道交通自身的需要，吸收了集中式供电和分散式供电的各自优
点，系统方案灵活，使供电系统完善可靠。
在城市轨道交通沿线，直接从城市电网分散
地引入电源作为城市轨道交通电源。
修建主变电所。
混合式供
电方案的
主要特点独立性介于集中式和分散式之间。
与城市电网的接口介于集中式和分散式之间。
武汉轨道交通一期工程、北京地铁10号线二期工程采用了混合式供电方案。
混合式供电的应用
小结
小节主要内容：
1 .混合式供电方式的特点。
思考：混合式供电方式的特点有哪些？
本节课程到此结束，下节再见！
谢谢！。
城轨交通供电系统
• 吸流变压器采用变比为1：1的特殊变压器，其特 点是要求励磁电流小。吸流变压器的原边串接在 接触网上，次边串接在回流线中。间隔约1.54km 设置一台吸流变压器，在两个吸流变压器中 间，把轨道和回流线连接起来，这个连接成为吸 上线。它是机车电流返回回流线的通路。吸流变 压器工作时，使接触网和回流线间集中的加强了 互感耦合，设吸流变压器的原边电流为I1，匝数 为w1，负边电流为I2，匝数为w2，根据变压器的 原理，I1 w1= I2 w2，而w1= w2，所以，I1= I2 ， I1和I2的差别是I1种含有吸流变压器的励磁电流 ，励磁电流流经轨道和大地，但数值很小。
第4章
•
城市轨道交通供电系统
城市轨道交通供电系统是轨道交通的重要组 成部分，它不但为列车提供牵引动力，而且还为 地铁运营服务的辅助设施，如照明、通风、空调 、排水、通信、信号、防灾报警、自动扶梯等提 供电力。如果在地铁运营期间供电一旦中断，不 仅列车运行瘫痪，现场及附近地区引起极大的混 乱。所以城市轨道交通供电系统是确保城市轨道 交通正常运营的重要设施。
• 城市轨道交通内部供电系统: • 牵引供电系统,动力照明供电系统 • 牵引供电系统：牵引变电所将三相高压交流电变 成适合电动车辆应用的低压直流电。馈电线再将 牵引变电所的直流电送到接触网上，电动车辆通 过其受流器与接触网的直接接触而获得电能 • 动力照明供电系统：提供车站和区间各类照明、 扶梯、风机、水泵等动力机械设备电源和通信、 信号、自动化等设备电源，由降压变电所和动力 照明配电线路组成。
城市轨道交通的用电负荷按其功能不同可分为两大用 电群体。 一是电动客车运行所需要的牵引负荷； 二是车站、区间、车辆段、控制中心等其他建筑物所需 要的动力照明用电，诸如：通风机、空调、自动扶梯、电 梯、水泵、照明、AFC系统、FAS、BAS、通信系统、信号 系统等。 在上述用电群体中，有不同电压等级直流负荷、不同电 压等级交流负荷；有固定负荷、有时刻在变化的运动负荷 。每种用电设备都有自己的用电要求和技术标准，而且这 种要求和标准又相差甚远。城市轨道供电系统就是要满足 这些不同用户对电能的不同需求，以使其发挥各自的功能 与作用。
城市轨道交通供电系统
城市轨道交通供电系统概述城市轨道交通供电系统是城市轨道交通运营的重要基础设施之一。
它负责为城市的地铁、轻轨等轨道交通提供稳定可靠的电力供应。
供电系统的设计与运营对于轨道交通系统的正常运行和乘客的出行安全至关重要。
本文将重点介绍城市轨道交通供电系统的组成和原理、供电方式以及相关设备和技术等内容。
组成和原理城市轨道交通供电系统主要由以下几个组成部分组成：电源系统是城市轨道交通供电系统的核心组成部分，负责为整个供电系统提供稳定的电力。
常见的电源系统包括接触网供电系统和第三轨供电系统。
•接触网供电系统：通过架设在轨道上方的接触网，通过配电设备提供电力给列车供电。
•第三轨供电系统：在轨道的一侧或两侧铺设一根导电轨，列车通过集电装置与导电轨接触，实现电能传递。
2. 配电系统配电系统负责将电源系统提供的电能，在整个轨道交通线路上进行合理分配。
配电系统通常包括变电站、变压器、开关设备等，在供电过程中起到调节电能和保护设备的作用。
线路系统是城市轨道交通供电系统的输电线路，包括主干线、支线和馈电线等。
这些线路通过导线将电能输送到不同的供电区域，确保整个供电系统的稳定性和可靠性。
4. 集电装置集电装置是连接列车和供电系统的关键设备，由于列车在运行过程中需要实时获得电力供应，因此集电装置可以通过与接触网或第三轨建立导电接触来获取电能，并将其传送到列车的牵引设备中。
供电方式根据城市轨道交通供电系统的不同设计和实际情况，可以有以下几种常见的供电方式：1.直供直流供电方式（常用于地铁）：以直流电方式供电，电压较高，通常为600V、750V或1500V，通过第三轨或接触网提供电能。
2.直供交流供电方式（常用于轻轨）：以交流电方式供电，电压较低，通常为380V或750V，通过接触网提供电能。
3.高速铁路供电方式：通常使用交流电方式供电，电压较高，通常为25kV，通过接触网提供电能。
相关设备和技术城市轨道交通供电系统涉及到的设备和技术非常多样化，其中一些关键的设备和技术包括：•变电站：用于将电网的高压电能转换为供电系统所需的低压电能。
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式中， U N ——电网的标称电压（KV）
S k ——公共连接点的三相短路容量（MVA） Z h ——系统的第h次谐波阻抗（Ω）
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第2章 外部电源
三. 谐波分析及治理
2. 谐波计算
（3）相关计算
② 同次谐波电流叠加
2 2 Ih Ih I 1 h 2 K h I h1 I h 2
计算系数的选取 h 3 1.62 5 1.28 7 0.72 11 0.18 13 0.08 9、>13、偶次 0
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Kh
第2章 外部电源
三. 谐波分析及治理
2. 谐波计算
（3）相关计算
③ 公共连接点处第i个用户第h次谐波电流允许值
Si I hi I h St
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第2章 外部电源
四. 无功功率补偿
1. 基本概念
C. 无功功率危害
供电线路中增加了无功功率的有功损耗，导致变送电设 备、供电线路、用电设备发热程度加重。 无功电流在供电线路上产生的电压降，导致线路末端的 输出电压降低，致使用电设备的实际输出功率降低。 变送电设备的负荷容量一定，增加了无功容量Q，则有 功输出容量P降低。 电网中的电流与电压的相位不同相，产生较为严重的谐 波分量，导致供电网络电压不稳定和谐波干扰增大。
I C I Z
U
I
I C
C
I Z
Z cos Z
I
I C
cos
Z
U
I Z
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第2章 外部电源
四. 无功功率补偿
3. 并联电容器无功补偿
B. 集中和分组补偿容量
QC K av PC (tan 1 tan 2 )
QC 103 C （星联每相容量） 2 U C QC 103 C （三角形联每相容量） 2 3U C
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第2章 外部电源
四. 无功功率补偿
1. 基本概念
B. 无功功率来源
阻感负载：异步电动机、变压器、荧光灯。（阻感负载 必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质 所决定的。） 电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一定无功功率。 电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率。（在工 作时基波电流滞后于电网电压。）另外，这些装置也会 产生大量的谐波电流，谐波源都是要消耗无功功率的。
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第2章 外部电源
三. 谐波分析及治理
2. 谐波计算
（1）谐波术语
① 第h次谐波电压、谐波电流含有率HRUh 、 HRIh
Uh HRU h 100% U1 Ih HRI h 100% I1
② 谐波电压、谐波电流含量UH 、 IH
UH
(U h )
h2
2
IH
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第2章 外部电源
四. 无功功率补偿
4. 城轨无功补偿方案
B. 补偿装置系统构成
a) 接线形式 电流互感器 配电变 控制器 控制 开关 控制器
电容器 电抗器
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第2章 外部电源
四. 无功功率补偿
3. 城轨无功补偿方案
B. 补偿装置系统构成
b) 控制原理 通过检测线路参数，实现电容器自动投切。检测量主要 有功率因数cosφ、无功功率Q和无功电流Iq三种。目前 以无功电流检测为主。
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第2章 外部电源
三. 谐波分析及治理
1. 谐波概念
（1）牵引供电系统谐波
分为特征谐波和非特征谐波。 特征谐波是指整流装置运行于理想条件下产生的谐波。 非特征谐波目前没有通用的表达工式，工程上采用实测。 （2）动力照明系统谐波
主要谐波源：变频器、荧光灯、高压气体放电灯、计算 机、软启动装置、电容器。
城轨供电系统
第2章 城市轨道交通外部电源
电气工程系 黄小红
第2章 外部电源
一. 外部电源供电形式
集中式供电、分散式供电、混合式供电 110KV
主变电所
110KV
主变电所
35KV …
牵引、降压或混合所
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第2章 外部电源
一. 外部电源供电形式
集中式供电、分散式供电、混合式供电
主变电所属专用变电所。
开闭所
10KV
开闭所
10KV
开闭所
10KV … …
牵引、降压或混合所
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第2章 外部电源
一. 外部电源供电形式
集中式供电、分散式供电、混合式供电
从城网分散引入多路中压电源，一般为10KV。
平均4～5个车站需引入两路电源，与城网接口多。 要求城网有足够的电源引入点和备用容量。 两开闭所之间的供电分区通过双环网进行联络。 城轨供电系统与城网关系紧密，独立性差，运营管理相对 复杂。 长春轻轨、大连快轨、北京地铁4、5、9号线等为分散供电 方案。
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谢 谢
pR pX
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第2章 外部电源
四. 无功功率补偿
1. 基本概念
A. 无功功率概念
p(t ) UI cos [1 cos(2t 2 u )] UI sin sin(2t 2 u )
pR pX
无功功率：pX最大值。具有电感和电容的交流电路中， 电感的磁场或电容的电场在一个部分内从电源吸收能量， 另一部分时间内将能量返回电源。在整个周期内平均功 率为零，即不消耗能量。但能量是在电源和电感或电容 之间来回交换的。能量交换的最大值定义为Q。
2 ( I ) h h2
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第2章 外部电源
三. 谐波分析及治理
2. 谐波计算
（1）谐波术语
③ 电压、电流总谐波畸变率THDu 、 THDi
U THDu H U1
0.38 10 35 110
公用电网谐波电压（相电压）限值
电网标称 电压/kV 电压总谐波 畸变率 THDu(%) 5.0 4.0 3.0 2.0
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第2章 外部电源
四. 无功功率补偿
1. 基本概念
D. 功率因数要求
电力部门对用户功率因数的一般要求为：高压供电用户， 其功率因数不小于0.9；低压供电用户，其功率因数不 小于0.85。
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第2章 外部电源
四. 无功功率补偿
2. 无功补偿方式
A. 按补偿装置安装位置划分
与城网接口少。 主变电所、牵引变电所、降压变电所均有两个独立的引入 电源。 城轨供电系统相对独立，自成系统，便于运营管理。 上 海、广州、南京、香港及新建大部分地铁均为集中供电 方案。
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第2章 外部电源
一. 外部电源供电形式
集中式供电、分散式供电、混合式供电 10KV
开闭所
10KV
1
式中， S i ——第i个用户的用电协议容量
S t ——公共连接点的供电设备容量
——相位叠加系数
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第2章 外部电源
三. 谐波分析及治理
2. 谐波计算
（3）相关计算
③ 公共连接点处第i个用户第h次谐波电流允许值
Si I hi I h St
h 3 1.1 5 1.2 7 1.4 11
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第2章 外部电源
四. 无功功率补偿
3. 并联电容器无功补偿
C. 就地补偿容量
P32，由式（2－42）～（2－45）确定。
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第2章 外部电源
四. 无功功率补偿
4. 城轨无功补偿方案
A. 配置原则
城轨供电系统消耗的无功功率主要为低压异步电动机和 照明灯具。
a) 总体平衡与局部平衡相结合，以局部平衡为主。 b) 电力部门补偿指标与用户补偿要求相结合。 配电网络中，用户消耗的约占50%～60%，其它的消耗 在配电网络中。
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第2章 外部电源
一. 外部电源供电形式
集中式供电、分散式供电、混合式供电
以集中供电式为主，以分散式供电为辅的供电方式。
一般地，集中供电方案中，在主变电所设置一定的情况下， 如果线路末端中压网络压降不能满足要求时，从城网分散引 入中压电源作为补充。 举例：集中式供电方案
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第2章 外部电源
三. 谐波分析及治理
1. 谐波概念
理想情况下，电力系统中电压电流均为正弦波。由于设 备和负荷的非线性特性，造成所加的电压与产生的电流 不成线性关系，出现波形畸变。 非线性设备或负荷在传递、变换、吸收系统发电机供给 的基波能量的同时，又把部分基波能量转换为谐波能量， 向系统倒送大量的高次谐波，使电力系统的正弦波形畸 变，电能质量降低。
就地补偿：将电容组与用电设备并接。 集中补偿：主变电所集中补偿、低压集中补偿 静态补偿：补偿装置一般由值班人员手工投入或退出。
B. 按工艺划分
动态补偿：自动检测，实时快速补偿。
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第2章 外部电源
四. 无功功率补偿
3. 并联电容器无功补偿
A. 原理
Z
U
I
1
相位叠加系数的选取 13 1.9 9、>13、偶次 2
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1.8
第2章 外部电源
三. 谐波分析及治理
3. 谐波治理
（1）限制电网谐波
① 增加牵引整流机组的脉波数 ② 安装滤波装置或谐波补偿装置 A. 无源滤波装置 B. 有源滤波装置