供电系统

第1章绪论

1.1 地铁供电系统设计的背景与意义

地铁是一种独立的地下有轨交通系统，不受地面道路状况和天气情况的影响，能够

按照设计的能力正常运行，从而快速、安全、舒适地运送乘客。地铁供电系统，是城轨

工程中重要机电设备系统之一，采用直流制供电方式供电。它担负着为电动列车和各种

运营设备提供电能的重要任务，也是城市电网的重大用户。地铁的运营具有良好的社会

效益，正日益成为人们日常生活中密不可分的一部分。因此，地铁供电系统的研究对于

地铁的发展有着极其重要的意义。

1.2 地铁供电系统国内外现状

国外地铁交通已有140多年历史，目前已呈现出多元化的发展趋势。世界上第一条

蒸汽式地铁列车于英国伦敦通车，从第一条地铁诞生起，欧美的地铁交通发展较快。不

久便开启了电气化地铁线路的先河，地铁从此步入连续不断的发展时期。现代地铁技术

的标志，当以舒适的车辆和行车控制技术为代表。进入21世纪以来，随着我国大城市交通问题的日益突出，大力发展地铁交通已达成共识。目前我国城市地铁交通建设已进入了大规模高速发展阶段，国内现有30多个城市正在建设或规划筹建地铁工程，北京、上海、广州等特大城市的地铁发展已步入了网络化发展时代。而供电系统作为地铁的重要组成部分，也随着地铁的发展而快速发展。

1.3 供电系统的功能

地铁供电系统是地铁的动力源泉，负责电能的供应和运输，分别为电动列车牵引供

电和提供车站、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。地铁供

电系统应具备安全可靠、经济适用、调度方便的特点，其总体功能应具备供电系统服务

功能、故障自救功能、自我保护功能、防误操作功能、便于调度功能、完善的控制、显

示和计量功能和电磁兼容功能等

1.4 供电系统的基本要求

地铁供电系统应满足安全性、可靠性、经济性、先进性的基本要求。

(1)安全性

供电系统的安全性，关系着乘客安全、运营人员安全、行车安全、设备安全等多个方面，而且各种安全性是相互联系、不可分割的。供电系统设计时，一般从系统安全性和设备安全性两个方面分析。系统安全性分析，一般包括连锁关系、继电保护、牵引网、直流牵引系统、综合接地系统、应急电源等方面；设备安全性分析，一般包括变压器、牵引整流器、断路器、隔离开关、接地开关、电缆等方面。

(2)可靠性

供电系统的可靠性，是正常运营、事故处理、火灾救援等方面的前提条件。供电系统可靠性涉及到规划、设计、运行管理等各个方面，并渗透到供电、变配电的不同环节。

(3)适用性

供电系统的适用性，是指地铁供电系统的建设应满足业主建设目的与性能要求。

适用性要求地铁供电系统应与城市特点、本线功能及特殊要求相适应。

(4)经济性

经济性不但要求节省工程投资，同时还要求降低运营成本。供电系统设计应优化电源网络结构，实现外部电源共享；另外应尽可能采用成熟设备、新型材料。

(5)先进性

先进性体现在设计理念、先进的系统方案、先进的设备及工程先进的管理手段等方面。要充分认识到环境保护与节约能源的重要性，采取必要措施进行环境保护和降低能耗。

1.5 供电系统的构成

地铁供电电源通常取自城市电网，通过城市电网一次电力系统和地铁供电系统实现输送或变换，然后以适当的电压等级供给地铁各类设备。根据用电性质的不同，地铁供电系统可分为两部分：由牵引变电所为主组成的牵引供电系统和以降压变电所为主组成的动力照明供配电系统。

(1)外部电源

地铁供电系统的外部电源就是为地铁供电系统的主变电所或电源开闭所提供的外部城市电网电源。外部电源方案的形式，有集中式供电、分散式供电、混合式供电。

(2)主变电所

主变电所的功能是接受城市电网高压电源，经降压为牵引变电所、降压变电所提供中压电源，主变电所适用于集中式供电。

(3)牵引供电系统

牵引供电系统的功能是将交流中压电压降压整流成直流1500V或750V电压，为电动

列车提供牵引供电，它包括牵引变电所与牵引网。

(4)动力照明系统

动力照明系统的功能是将交流中压电压降压成交流380V/220V电压，为各种运营设

备提供低压电源，它包括降压变电所、动力照明配电系统。

(5)杂散电流防护系统

杂散电流防护系统的功能是减少因直流牵引供电系统引起的杂散电流并防止其对外扩散，尽量避免杂散电流对城市轨道交通本身及附近结构钢筋、金属管线的电腐蚀，并对杂散电流及其腐蚀防护情况进行检测。

第2章外部电源

2.1 概述

地铁供电系统由外部电源、主变电所、牵引供电系统、变配电系统组成。外部电源来自城市电网，外部电源涉及的内容包括外部电源方案形式、外部电源方案比选、外部电源设计原则等。

2.2 外部电源方案的形式

地铁作为城市电网的特殊用户，一条线其用电范围多在10～40km，呈线状分布。究竟采用哪种供电方式，主要取决于城市电网的构成、分布及电源的容量。城市电网对地铁的供电方式可采用集中式、分散式、混合式三种。

2.2.1 集中式供电

集中式供电是指由专门设置主变电所集中为牵引变电所及降压变电所供电的外部电源方式。根据地铁线路的长短和用电容量大小，建设一座或几座地铁专用主变电所，每个主变电所有两路独立的进线电源。在有牵引变电所的车站，可以把牵引变电所和降压变电所建成牵引—降压混合变电所

集中式供电方案的主要特点如下：

(1)在城市轨道交通沿线，建设主变电所，集中为牵引变电所及降压变电所供电。

(2)地铁供电系统从城市电网引入高压电源，与城市电网接口比较少，每座主变电

所只从城市电网引入两路独立的进线电源，外部电源电压等级一般为110kV。

(3)地铁供电系统相对独立，自成系统，便于运营管理。

2.2.2 分散式供电

分散式供电是指由就近分散引入的城市中压电源直接

(或通过电源开闭所间接)为牵引变电所及降压变电所供电的外部供电形式。分散式供电一般从城市电网引入10kV中压电源，这就要求地铁沿线有足够的电源引入点及备用容量。从沿线就近引来的城网中压电源，经电源开闭所母线向牵引变电所和降压变电所提供中压电源。一般情况下，两个电源开闭所之间需要建立电源联系，即两个电源开闭所之间的供电分区通过双环网电缆进行联络。

分散式供电方案的主要特点如下：

(1)在城市轨道交通沿线，直接从城网分散地引入多路中压电源作为地铁电源。

(2)地铁供电系统从城网引入中压电源，与城网接口较多，平均每4到5个车站就要引入两路电源。

(3)地铁供电系统与城网关系紧密，独立性差，运营管理相对复杂。

2.2.3 混合式供电

混合式供电方案，多指以集中式供电为主以分散式供电为辅的供电方式，混合式供电方案介于集中式与分散式供电之间的一种结合方案，根据城市电网现状、规划以及城市地铁交通自身需要，吸收了集中式外部电源方案与分散式外部电源方案的各自优点，系统方案灵活、使供电系统完善可靠。

2.3 地铁供电方式选择与分析

(1)供电质量

集中式供电的外部电源引自城市高压电网，电压等级高，输电容量大，系统短路容量大，抗干扰能力强，电网电压波动小；另外，地铁主变电所一般装有载自动调压变压器，因此中压侧电压相对稳定，供电质量高。

(2)供电可靠性

对于集中式供电，由于主变电所进线电压等级高，电气设备的绝缘等级、制造水平、继电保护配置等要求都比较高，线路故障率相对较低；同时，城市供电系统相对独立，与城市电网接口少，城市其他负荷对地铁供电系统干扰少。

(3)中压网络电压

对于集中式供电，中压网络的电压等级，不受城市电网电压等级的限制，可根据用电负荷的供电距离等情

况比选确定。目前集中式供电的中压网络电压等级高，一般为35KV。这样可以提高系统的供电能力与供电可靠性，同时可以降低线路功率损耗。

(4)对城市电网影响

地铁供电系统对城市电网的影响主要表现在谐波影响和网压波动两个方面。

目前牵引整流机组一般采用双机组等效24脉波整流装置。牵引整流机组的脉波数越高，产生的低次谐波就越少。采用集中式供电方式时，高次谐波经过多级变电所变换、分流以后，注入城市电网的谐波含量少。在网压波动方面，采用集中式供电方案，牵引负荷产生的电压波动和闪变在地铁供电系统内部经过两级变压器转换，逐渐变的平衡，对城市电网其他用户的影响很小。

(5)工程实施

采用集中式供电，地铁主变电所与城市电网接口较少，外部电源引入路径相对较少，建设单位与城市协调工作相对较少，易于实施。

第3章主变电所

3.1 概述

对于集中式供电系统，应建设地铁专用主变电所。本部分涉及内容较多，主要有主变电所选址、电气主接线、主变压器选择、主变压器中性点接地等。地铁主变电所功能是接受城市电网高压电源，经降压后为牵引变电所、降压变电所提供中压电源。

主变电所电气主接线，可以从高压侧和中压侧两个方面来描述。高压侧线路采用线路—变压器组接线形式；中压侧一般采用单母线分段形式，并设置母线分段开关。

主变电器的选择，包括主变压器的台数与容量的确定的原则、主变压器形式选择等。主变压器高压侧接地方式按城市电网运行方式确定；中压侧中性点一般经过消弧线圈接地或接地电阻接地。

3.2 主变电所选址

地铁变电所的用电负荷沿着地铁线路走向呈线状分布。这种负荷分布的特点，便要求主变电所的位置只能在地铁沿线。主变电所位置尽量靠近轨道线路，以便减少主变电所至地铁线路的电缆通道距离。一般地，主变电所位置离地铁线路的距离控制在几百米范围以内。

主变电所位置的选择，应按下述原则确定：

(1)靠近负荷中心，邻近城市轨道交通线路布置；

(2)满足中压网络电缆压降要求；

(3)各主变电所的负荷平衡，并使其两侧的供电距离基本相等；

(4)靠近地铁站，以缩短电缆通道的距离，减少和城市地下管网的交叉和干扰，具

体位置应与城市供电部门和规划部门共同商讨；

(5)应考虑路网规划和其他地铁线路资源共享，并预留电缆通道和容量；

(6)便于电缆线路引入、引出，便于设备运输；

(7)具有适宜的地质、地形和地貌条件；

(8)考虑主变电所与周围环境、邻近设施的相互影响。

3.3 电气主接线

3.3.1 线路-变压器组接线

(1)主变电所两路高压电源110kV主接线采用线路-变压器组、两断路器的形式。如图3-1所示。

(2)正常运行下，两路线路各带一台主变压器，接线简单、高压设备少、投资省、

继电保护简单。

(3)故障状态下，恢复供电操作简单方便，当一台主变或一条线路故障退出运行时，只需在主变中压侧做转移负载操作，由另一路进线电源的主变电所承担本主变电所范围内的全部一、二级用电负荷，对相邻主变电所无影响。

3.3.2 中压侧主接线形式

主接线中压侧一般采用单母线分段形式，并设置母线分段开关。如图3-2所示。

正常情况下，两段母线分裂运行；牵引变电所和降压变电所可以从不同母线段取得中压电源；当主变电所一段中压母线失压时，另一端中压母线可以迅速恢复对牵引变电所和降压变电所供电。

当一路高压进线失电压或一台主变退出后，通过中压母线分段开关迅速合闸，由

另一台主变压器承担本主变电所范围内的全部一、二级用电负荷。

当一段中压母线故障时，该段母线上的进线开关分闸，同时该段母线上馈线所接的一级牵引或降压变电所进线开关也应失压跳闸，根据中压供电网络运行方式，由主变电所的另一段中压母线继续供电。

3.4 主变压器选择

主变压器的选择，包括主变压器的台数与容量的确定原则、主变压器选型以及中性点接地方式等。

3.4.1 主变压器台数的确定原则

主变压器台数应结合供电网络规划、中压网络形式、系统运行方式、主变电所容量备用要求等因素综合分析确定。地铁3号线设置两台主变压器。

3.4.2 主变压器容量的确定原则

主变压器容量应满足“N-1准则”，即供电系统中有任意一个设备发生故障时，供电系统应能维持列车继续运行。

主变正常运行时，两台主变压器共同承担本所供电范围内的用电负荷。当一台主变压器退出运行时，另一台主变压器应能承担本供电范围内的一、二级用电负荷，保证列车正常运行，主变压器容量的选择应满足该运行要求。

3.4.3 主变压器形式的选择

当不受运输条件限制时，在330kV及以下的发电厂或变电所，均应选用三相变压器。地铁主变电所高压侧电压为110kV，因而选择三相变压器。

地铁主变采用110/35kV两线圈Y/Δ接线变压器，有载调压开关装在高压侧。

3.5 主变压器中性点接地方式

主变压器中性点接地方式是一个综合问题。它与电压等级、单相接地短路电流、

过电压水平、保护配置等有关，直接影响供电系统的可靠性和连续性、主变压器的运行安全以及对通信线路的干扰等。

3.5.1 中性点接地方式的原则

单相接地故障时对连续性供电的影响最小，用电设备能够继续运行较长时间。

单相接地故障时，非接地相的过电压倍数较低，不至于破坏用电系统的绝缘水平，发展为相间短路。

发生单相接地故障时，能将故障电流对电动机、电缆等的危害限制到最低限度，同时有利于实现灵敏而有选择性的接地保护。

3.5.2 主变压器中性点接地方式

(1)主变电所110kV侧中性点接地方式

我国110kV及以上电力系统为中性点直接接地系统。但在实际运行中，主变压器高压侧中性点是否直接接地，则根据地区电网具体情况确定。有时一个主变电所的两台主变压器，其高压侧一台接地而另一台不接地。

(2)主变电所35kV侧中性点接地方式

当接地电容电流大于10A(20kV～63kV电网)时，中性点应经过消弧线圈接地或小电阻接地。

(3)中性点设备选择

主变压器大部分采用Y/Δ接线。当主变电所无中性点或中性点未引出时，应装设专用接地变压器。选择接地变压器容量时，可考虑主变的短时过负荷能力。接地变压器的特性要求是：零序阻抗低、空载阻抗高、损失小。

第4章中压网络

4.1 概述

中压网络不是供电系统中独立的子系统，但是它却是供电系统设计的核心内容。它的设计牵扯到外部电源方案、主变电所的位置及数量、牵引变电所及降压变电所的位置与数量、牵引变电所与降压变电所的主接线等。

中压供电网络是通过中压电缆，纵向把上级主变电所和下级牵引变电所、降压变电所连接起来，横向把全线的各个牵引变电所、降压变电所连接起来，形成了中压网络。根据网络功能的不同，把为牵引变电所供电的中压网络，称为牵引网络；同样，把为降压变电所供电的中压网络称为动力照明网络。中压网络有两大属性：一是电压等级，二是构成形式。

4.2 中压网络电压等级

4.2.1 电源等级的概念

地铁主变电所属一级负荷，需要引入双路110kV高压电源对地铁供电系统供电，既然属于一级负荷，应该按照国家统一标准对一级负荷的要求进行设计。一级负荷的供电电源应符合下列规定：

(1)一级负荷应有两个电源供电，当一个电源发生故障时，另一个电源不应该同时受到损坏。

(2)一级负荷中特别重要的负荷，除了由两个电源供电外，尚应增设应急电源，并严禁将其他负荷接入应急系统。

4.2.2 不同电压等级的中压网络特点

中压供电网络电压等级与外电源供电方式的确定，与城市电网的分布与容量紧密相关，国内一般采用的中压供电网络为10kV、35kV两个电压等级。不同电压等级的中压网络的特点如下：

(1)35kV中压网络，国家标准电压级。输电容量较大、距离较长；设备来源国内；设备体积较大，占用变电所面积较大；设备价格适中；国内没有环网开关，因而不能用(相对于断路器柜)价格较便宜的环网开关，构成接线与保护简单、操作灵活的环网系统。

(2)33kV中压网络，国际标准电压级。输电容量较大、距离较长，基本与35kV一致；设备来源国外，不利于国产化；国外开关设备体积较小、价格较高。

(3)20kV中压网络，国际标准电压级。输电容量及距离适中，比10kV系统大。设备完全实现国产化；引进MG、ALSTHOM等技术的开关设备，体积较小，占用变电所面积远小于国产35kV设备，有利减小车站体量，节省土建投资；价格适中；有环网单元，能构成接线与保护简单、操作灵活的环网系统。

(4)10kV中压网络，国家标准电压级。输电容量较小、距离较短；设备来源国内；设备体积适中；设备价格较低；环网开关技术成熟、运营经验丰厚，可用其构成保护简单、操作灵活的环网系统。

4.2.3 地铁中压供电网络电压等级选择

地铁3号线采用35kV牵引动力照明混合网络，它采用同一电压等级，并通过公用电源电缆同时向牵引变电所、降压变电所提供中压电能，供电系统的整体性比较好。而且地铁3号线途径繁华地段，客运量大，要求供电的可靠性高，更宜采用35kV电压等级。

4.3 中压网络的构成

4.3.1 概述城市电网中压网络常用的典型接线有：单电源辐射网、“手拉手”环网、电缆单环网、电缆双环网等。而地铁3号线则采用电缆双环网接线形式。

中压网络的重要指标是供电可靠性，具体要求如下：

中压网络负荷转移能力必须满足N-1安全准则；

主变电所失去任何一路进线或一台主变退出运行而降低供电能力时，中压网络应具有转移一、二级负荷的能力；

主变电所的中压一段母线因故障退出时，中压网络应具有转移一、二级负荷的能力。

4.3.2 中压网络的构成原则

中压网络的构成形式涉及很多方面，在电压等级确定的前提下，应遵循以下原则：

(1)环网供电，调度方便，误操作机会为零满足安全可靠的供电要求；

(2)满足潮流计算要求，即设备容量及电压降要满足要求；

(3)接线简单，负荷平衡，满足继电保护的要求；

(4)满足运行管理、倒闸操作的要求；

(5)每一个牵引变电所、降压变电所均应有两路电源；

(6)供电分区应就近引入电源，必要时可从负荷中心引入电源，尽量避免返送电；

(7)全线牵引变电所、降压变电所的主接线尽量一致；

(8)满足设备选型要求。

4.3.3地铁中压网络构成形式

地铁3号线的牵引网络与动力照明系统采用同一电压等级，即牵引动力照明混合网络。其基本接线如图4—1所示。

将全线的牵引变电所及降压变电所分成若干个供电分区，根据负荷要求、电压等级及节能的需要，确定每个供电分区内的牵引变电所和降压变电所的数量。每一个供电分区均从主变电所的不同母线就近引入两个中压电源，中压网络采用双环网接线方式。

牵引降压混合变电所主接线采用分段单母线加母线分段开关形式；降压变电所的主接线可采用分段单母线加母线分段开关形式，也可以取消母线分段开关。

4.4 主变电所的运行方式

主变电所的运行方式主要有三种：正常运行方式；单故障运行方式；主变电所退出运行方式。

两个主变电所之间的供电分区设置环网电缆联络。如图4-2所示。

4.4.1 正常运行方式

在正常情况下，每座主变电所各自承担所辖范围内所有变电所的负荷，除中压母线开关、应急联络开关为分段状态外，其余进、出线开关均在闭合状态。

4.4.2 单故障运行方式

主变电所单故障类型有以下三种：主变电所一个进线电源失电压；单台主变压器退出；主变电所一段中压母线故障。

(1)主变电所一个进线电源失电压

该主变电所采用线路—变压器组接线方式，当主变电所一个进线电源失电后，由另一个进线电源的主变压器承担本主变电所范围内的全部一、二级负荷。

(2)单台主变压器退出

当单台主变退出后，中压母线分段开关合闸，由另一台主变压器承担本主变电所范围内的全部一、二级用电负荷。

(3)主变电所一段中压母线故障

当一段中压母线故障时，该段母线上的进线开关分闸，同时该段母线上馈线所接的第一级变电所进线开关也应失压跳闸；通过倒闸操作，由主变电所的另一段中压母线继续供电。

4.4.3 主变电所退出时运行方式

当一座主变电所退出后，首先应将该主变电所所有馈出开关分闸，将该主变电所和中压网络电气隔离，使该主变电所处于无电状态；解除QF1、QF2应急联络开关的闭锁关系并合闸，通过两个主变电所之间的供电分区间的联络电缆，由相邻主变电所向该主变电所供电，承担该主变电所所辖范围内一定的用电负荷。

第5章牵引供电系统

5.1 概述

本部分分为牵引变电所设置和主接线两个部分。从牵引变电所选址入手，对牵引变电所的设置、牵引变电所的中压主接线和直流主接线的形式及其运行方式进行分析。

牵引变电所引入两路独立的中压交流电源，并将交流电能转换为直流电能，承担着向电动列车提供直流牵引电能的功能。

地铁3号线牵引变电所与车站降压变电所合建，构成牵引降压混合变电所。牵引变电所中压主接线采用单母线分段方式，两套整流机组接于同一段母线上，保证两套牵引整流机组出力平衡和构成24脉波整流；牵引变电所直流主接线采用单母线系统。

牵引变电所通过直流断路器分别向上下行接触网供电，以保证列

车安全可靠地运行。根据运行需要，牵引变电所可以双机组运行或单机组运行，对牵引网实行双边供电或大双边供电。牵引供电系统中，一座或几座牵引变电所退出运行，不应影响地铁的运输能力，其前提是退出运行的牵引变电所必须是“相隔两座”。

5.2 牵引变电所选址原则

牵引变电所是牵引供电系统的核心，起到为电动列车供应直流电能的作用。牵引变电所位置的选择，应遵循以下原则进行：

(1)对于地下线路，如果地面有地方，牵引变电所设于地面比较合适，以便于运营

维护。在线路通过人口稠密、商业繁华的地区时，线路需从地下通过，此时牵引变电所宜建在地下。(2)地下车站设置牵引变电所时，一般位于车站站台端，或建于车站一侧端头井以里；地面车站设置牵引变电所时，宜与地面站务用房合建。

(3)牵引变电所的设置应首先考虑有列车检修线的车站一端，检修线应由专用回路

供电，列车夜间检修时，不影响线路的正常停电维修。

(4)地下车站牵引变电所应和车站主排水站分别设于车站的两端，以免牵引变电所的地下通道渗水。地铁

3号线牵引变电所一般设置在地下车站站台端，按照负荷计算结果确定各个车站具体地址。

5.3 牵引变电所主接线

牵引变电所主接线由交流中压开关设备、牵引整流机组、直流开关设备等几部分组成。主接线应满足可靠性、灵活性的基本要求。主接线的可靠性包括一次部分和二次部分综合的可靠性，需采用可靠性高的电气设备简化接线。具体要求为：开关故障时，不影响对牵引负荷的供电；母线故障或检修时，很短时间内恢复送电。

主接线应满足调度、检修灵活性要求。在故障运行方式、检修运行方式下，调度时可以灵活的投入和退出，检修时可方便停运开关及其继电保护设备，不影响系统运行。

5.3.1 中压主接线

(1)中压主接线形式

牵引变电所中压主接线两套牵引整流机组接同一段母线，设分段开关。这样的接法有利于平衡两套整流机组的输出负荷，同时也有利于构成等效24脉波整流，有利于谐波治理。当一套牵引整流机组故障退出后，另一套牵引整流机组在过负荷允许的情况下，可以继续维持运行。其接线图如图5-1所示。

(2)中压主接线运行方式

分段单母线接线有以下几种运行方式：

①正常运行方式

正常运行时，两个独立的进线电源同时供电，两段母线并列运行。

②进线电源失压运行方式

一个进线电源失压退出后，分段开关自动投入运行，由另一个进线电源向本变电所的两段母线供电。

③母线故障运行方式

当一段母线退出后，闭锁分段开关自投功能，分段开关不投入运行，另一段母线继续运行。此时，若牵引整流机组在该段母线上，则该段牵引变电所的整个牵引直流系统退出运行，直流牵引供电系统只能通过直流系统内部的控制操作，相邻牵引变电所实施大双边供电。

5.3.2 直流侧主接线

(1)直流侧主接线形式

直流侧主接线采用单母线系统，两路进线采用直流断路器，设置四路直流馈出线。牵引整流机组的负极采用电动隔离开关，为实现自动化、远动调度操作提供条件。同一馈电分区电分段处上行和下行之间设有纵向隔离开关。如图5-2所示。

该接线系统无论是在牵引整流机组、直流进线、直流母线、母线馈线开关故障或检修退出时，均能实现不影响直流牵引供电系统运行的要求，系统运行的可靠性很高，造价低。

(2)直流侧主接线运行方式

单母线系统直流侧主接线运行方式主要体现在备用母线、上下行纵向隔离开关的设

置上，其主要运行方式如下：

①正常运行方式

牵引变压器采用双机组等效24脉波整流方式，双机组并列运行。直流进线开关、馈线开关及上网电动隔离开关均闭合，纵向电动隔离开关处于断开状态。该牵引变电所与相邻牵引变电所对同一供电分区维持正常的双边供电。

②单套牵引整流机组退出运行时运行方式

牵引整流机组交流进线开关QF1(QF2)因牵引整流机组U1(U2)故障而跳闸时，进线直流断路器QF3(QF4)

则被联动跳闸；另一套整流机组U2(U1)在其过负荷能力允许的情况下承担全部牵引负荷，该牵引变电所与相邻牵引变电所对同一供电分区维持正常的双边供电。

③两套整流机组退出时运行方式

两套整流机组U1、U2退出运行时运行方式与单套牵引整流机组退出时允许方式相同。控制中心对上传的保护信号等信息进行判别，若非直流母线短路或框架保护动作时，则遥控闭合直流馈线开关QF5、QF6、QF7、QF8。相邻牵引变电所通过本站直流母线和馈线开关构成大双边供电，倒闸期间，不中断列车的正常运行。

④直流母线退出时运行方式

开关柜直流母线发生故障时，进线的直流断路器则被框架保护联动跳闸，同时框架保护联跳全部馈线开关；如进线为电动隔离开关，框架保护联跳全部馈线开关和两套牵引整流机组交流进线开关。控制中心遥控上网电动隔离开关。在满足纵向电动隔离开关合闸的条件下，如纵向电动隔离开关连接两端的牵引网电压无压时，可遥控纵向隔离开关QS1、QS2,相邻牵引变电所可通过本牵引变电所纵向隔离开关构成大双边供电。

5.4 牵引供电系统保护

5.4.1 概述

地铁牵引供电系统可分为两个部分：交流中压系统和直流牵引系统。交流中压系统的保护主要有35kV进、出线保护和母联开关处的保护等。直流牵引供电系统的保护可分为牵引整流机组保护和直流馈出保护。牵引供电系统保护的最大特点就是系统的“多电源”和保护的“多死区”。针对这两点，牵引供电系统除交流系统常用的保护外，还采用了牵引变电所内部联跳、牵引网双边联跳、di/dtΔI等特殊保护措施，这就可以完全满足牵引供电系统发生故障时及时切断电源、消除死区的要求。

5.4.2 交流中压系统保护

(1)AC35kV进、出线处设有线路差动保护、过电流保护、零序电流保护 35kV进、出线处可能出现的故障有单相接地短路和相间短路，由电流互感器检测线路上的电流，当出现单相接地短路时，零序电流互感器上检测出线路上出现零序电流，当该电流大于下一线路出口处相间短路时所出现的最大不平衡电流，则会启动零序过电流保护使断路器跳闸；当线路出现相间短路时，线路差动保护作为主保护，而当线路差动保护拒动时，由过电流保护作为后备保护启动断路器跳闸，以切除故障。

5.4.3 直流牵引系统保护

(1)牵引变电所联跳

直流牵引系统当牵引变电所两台整流机组的直流(或交流)进线开关故障跳闸时，同时联跳四路直流馈出开关，称之为变电所联跳。

牵引变电所联跳保护适用于以下两种情况：

牵引变电所的两套整流机组开关同时因故障跳闸；

牵引变电所任何一路直流馈出开关失灵拒动。

牵引变电所联跳是解决牵引供电系统无远后备保护的唯一可靠的方法。

设置牵引变电所联跳的根本原因就是因为牵引变电所的直流断路器失灵拒动时，没有远后备保护，因为地铁牵引供电系统短路的特点就是多电源、多回路、多参数。牵引变电所6台直流开关中任一台失灵拒动，只跳其上级断路器是不能切断电源的，还有五路开关向短路点供电。因此，解决牵引变电所直流断路器的远后备保护，只

有实现牵引变电所联跳。

(2)直流馈出保护

直流馈出保护，在牵引供电系统中是最重要的保护。因供电方式不同而形成保护上的不同的死区；因供电的对象是随时变化并移动的负荷，还需要在保护上进行配合，这就形成了保护上特殊要求。直流馈出保护首先是保障列车的正常运行、保护旅客的人身安全为第一要素。

①大电流短路速动保护

这是直流快速开关自身的大电流整定，主要是作为直流短路保护。

②双边联跳保护

双边供电时向同一供电分区的相邻变电所的两路馈线开关，当一

路开关事故跳闸后，强迫另一路开关跳闸，双边联跳是解决死区保护的重要措施之一。

第6章供配电系统

6.1 概述

地铁供配电系统和牵引供电系统同样是地铁供电系统的重要组成部分。降压变电所将中压电能转换到低压电能，向车站、区间、车辆段、控制中心所有低压用电负荷提供电能，使地铁安全运营得到可靠地保障。供配电系统中压电源侧和牵引供电系统中压交流侧电压一致，采用混合网络，地铁3号线采用35kV电压级，分段单母线中压接线形式。两台配电变压器分别接在不同母线上，分裂运行。降压变电所电源应有两个独立的

引入电源。主接线的确定和动力照明配电系统、降压变电所本身运行的可靠性、灵活性、经济性密切相关。供配电系统的低压侧则完全和地面工程相同，采用三相五线制TN-S系统。变压器中性点直接接地，中性线和接地线分开，即三根相线、一根中性线、一根接地线。

6.2 降压变电所选址原则地铁每个车站都应设降压变电所，因为它是保证旅客运行中有良好秩序和良好环境的动力供应中心，降压变电所的位置应靠近负荷中心，尽量靠近大负荷空调设施的冷水机组，以缩短电缆长度和减小电缆截面积，降低能耗。

对于地下车站的岛式站台，降压变电所一般设于站台一侧，对于大型车站，因负荷增加，也可在站台两端均设降压变电所，一端为主所，另一端为辅助变电所。各负责半个车站和相邻半个区间的供电。对于侧式站台的地下车站，也可以设在车站中部。降压变电所在有牵引变电所的车站一般与牵引变电所合建成混合变电所。

6.3降压变电所主接线

双电源是地铁供电的原则，降压变电所应有两路中压电源，两路电源可以来自相邻车站的牵引变电所或降压变电所，降压变电所主接线由交流中压开关设备、降压变压器、交流低压开关设备等几部分组成。

主接线的可靠性包括一次部分和相应二次部分综合的可靠性，其很大程度取决于设备的可靠性，采用可靠性高的电气设备可以简化接线。当开关故障或检修、或单段母线故障或检修时，不应影响一、二级负荷供电持续性。

主接线在满足可靠性、先进性、灵活性要求的前提下，做到经济合理。

6.3.1 中压主接线

这里降压变电所中压主接线采用单母线分段，设分段开关。单台配电变压器正常负载率宜在70%左右，并应满足本降压变电所一、二级低压负荷的用电要求。

(1)中压主接线形式

降压变电所中压电源侧为分段母线，设母线分段开关，母线分段开关可手动和远动操作。降压变电所在两段母线上各设一台降压变压器，其接线组别采用D，Yn11。如图6-1所示。

(2)中压主接线运行方式

正常运行时，两个独立的进线电源同时供电，两台变压器分裂运行，负载率应尽量接近。

故障运行时，主要有以下几种：

①一个进线电源QF1(QF2)失压退出运行后方式一:

根据低压负荷情况，自动或手动切除三级负荷，另一台配电变压器TM2(TM1)承担本降压变电所全部一、二级负荷的正常用电。

②一个进线电源QF1(QF2)失压退出运行后方式二：

分段开关QF5自动投入运行，由另一个进线电源QF2(QF1)向本降压变电所的两段母线供电。

③两个进线电源

QF1、QF2失压退出后，通过调度令倒闸操作，由相邻变电所反向

提供中压电源

QF3

、

QF4

。采用这种方式时，倒闸操作需要一定的时间。期间，本降压变

电所暂时退出，对线路运营有短时的影响。

④当一段母线退出后，闭锁分段开关

QF5

自投功能，分段开关不投入运行，另一段

母线继续运行。根据低压负荷使用情况，自动或手动切除三级负荷，另一段母线上的配

电变压器承担本降压变电所全部一、二级负荷的正常用电。

⑤当一台降压变压器

TM1(TM2)

退出后，

根据低压负荷情况，

自动或手动切除三级负

荷，另一台降压变压器

TM2(TM1)

承担本降压变电所全部一、二级负荷的正常用电。

6.3.2 低压主接线

(1)负荷分类及配电原则

①一级负荷

变电所操作电源，通信设备自动售检票系统设备，屏蔽门、安全门设备，火灾自动报警设备，消防系统设备，监控系统设备，防护门，电动阀门，消防泵，地下车站公共区一般照明，应急照明，用于疏散旅客的自动扶梯等。站厅及站台照明由降压变电所两端低压母线分别供电，各带约50%的照明负荷。其他一级负荷应由双电源双回路供电，当一个电源发生故障时，另一路电源不应同时受到破坏。一级负荷中特别重要的负荷应设置不间断电源装置。

②二级负荷

与消防无关的风机，污水泵，设备管理用房照明，不用于疏散旅客的自动扶梯等。二级负荷宜双回路供电。对电梯及其他距变电所不超过半个站台有效长度的负荷，可采用双电源单回路专线供电。

③三级负荷

空调制冷系统设备，广告照明，电热设备，锅炉设备等。三级负荷可为单电源单回线路供电，当系统中只有一个电源工作时允许自动切除该负荷。

(2)低压主接线形式

0.4kV配电系统直接面向车站、区间的低压用户，从用电设备负荷分类来讲，一、二级负荷占绝大多数，对低压电源的可靠性要求高。降压变电所低压侧主接线为单母线分段，设分段开关，失电压自投、过电流闭锁、来电自复。两端低压母线上的负荷应尽量均衡匹配，以与配电变压器安装容量相匹配。降压变电所低压侧采用集中补偿，0.4kV低压母线设电力电容器组，以控制功率因数正常范围内。如图6-2所示。(3)低压主接线运行方式

正常运行时，两个独立的低压电源同时供电，两段母线分裂运行。当一个低压进线电源失压时，进线开关与母线分段开关可以采用“自投自复、自动手复、手动手复”等投入方式。即当一个低压进线电源失压延时跳闸时，母线分段开关自动或手动投入，另一个低压进线电源向两段母线供电。该低压进线电源来电时，母线分段开关自动或手动分闸，该低压进线开关自动或手动合闸，恢复正常运行方式。

第7章地铁供电系统容量计算

7.1 概述

地铁供电计算在地铁供电系统占有很重要的地位，其主要包括

牵引变压器供电计算，降压变压器容量计算，以及主变压器容量计算。这里用到了单位指标法对牵引供电进行计算，并对牵引变电所的分布、数量及容量的选择进行了介绍。而降压变压器的容量计算，是按需要系数法进行负荷计算，期间要考虑需要系数和同时系数的取值。最后再进行主变电所的容量计算，主变电所容量计算直接与牵引负荷、动力照明负荷有关。

7.2 地铁供电容量计算的前提

计算地铁用电，就以目前城市轨道交通的通用设计条件为准。

(1)采用集中式供电，建有地铁专用的主变电所；

(2)地下线路，车站设空调，车流密度为30对/h；

(3)采用B型车，车辆编组为6节，车内设空调。

7.3 牵引变电所容量计算

牵引供电计算关系到供电系统及牵引供电方式的构成、牵引变电所的分布、数量、容量及单位安装容量的选择。

7.3.1 牵引负荷特点

牵引负荷主要有以下3个特点：运行中的列车，有起动、取流、惰行和制动4种工况，因而列车的取流是随时变化

的，同时也是间断的，其取流时间只有运行时间的1/3或更低。列车运行不是随意的，而是有着严格的规律性。一天的运行时间里，在不同的时刻其车流密度也是不同的。如在高峰小时为30对/h，而在其他时间里是20对/h或10对/h，这决定了牵引负荷在一天的运行时间里也是随时在变化的。在选择牵引变压器时，

都是以高峰小时的计算负荷为依据，即以30对/h为设计依据，这决定了牵引变电所在高峰小时以外的时间必定为轻负荷。

7.3.2 评估牵引供电系统的指标

(1)牵引变电所平均间距

(2)牵引变压器单位安装容量

(3)牵引变电所单位安装指标

第8章杂散电流与接地

8.1 概述

杂散电流即通过工作接地极或其他途径无规律地流向大地或接地金属件的电流。本章主要对杂散电流的产生、杂散电流的危害加以分别论述，最后给出杂散电流的防护措施；对于地铁接地问题，虽有其特殊性，但更有其普遍性。这里地铁的地下变电所采用一种新的接地方案，即利用地下结构钢筋构成的等电位法拉第笼作为地铁电气设备的自然接地体，无需另打外引接地极。

8.2 杂散电流

8.2.1 杂散电流的产生

杂散电流即走行轨中泄漏、不经过正常回路的电流，是指直流牵引供电系统中，以走行轨作负极回流导体的供电网络，在列车实际运行中，有少量泄漏电流不沿回流钢轨回到牵引变电所的负极，而是从轨道泄漏到地中，再沿着大地回到牵引变电所或根本不回到牵引变电所，流向大地的低电位处，从而形成杂散电流。

杂散电流的大小由两个条件决定：一是走行轨对地电位；二是走行轨对地过渡电

阻，显然，走行轨对地电位越高，杂散电流越大，过渡电阻越高，杂散电流越小。

8.2.2 杂散电流的危害

地铁中的杂散电流是一种有害的电流，会对地铁中的电气设备、设施的正常运行造成不同程度的影响，

还会对隧道、道床的结构钢和附近的金属管线造成不同程度的危害。杂散电流的主要危害有以下几个方面：

(1)引起地铁附近建筑物结构钢筋、金属管线腐蚀。

地铁附近的地下金属体埋于地下，周围有电解质存在，当这些金属体中流过杂散电流时，这些金属体所承受的渗透压与溶解压的平衡状态就会被打破，就要发生电化学腐蚀，损坏地铁附近的各种结构钢筋和地下金属管线，破坏结构钢的强度，降低其使用寿命。

(2)使某些地铁设备无法正常工作。

杂散电流若流入电气接地装置，将引起过高的接

地电位，使某些设备无法正常工作，甚至会危及人身安全。

(3)给地铁的安全运营带来不利影响。

若走行轨局部或整体对地的绝缘变差，则对大地的泄漏电流增大，地下杂散电流增大，会使钢轨电位发生变化，进而引起钢轨与框架之间的电位差发生变化。当钢轨与框架的电位差达到框架保护整定一段值时，可引起电压型框架保护报警；当钢轨与框架电位差达到或超过框架保护整定二段值时，根据比较情况，启

动某一段延时后，如果电压信号一直达到或超过框架保护整定二段值时，就有可能引起牵引变电所的框架保护动作。无论是框架保护报警还是框架保护动作，都将给地铁牵引供电的安全带来不利影响，将直接威胁地铁的正常的运营。

(4)危及地铁乘客的安全。

地铁钢轨除了作为牵引回流的通路与牵引变电所的负极相连外，还起屏蔽门框架保护作用而与屏蔽门相连。若走行轨某处或局部与大地间的绝缘比其他地方低，则该处的轨电位就会较低，而其他地方的轨电位会被抬高，造成部分地方的轨电位异常，甚至超过正常允许值。虽然在变电所内安装有轨电位限制装置，当走行轨的电位达到其整定值时，轨电位装置会强行将走行轨接地，以限制轨电位继续升高，但是这样的电位仍然会对乘客的安全构成威胁。

8.2.3 杂散电流的保护

杂散电流的防护应采取“以防为主，以排为辅，防排结合，加强监测”的原则。以防为主，就是隔离和控制所有可能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，可以采取提高走行轨绝缘电阻值的方法；以排为辅，就是通过杂散电流的收集及排流系统，提供杂散电流返回至牵引变电所负母线的通路，防止其继续向本系统外泄漏，以减少腐蚀，可以设置合理的杂散电流收集网；加强监测，就是要有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。

8.3 地铁接地系统

地下变电所接地装置利用结构钢筋作为自然接地体，因地下车站结构钢筋按杂散电流防护的要求，其横向主筋和纵向辅筋进行焊接，形成一个50003m等电位法拉第笼，这个等电位法拉第笼深埋于地面10m以下，这就是地铁的地，是地铁这个电磁环境中一切电气设备的地，其接地电阻小于5.0，无需另设接地装置。至于外引接地极的地，实际上在综合接地母排处已与地下结构钢筋混为一体，它对接地电阻的大小已无任何实际意义，而对杂散电流的外泄倒起到推波助澜的作用。而地上变电所单独设接地装置，其接地电阻小于5.0，是所有电气设备的综合接地装置，设综合接地母排。