轨道交通 供电系统
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设计题目: 城市轨道交通供电系统概述与分析————专业：
指导教师：
设
计
任
务
城市轨道交通供电系统概述及分析
设计要求分析地铁供电系统；绘制电路图；
分析特殊案例
设计成果
设计进程
指导教师评语
评阅人评语
成绩设计成绩指导教师评阅成绩评阅教师答辩成绩答辩负责人总评负责人
摘要：
近几年来，随着我国大城市交通压力的逐渐增大，城市轨道交通系统的发展步伐亦逐日加快。本文主要介绍了城市轨道交通供电系统的构成以及详细介绍了各部分的功能及分类，总结了国内外各城市地铁供电系统的应用方式。
因本人专业偏向于弱电，所以本文在全面总结城市轨道供电系统的前提下，着重介绍了变电所内的二次设备，从设备的种类、分类、用途以及构造方面加以了解。同时以沈阳地铁为案例介绍、分析了此轨道交通供电系统方案。
关键词：轨道交通供电系统二次设备
Abstract：
In recent years, with the city traffic pressure increase gradually, the development of urban rail transit system is accelerated pace of daily. This paper mainly introduces the power supply system of urban rail transit are introduced in detail the composition and function of each part and classification, summarizes the domestic and international every city metro power system application.
Because I am in favour of professional, so this weak in comprehensive summary of urban rail power supply system, emphatically introduces the condition of equipment, within the substation equipment types, from classification, applications and structural aspects. In case of shenyang subway is introduced and analyzed the rail traffic system.
Key words:Rail transit Power supply system Second equipment
目录
1城市轨道交通供电系统构成 (8)
1.1地铁供电系统的组成 (8)
1.2牵引电力制式 (10)
2变电所的主要电气设备 (12)
2.1变电所的分类 (12)
2.2变压器的工作原理、分类及结构 (13)
2.2.1变压器的工作原理 (13)
2.2.2变压器的分类及结构 (13)
2.2.3变压器型号与额定值意义 (14)
2.4变电所内的开关设备 (15)
2.4.1高压断路器 (15)
2.4.2隔离开关 (15)
2.4.3负荷开关 (16)
2.4.4互感器 (16)
2.5变电所内的保护设备 (17)
2.5.1熔断器 (17)
2.5.2变配电所的防雷措施 (17)
2.6补偿设备 (18)
2.7成套设备 (18)
2.8电力保护系统 (18)
3电气主接线 (20)
3.1电气主接线基本要求 (20)
3.2主接线的基本接线方式 (20)
3.2.1单母线不分段 (20)
3.2.2单母线分段 (21)
3.2.3单母线带旁路接线 (22)
3.2.4双母线接线 (22)
3.2.5桥式接线 (22)
3.3沈阳地铁采用的主接线方案 (23)
4牵引网 (24)
4.1牵引网与接触网 (24)
4.2接触网的工作特点 (24)
4.3对接触网的基本要求 (25)
4.4接触网的分类及其特点 (25)
4.4.1接触轨式馈电方式的特点 (25)
4.4.2接触网馈电方式的特点 (26)
5电力监控 (29)
5.1电力监控系统概述 (29)
5.2沈阳地铁电力监控系统 (29)
结束语 (31)
【参考文献】 (32)
城市轨道交通供电系统概述及分析
前言
世界上地铁交通很早就作为公共交通在城市中出现。随着科学技术和城市化的发展，大运量的地铁交通在现代大城市中越来越起着重要的作用。经济发达国家城市的交通发展历史告诉我们，只有采用大客运量的地铁交通系统，才是从根本上改善城市公共交通状况的有效途径。
我国发展地铁交通的历史也并不短,40年前北京就开始了地铁建设。想建地铁的城市也不少,但一直因造价太贵而却步。至今一些百万人口以上的大城市,仍然用传统的公共汽车和无轨电车来维持客运的做法,已越来越不能满足城市居民高频率出行的需要。因而目前很多大城市又在考虑和策划修建地铁交通项目，除北京外,上海﹑广州等城市也有地铁线路在运营,但远不能较为普遍地满足需要。由于我国城市地铁交通的应用技术和基础理论都还处于开拓阶段,项目实施的大多数情况是要引进技术和设备,国产化率低,成为工程造价昂贵的主要原因。因而提高我国城市地铁交通行业的技术力量,发挥自主建设能力,努力降低工程价,已是健康发展大运量地铁交通的关键。
电力牵引供电系统是城市轨道交通的重要组成部分,没有电力牵引供电系统的可靠安全供电,就不可能有城市轨道交通的正常运行。为此,本文对电力牵引供电系统的特点作了深入的分析和研究。
1城市轨道交通供电系统构成
通常国家供电系统总是把在同一区域（或大区）的许多发电厂通过高压输电线和变电所连接起来成为一个大的统一的供电系统，向该区域的负荷供电，这样由各级电压输电线将发电厂、变电所和电力用户联接起来的一个发电、输电、变电、配电和用户的统一体称为电力系统。
地铁用电取自城市电网，经过地铁供电系统实现输送和变换，应适当的电压等级共给地铁各类设备，例如电力机车、照明、通风、空调、排水、自动扶梯、自动检票机等用电设备。
1.1地铁供电系统的组成
城市轨道交通系统的组成包括牵引供电系统和动力照明供电系统，如图1.1所示：
城市轨道交通供
电系统
牵引变电所
牵引供电系统
牵引网
降压变电所
动力照明供电
系统
动力照明配电系统
图1.1 城市轨道交通规定系统组成
城市轨道交通系统是一级电力负荷，安全、可靠是供电系统的主要目的。在地铁供电系统中，牵引供电系统由于直接给列车提供动力，占据着举足轻重的地位。该系统的好坏直接影响整个地铁供电系统质量的高低。如果该系统出现问题，小则影响某个变电站、几个供电区间的输送电，大则引起整个牵引供电系统
的崩溃，给地铁列车的正常运营造成影响，因此要保证安全可靠的供电需要采用两路独立电源供电和增设应急电源。
在城市轨道交通供电系统中，从发电厂经升压、高压输电网、区域变电站至主降压变电站部分通常被称为牵引供电系统的“外部（或一次）供电系统”。
从主降压变电所（当它不属于电力部门时）及其以后部分统称为“牵引供电系统”。它应该包括：主变电所、直流牵引变电所、馈电线、接触网、走行轨及回流线等。直流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。馈电线是将牵引变电所的直流电送到接触网上。接触网是沿列车走行轨架设的特殊供电线路，电动车辆通过其受流器与接触网的直接接触而获得电力。走形轨道构成牵引供电回路的一部分。回流线将轨道回流引向牵引变电所。
牵引供电系统组成包括以下几个方面，如图1.2所示：
…
…………………
电力网
发电厂
～
主变电所
升压变电所
牵引变电所
轨道
接触网
回流线
馈电线
～
图1.2牵引供电系统组成
城市轨道交通供电系统负荷可分为一级重要负荷和二级、三级负荷，其中一级重要负荷包括防灾报警、事故照明、通信信号、通风消防，对于一级重要负荷若中断供电将可能发生中毒、爆炸和火灾危险，因此须保证两路独立电源供电，并备有应急电源，而其他用电设备，例如电梯、一般照明、普通风机、排污泵等则属于二级、三级负荷。
在正常情况下，变电所同时向各个负荷供电，如若供电系统发生故障或者出现事故时，则断开二、三级负荷，优先向一级负荷供电，以最大限度地保证地铁安全。
如图1.3所示：
图1.3 400V低压系统简图
1.2牵引电力制式
在城市轨道交通中电力机车必须能产生足够大的牵引力，具有较高的过载能力，并能充分利用牵引电机容量，容易实现调速以及先进的经济技术指标的特点，常采用直流电机和交流电机两大类，同时各有优缺点。
对于直流电机来说，启动和调速容易实现，但电机结构复杂、成本高，且接通电源瞬间启动电流太大，串联大功率电阻限流和降压使能量损耗大，北京一号线采用直流电机。
而交流电机性价比高于直流电机，寿命长，几乎免于维护，特别是调压调频逆变器系统使启动和调速更容易实现，较为普遍使用。
在城市轨道交通的牵引制式中，直流制比同电压交流制供电的电压损失小，且地铁适于电压较低的供电电压，因此城市交通通常采用低电压的直流供电制式，国际拟定标准有600 V、750V，我国国标为750V、1500V；北京、天津采用DC750 V牵引制式，电压波动范围为DC500V～DC900V，上海、广州、沈阳等采用DC1500V牵引制式，电压波动范围为DC1000V～DC1800V。
沈阳地铁牵引系统受电方式是牵引系统通过受电弓从DC1500V接触网受电，每列车配备两台DC110V电动气泵，升弓时间不大于8秒，降弓时间不大于7秒，沈阳地铁采用日本三菱交流异步电动机牵引，且采用1C4M供电方式，即由一台牵引逆变器向四台并联电机提供变频变压三相电源，从而驱动机车。
2变电所的主要电气设备
变电所是用以实现切断或接通、改变或者调整电压的功能。
变电所内的电气设备按所属电路性质分为两大类：一次高压电路中所有的电气设备，即为一次设备；二次控制、信号和测量电路中的所有电气设备即为二次设备。
一次设备按其在一次电路中的功用又可分为变换设备、控制设备、保护设备、补偿设备和成套设备等类型。
（1）变换设备
用以变换电能电压或电流的设备。如电力变压器、整流器、电压互感器、电流互感器等。
（2）控制设备
用以控制电路通断的设备。如各种高低压开关设备。
（3）保护设备
用以保护电路过电流或过电压的设备。如高低压熔断器和避雷器等。
（4）补偿设备
用以补偿电路的无功功率以提高系统功率因数的设备。如高低压电容器、静止无功补偿设备等。
（5）成套设备
按一定的线路方案将有关一次、二次设备组合而成的设备。如高压开关
柜，低压配电屏，高低压电容柜和成套变电站等。
2.1变电所的分类
变电所是供配电系统的核心，在供电系统中占有特别重要的地位。在城市轨道交通供电系统中，变电所可分为主变电所，牵引变电所，降压变电所交流牵引变电所又分为工频交流牵引变电所和低频交流牵引变电所，工频交流牵引变电所是将电网电压经变压器降为25～50KV交流电压供给电力机车，而
低频交流牵引变电所经降压变频换为162/3Hz低频交流电压。对于直流牵引变电所是将电网电压经降压整流为相应等级的直流电供给城市轨道交通系统中的电力机车，其中整流是区别于交流牵引变电所最关键设备。降压整流为直流电的直流牵引变电所和车站区间供电的降压变电所合并为牵引降压变电所。
沈阳地铁一号线一期及延长线设置两座66KV/35 KV主变电所：重工街、三
经街；每座主变电所由地区变电所引入两回路互相独立的6 6KV电源，变换为35 KV输出。
设置十座牵引降压变电所：车辆段混合所、十三号街、黎明文化宫等；牵引降压变电所将输入的AC35 KV电压变换为AC1500V和DC400 V，分别供给牵引网和动力照明配电系统。
设置降压变电所十三座：中央大街、沈阳站、青年大街等，降压变电所将输入的AC35 KV电压变换为DC400 v，供给动力照明配电系统。
另外在车辆段和控制中心设置两座跟随市降压变电所，将输入的AC35 KV电压变换为DC400 v，供给动力照明配电系统及控制系统。
2.2变压器的工作原理、分类及结构
变压器是一种静止的电器，它通过线圈间的电磁感应作用，把一种电压的电能转换为同频率的另一种电压的电能，故称变压器。实际上，它在变压的同时还能改变电流，还可改变阻抗和相数。
2.2.1变压器的工作原理
变压器的主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组，如图2.1所示。
图2.1 变压器构成简图
理想状况如下（不计电阻、铁耗和漏磁），原绕组加电压 U1 ，产生电流
I1 ，建立磁通? ，沿铁心闭合，分别在原副绕组中感应电动势e1 和 e2 。
2.2.2变压器的分类及结构
按用途分：电力变压器和特种变压器。
按绕组数目分：单绕组（自耦）变压器、双绕组变压器、三绕组变压器和多绕组变压器。
按相数分：单相变压器、三相变压器和多相变压器。
按铁心结构分：心式变压器和壳式变压器。
按冷却介质和冷却方式分：干式变压器、油浸式变压器和充气式变压器
图2.2为油浸式变压器：
图2.2 油浸式变压器
（1）铁心
作用:变压器的主磁路；
材料:为了提高导磁性能和减少铁损，用0.35mm厚、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成；基本形式:心式和壳式。
（2）绕组
变压器的一次绕组和二次绕组一般用绝缘铜线或铝线绕制而成圆筒形的多层线圈，放在铁芯柱上，导体外面采用绝缘处理。基本形式：同心式和交叠式。
（3）油箱及其附件
油箱、储油柜、散热器、分接开关、套管、气体继电器等。
油箱:油浸式变压器的器身浸在变压器油的油箱中。油是冷却介质，又是绝缘介质。油箱侧壁有冷却用的管子（散热器或冷却器）。
绝缘套管将线圈的高、低压引线引到箱外，是引线对地的绝缘，担负着固定的作用。
2.2.3变压器型号与额定值意义
型号表示一台变压器的结构、额定容量、电压等级、冷却方式等内容，表示方法为如图2.3：
图2.3变压器型号与额定值意义
在现代电力系统中，常采用多台变压器并联运行的方式。并联运行是将几台变压器的原、副绕组分别接到公共的母线上共同对负载供电的运行方式。变压器并联运行的条件为一次二次额定电压必须对应相等，且连接组别和短路电压须相同，以及容量尽量相同或相近。
在沈阳地铁供电系统中，各主变电所配有两台主变变压器（并联运行），三相油浸自冷双线圈有载调压降压电力变压器，型号为SZ11-31500KVA/66KV，即一次电压66KV，容量31500KVA；动力变压器采用AC35/0.4KV、额定功率为
1000KVA、2000KVA、1600KVA的户内干式风冷式变压器；在各牵引降压混合所设置两台牵引整流变压器，采用ZQSC9-2200/35的包封式环氧树脂浇注绝缘结构干式变压器。
2.4变电所内的开关设备
2.4.1高压断路器
断路器又叫高压开关，它是变电所的重要设备之一。断路器不仅可以切断与闭合高压电路的空载电流和负载电流，而且，当系统发生故障时，它与保护装置、自动装置相配合，可以迅速地切断故障电流，以减少停电范围，防止事故扩大，保证系统的安全运行。
断路器的主要结构大体分为倒流部分、灭弧部分、绝缘部分和操作机构部分。断路器在闭合时起接通回路的作用，当断路器断开时，触头虽已分开，但触头间仍会产生电弧，因而断路器应具有灭弧能力。断路器的灭弧方式有多种，从灭弧方式上可以将断路器分为：油断路器、六氟化流断路器、真空断路器等。2.4.2隔离开关
隔离开关是没有灭弧装置的开关电器，在分闸状态下有明显的断口，在合闸状态下能可靠的通过额定电流和短路电流。因隔离开关没有灭弧装置，不能切断负荷电流和短路电流，因此隔离开关通常和断路器配合使用，且在操作中必须注意与断路器操作的先后顺序。当合闸时，先合隔离开关，后合断路器；分闸时，先分断路器，后分隔离开关。这种操作通常称为倒闸操作。为了保证安全，一般采用连锁装置，以防止误操作。
隔离开关的主要用途有：
（1）为设备或线路的检修和分段进行电气隔离；
（2）在断口两段电位接近相等的情况下，倒换母线，改变接线方式；
（3）分合一定长度的母线和电缆；
（4）分合一定容量的空载变压器，一定长度的空载线路和电压互感器。
2.4.3负荷开关
负荷开关是在高压隔离开关的基础上加入简单的灭弧装置而成的，能切、合负荷电流，但不能切断短路电流。因此，负荷开关必须与高压断路器配合使用，短路电流由熔断器切断，而它专门在高压装置中通断负荷电流，也能在过负荷的情况下自动跳闸。
负荷开关常在一些经常需要进行分、合闸的地方使用。负荷开关的结构与断路器相似，制式开断性能要求比断路器低。因此，构造比断路器简单，操作机构动力较小，价格也较断路器低。
除了以上开关设备外，变电所内常用的还有低压刀开关、低压刀熔开关、低压断路器、直流开关等开关设备。
2.4.4互感器
互感器是一种特殊变压器，有电压互感器和电流互感器，其主要功能有变换、隔离保护功能，以及扩大仪表、继电器等二次设备应用范围。
（1）电压互感器
电压互感器的功能是将高电压变为低电压进行测量、控制。其结构特点是原绕组匝数很多，副绕组匝数很少，相当于特殊的降压变压器。工作时二次侧接电压表、继电器等，一般为100V，相当于开路。
互感器的电压比有误差，相位亦有误差，误差的大小与励磁电流的大小和漏阻抗的大小有关，为减少误差，铁心采用高度硅钢片，且使铁心工作在不饱和状态。根据实际误差的大小，精度分0.5、1.0和3.0三级。
（2）电流互感器
电流互感器的功能是将大电流变为小电流进行测量。其结构特点是原绕组的匝数很少，副绕组的匝数很多。工作时二次侧接电流表或其他测量仪表的电流线圈，相当于工作在短路状态的升压变压器。一次侧电流可为5～2500A，二次侧电流为5A.
电流互感器亦有变化比和相位误差，按电流比误差的大小，精度分0.2、0.5、1.0、3.0、10.0五级
2.5变电所内的保护设备
2.5.1熔断器
熔断器是一种在通过的电流超过规定值时使其熔体融化而切断电路的保护电路。熔断器的功能主要是对电路及其中设备进行短路保护，但也有的具有过负荷保护的功能。
熔断器有金属熔体、支持熔体的触头装置和外壳组成，当电路中的电流过大时，熔体将被烧断，这样，当电路中过载或短路时，熔断器能迅速切断电路，使电路中的各种电气设备得到保护。断路器的优点是结构简单，价格低，体积小，维护与更换方便，应用广泛。其缺点是不能正常切断或接通电路，而必须与其他电器配合使用；另外，当熔体融化后必须更换，须短时停电。熔断器按电压分为高压熔断器和低压熔断器。
2.5.2变配电所的防雷措施
（1）装设避雷针
室外配电装置应装设避雷针来防护直接雷击。如果变配电所处在附近高建（构）筑物上防雷设施保护范围之内或变配电所本身为室内型时，不必再考虑直击雷的保护。
（2）高压侧装设避雷器
这主要用来保护主变压器，以免雷电冲击波沿高压线路侵入变电所，损坏了变电所的这一最关键的设备。为此要求避雷器应尽量靠近主变压器安装。
避雷器的接地端应与变压器低压侧中性点及金属外壳等连接在一起。在每路进线终端和每段母线上，均装有阀式避雷器。如果进线是具有一段引入电缆的架空线路，则在架空线路终端的电缆头处装设阀式避雷器或排气式避雷器，其接地端与电缆头外壳相联后接地。
避雷器一般与被保护设备并联，正常时避雷器呈绝缘状态，雷电时避雷器被击穿时过电压对大地放电。如下图2.8所示
雷电过电
压波避雷器被保护设备
接地
图2.8 避雷器工作原理图
（3）低压侧装设避雷器
这主要用在多雷区用来防止雷电波沿低压线路侵入而击穿电力变压器的绝缘。当变压器低压侧中性点不接地时（如IT系统），其中性点可装设阀式避雷器或金属氧化物避雷器或保护间隙。
另外对于架空线路的防雷措施采用架设避雷线。这是防雷的有效措施，但造价高，因此只在66KV及以上的架空线路上才沿全线装设。35KV的架空线路上，一般只在变配电所的一段线路上装设。而10KV及以下的线路上一般不装设避雷线。
2.6补偿设备
采用降低各用电设备所需无功功率可以有效的提高用电企业的自然功率因数，但还不能完全达到要求值，所以需要采用人工补偿装置。
在地铁供电系统中为了提高功率因数采用电力电容器进行功率补偿，使电容的无功与电感的无功相互抵消，通常在低压侧并联补偿电容进行无功补偿；在沈阳地铁供电系统中采用400V侧补偿电容进行功率补偿，主变电所以及降压式混合所无功率补偿设备。
2.7成套设备
成套设备即使将同一回路的开关电器、测量仪表、保护电路和辅助设备都装配在一个或两个全封闭或半封闭的金属柜中。一般工厂供配电所中常用的成套配电设备有高压成套配电设备和低压成套配电设备。低压成套配电设备只有屋内式一种，高压开关柜则有屋内式和屋外式两种。另外还有一些成套配电设备，如高低压无功功率补偿成套装置，高压综合启动柜，低压动力配电箱及照明配电箱等。
高压成套装置是将断路器、隔离开关、互感器、避雷器、母线等封闭组合在金属壳体内，以绝缘性能和灭弧性能良好的气体作为相间和对地的绝缘措施。高压成套装置是在高电压高容量等级的电网用作受配电及控制。
低压成套装置包括低压配电屏和配电箱，它是将低压一二次设备组装在一起，在低压配电系统中作控制、保护盒计量用。
2.8电力保护系统
电力保护系统是当电力系统出现异常状态时发出信号、减负荷或跳闸的一种自动装置。其保护原理是当短路故障时利用电流、电压、温度等出现变化，构成相应的保护，通过断路器将故障元件能自动地、有选择地、快速地切除。
常用的电力保护有电流保护（例如瞬时电流速断、限时电流速断，过负荷保护等）、电压保护（包括欠压保护、过电压保护）、变压器温度保护、重合闸、整流器内部保护、断路器防跳保护等。
沈阳地铁电力保护系统采用66KV成套系统保护、35KV成套系统保护装置和直流开关柜保护。
66KV成套系统保护配置有电流闭锁电压速断（时间范围0～1S）、定限时过流、限时速断、故障录波、重合闸和断路器防跳功能。
35KV成套系统保护配置如下:
进线、出线开关柜、馈线柜、母联柜等采用光纤差动、过电流、零序电流、施压保护等；
直流开关柜保护包括瞬时过电流定时限保护、延时过电流定时限保护、热过载反时限保护、电流速度保护、失压保护、双边联跳保护及过电压保护。
3电气主接线
变电所的电气主接线是由变压器、断路器、开关设备、母线等及其连接导线所组成的接受和分配电能的电路。电气主接线反映了变电所的基本结构和功能，在运行中，它能标明电能的输送和分配的关系以及变电所一次设备的运行方式，成为实际运行操作的依据。
3.1电气主接线基本要求
在供电系统设计中，主接线的确定对变电所的设备选择、配电装置布置、继电保护配置忽然计算、自动装置和控制方式选择等都有重大影响。此外，电气主接线对牵引供电系统运行的可靠性、电能质量，运行灵活性和经济性起着决定性作用，因此，变电所电气主接线方案的缺德必须综合考虑安全性、可靠性、灵活性、经济性等多方面的要求。
此外，对主接线的选择，还应考虑受电容量和受电地点短路容量的大小、用电负荷的重要程度、对电能计量（如高压侧还是低压侧计量、动力及照明分别计费等）及运行操作技术的需要等因素。
3.2主接线的基本接线方式
3.2.1单母线不分段
母线也称汇流排，机会及和分配电能的硬导线。设置母线可以方便的把电源进线和多路引出线通过开关电器连接在一起，以保证供电的可靠性和灵活性。单母线的接线方式如XX所示，每路进线和出线中都配置有一组开关电器。断路器用于切断和关合正常的负荷电流，并能切断短路电流。隔离开关有两种作用：靠近母线侧的称母线隔离开关，用于隔离母线电源和检修断路器；靠近线路侧的称线路隔离开关，用于防止在检修断路器时从用户侧反向送电，防止雷电过电压沿线路侵入，保证维修人员安全。