城市軌道交通供電系統(tǒng)的組成與各部分功能

1、城市軌道交通供電系統(tǒng)的組成與各部分功能,,一、城市軌道交通供電系統(tǒng)的供電范圍,機車牽引供電運營設施的其它設備供電照明、通風、空調、自動扶梯、給水排水、自動控制系統(tǒng)、通訊、信號、防災報警。輔助性用電廣告用電、商鋪用電,二、城市軌道交通供電系統(tǒng)的組成形式,城市軌道交通供電電源一般取自城市電網，通過城市一次電力系統(tǒng)和城市軌道交通供電系統(tǒng)實現輸送或變換，然后以適當的電壓等級供給城市軌道交通各類用電設備。城市軌道交通供電系統(tǒng)一般包括外

2、部電源、主變電站、牽引供電系統(tǒng)、動力照明供電系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)。牽引供電系統(tǒng)包括牽引變電所、牽引網。動力照明供電系統(tǒng)包括降壓變電所、動力照明配電系統(tǒng)。,三、城市軌道交通供電的負荷分類,城市軌道交通系統(tǒng)是一個重要的用電負荷，按規(guī)定定為一類負荷，即由兩路電源供電，當一路電源發(fā)生故障中斷供電時，另一路應能保證軌道交通重要負荷的全部用電需求。城市軌道交通系統(tǒng)中牽引用電負荷為一級負荷動力照明負荷根據其負荷性質分為三級：即一級、二級和三

3、級負荷,四、城市軌道交通供電系統(tǒng)的方式,城市軌道交通供電系統(tǒng)的方式有如下三種：集中供電方式：設立獨立的（110KV）主變電站，經降壓并在沿線牽引變電所、降壓變電所進線形成35KV或10KV中壓環(huán)網，此后由環(huán)網沿線的牽引變電所經降壓整流為直流電（1500V或750V）對列車供電。各車站的機電設備則由各站降壓變電所將35KV或10KV電壓降為380/220V對動力、照明等供電.目前多數城市采用集中供電方式。,2. 分散式供電方式:該

4、方式是指地鐵不設主變電站,而直接由城市電網沿線的區(qū)域變電站中的10KV(或35KV)中壓線路直接向地鐵沿線各站進行供電,并形成環(huán)網。該方式的環(huán)境必須是城市電網比較發(fā)達，在個車站附近有可靠的供電電源。其中中壓電網的電壓等級應與城市電網的電壓等級相一致。混合供電方式即是上述兩種供電方式的混合，即指一條軌道交通線路，一部分采用集中供電，另一部分采用分散供電。,五,中壓環(huán)網供電系統(tǒng),城市軌道交通中壓交流環(huán)網系統(tǒng)供電系統(tǒng)的形式: 牽引

5、供電和動力照明系統(tǒng)采取相對獨立的供電網絡,電壓等級可以相同也可以不同.(上海地鐵采取本方式供電,且動力照明供電網全線各站采取10KV電網供電,即各站都有一個10KV配電所.而牽引供電采取33KV(或35KV)電壓進行供電.即各牽引變電所都是一個35KV變電所.牽引供電和動力照明系統(tǒng)采取混合的供電網絡.目前大部分地鐵采用基本上都是這種方式供電.即牽引變電所都是混合變電所,電壓等級為35KV.輕軌的供電方式:由于輕軌是在地面上運行,動力

6、和照明負荷很少,因此目前部分城市的輕軌線路采用10KV供電,如武漢1號線和重慶2號線.,,六,變電所的運行方式,主變電站的運行110KV的進線通常為雙回路,采用內(外)橋接線,或線路變壓器組接線方式;正常運行時橋斷路器是斷開的，兩臺變壓器各自從一路110KV線路供電.33KV側是單母線分段結構.正常運行時,母聯(lián)斷路器是斷開的.也就是在正常運行時,地鐵主所相當于兩個獨立的單回路單母線在各自獨立供電運行.只是當一個回路電源出現故障,橋

7、接斷路器才投入運行,兩臺變壓器從一路進線供電；或一路出線故障，一臺變壓器退出運行時,35KV母線自動合閘，一臺主變?yōu)閮啥?5KV母線供電。,,地鐵一期主所主結線,2. 牽引降壓混合變電所的運行方式,典型的 牽引降壓混合變電所的主結線見圖35KV側和0.4KV均為單母線分段，牽引供電通常是由兩組牽引整流機組并列運行。當其中一套機組因故退出運行時，另一套機組在如下三個條件的情況下可以不退出運行：牽引機組滿足其過負荷要求；諧波含量滿足

8、要求；不影響另一套機組的檢修。在一套整流機組運行的情況下，可以降低能耗，降低軌電位，減少雜散電流的影響。但是增加諧波含量。,2. 牽引降壓混合變電所的結構,,3. 降壓變電所的運行方式,典型降壓變電所的主結線見圖35KV側為單母線分段。0.4KV除跟隨所外降壓所外，也都是單母線分段結構。每個降壓變電所均設兩臺動力變壓器，分別負責本所半個車站和半個區(qū)間的動力照明負荷的供電。正常運行時兩臺變壓器獨立運行同時供電。當任一 臺動力變壓

9、器因故障退出時，母聯(lián)斷路器自動投入，由一臺變壓器承擔全所的一、二級動力照明負荷供電。,3. 降壓變電所的結構,,,,七、直流牽引供電,直流牽引供電的構成與要求城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中 電能是從牽引變電所經饋電線、接觸網、軌道回路及回流線組成的 供電網絡稱為牽引網。牽引供電系統(tǒng)是由牽引變電所和牽引網組成。接觸網按其結構可分為架空式和接觸軌。按其懸掛方式又分為柔性接觸網和剛性接觸網。此外還有第三軌的一種稱呼，它是沿線路敷設的

10、與軌道平行的 附加軌道，專門用于給機車送電。,七、直流牽引供電,,接觸網（軌）：饋電線：回流線：從鋼軌返回牽引變電所的導線。電分段：為了便于檢修和縮小事故范圍、將接觸網分成若干段。軌道：利用走行軌作為牽引電流回流的電路,,2.牽引變電所的設計原則,正線任一個牽引變電所故障時，其相鄰牽引變電所應采取越區(qū)供電方式，擔負其該區(qū)段的全部牽引負荷。此負荷應滿足遠期高峰小時負荷。牽引變電所的數量及其在線路上的位置，應滿足在事故情況下越區(qū)

11、或單邊供電時接觸網的電壓水平。（對于1500V 直流系統(tǒng)：DC1000V~1800V)在任何運行方式下，接觸網最高電壓不得高于最高電壓，高峰小時負荷時，全線任一點的電壓不得低于最低值。,,牽引系統(tǒng)的供電方式,單邊供電：城市軌道交通接觸網在每個牽引變電所附近由電分段進行電氣隔離，分成兩個供電分區(qū)，每個供電分區(qū)稱為一個供電臂。如果列車只從所在供電臂的一個牽引變電所獲得電能，這種供電方式稱為單邊供電。雙邊供電：如果一個供電臂同時從相鄰

12、兩個牽引變電所獲得電能則稱為雙邊供電。一般設計只在車輛段內采取單邊供電，正線均采用雙邊供電方式。,,牽引雙邊供電示意圖,,牽引供電示意圖,直流供電示意圖,八、直流牽引供電的保護和自動裝置,不同的 開關柜設不同的保護類型，地鐵通常的保護配置方式如下：饋線柜：大電流脫扣保護、電流上升保護（Δi/Δt，di/dt),電流增量保護；進線柜：大電流脫扣保護，逆流保護負極柜：框架保護,,,電流上升保護（Δi/Δt，di/dt):

13、保護裝置在運行中不斷檢查運行中的電流，若電流上升率（ Δi/Δt斜率）一旦高于保護設定的電流上升率，保護立即啟動進入延時階段，若延時超過設定的延時時間，在此延時段內電流的上升率一直高于保護設定的上升率，則保護立即動作。,,,2. ΔI電流增量保護(也稱ΔI保護）當di/dt保護啟動的同時， ΔI保護也啟動并進入保護延時階段，保護單元開始計算電流增量。當電流上升率一直維持在di/dt保護整定值之上，且電流增量在ΔI保護的延時后到達或

14、超過保護定值，則保護動作。當計算電流增量的過程中允許電流上升率在相對較短的時間內回落到di/dt保護整定值之下，只要這段時間不超過di/dt返回延時整定值，則保護不返回，反之保護返回。,,3.接觸網的過負荷保護,當設備長期處于過負荷運行下，會導致直流饋出電纜，架空接觸網發(fā)熱甚至癱瘓。因此在直流系統(tǒng)需要配置反時限過負荷的保護，即電流過載倍數越大，允許持續(xù)的時限越短。在保護單元中存儲了許多不同大小的 動作曲線，對應不同的電流值有不同的

15、 跳閘延時。該曲線是一條反時限特性曲線。電流值越大，延時越短。,,4. 雙邊聯(lián)跳保護,所謂雙邊聯(lián)跳就像變壓器本體發(fā)生故障之后，高、低壓兩側斷路器同時跳閘一樣。當接觸網發(fā)生故障時，由于采用雙邊供電方式，總是可以堪稱一側為近距離故障，另一側為遠距離故障，應該是近距離故障點的變電所先跳閘之后，遠端變電所緊接著跳閘。也向光差保護一樣，先收到故障信號的一端向另一端發(fā)聯(lián)跳信號，一起跳閘。,,5.逆流保護,在直流牽引供電系統(tǒng)中，整流機組把交流電經降壓

16、整流后轉換稱所需要的 直流電。在正常運行時，電流只能從整流機組經過直流進線斷路器流向母排，不會從直流母排反向流向整流機組，否則將會導致整流機組燒壞。這點與交流供電機制不同。直流進線斷路器的逆流保護，是防止故障時電流反向流動而設置的 一種保護。,,6.框架保護,為了防止直流牽引供電設備內部絕緣降低造成人身傷危險，每個牽引變電所內都設置了一套直流系統(tǒng)框架保護裝置。該裝置包含反映直流泄露電流的過電流保護和反映接觸過電壓的 過電壓保護。而過電

17、壓保護還與車站的軌道電位限制裝置配合，作為軌道電位限制裝置的后備保護?？蚣苄孤侗Ｗo由一個電流元件和一個電壓元件組成，電壓元件可當地投入、切除，并可分別整定為報警和跳閘兩端?？蚣鼙Ｗo動作跳閘后，將閉鎖本所斷路器合閘，只有當故障消失，當地復歸框架保護后，斷路器才能合閘。,,,框架保護動作后雖然保證了 人身及設備的安全，但是將中斷4個供電接觸網得得供電，影響范圍很大。鋼軌作為牽引回流媒介時，鋼軌對大地一定存在電位差，軌電位在限制動作前框架保

18、護不要動作，以防擴大事故范圍。為了能更好說明直流設備框架保護跳閘的 原因我們先介紹一下鋼軌電位的概念。在地鐵系統(tǒng)中，鋼軌作為回流軌，鋼軌存在電阻。在車輛取流時鋼軌流過牽引電流，鋼軌與大地之間出現電位差，一般為30V至50V，電位差數值與鋼軌的絕緣水平關系不大。,,關于鋼軌絕緣水平,我國國家標準規(guī)定，新建線路鋼軌絕緣電阻不小于15歐姆/公里香港地鐵要求，新建線路鋼軌絕緣電阻不小于100歐姆/公里歐洲標準規(guī)定，新建線路鋼軌絕緣電

19、阻不小于10歐姆/公里美國標準規(guī)定，新建線路鋼軌絕緣電阻不小于40歐姆/公里既有工程中，新建線路鋼軌絕緣電阻的測量值一般不小于100歐姆/公里,,框架保護動作分析—— 正常工況,,框架保護動作分析——正極對外殼短路,,框架保護動作分析——負極對外殼短路,,框架保護動作分析－小結,在正常工況下，正極對外殼、負極對外殼、外殼對地、鋼軌對地絕緣正常，框架保護不動作外殼對地短路工況，正極對外殼、負極對外殼、鋼軌對地絕緣正常， 框架保護不動

20、作正極對外殼短路工況，框架保護動作負極對外殼短路工況，當流過框架保護元件的電流大于40A時，框架保護動作外殼對地短路工況，且鋼軌對地絕緣較差，流過框架保護元件的電流大于40A時，框架保護動作,,7.自動重合閘,自動重合閘是處理瞬時性故障的一種較好的辦法，但是對永久性故障只得靠保護來跳閘了。地鐵的重合閘使用的特點：(1).在正常操作斷路器合閘時，對線路進行多次（一般是3次）測試，通過電流和電壓的測量，計算線路殘余電阻。線路正常則

21、允許合閘，如線路存在持續(xù)性故障，則閉鎖合閘；(2).當接觸網發(fā)生故障時，斷路器分閘，啟動線路測試，并根據測試結果判斷故障性質，如屬于瞬時性故障，則重合閘啟動合閘，如屬于永久性的故障，斷路器將不進行合閘。,,九、雜散電流的形成和危害,雜散電流的形成牽引電流由牽引變電所的正極出發(fā)，經接觸網、電動機車和回流軌返回到牽引變電所的負極。由于鋼軌與道床和隧道等結構之間的絕緣不是無限大，這樣勢必造成流經牽引軌的電流不能全部經鋼軌回到牽引變電所的

22、負極，有一部分牽引電流泄露到軌道或道床的結構鋼上，然后經過結構鋼和大地流回牽引變電所的負極，這部分泄露到隧道或道床結構鋼上的電流就是雜散電流。見直流牽引雜散電流示意圖,,,,2，雜散電流的影響和危害,雜散電流會對地鐵中的 電氣設備、設施的正常運行造成不同程度的影響，以及對隧道、道床的 結構鋼筋和附近的金屬管線造成危害，這種危害主要表現在如下幾個方面：（1）地下雜散電流流入電氣接地裝置，將引起過高的接地電位，是某些設備無法正常工作

23、；（2）鋼軌會局部或整體對地的絕緣變差，則此鋼軌對大地的 泄流電流變大，地下雜散電流增大將有可能引起牽引變電所的框架保護 動作。將直接印影響到牽引的供電。（3）對沿線的金屬結構管線造成電腐蝕，長期下去將嚴重破壞地鐵附近的各種結構鋼筋和地下金屬管線，降低其使用壽命。,,3.雜散電流的防護,(1)減小軌道縱向電阻 軌道縱向電阻對軌道電壓和泄漏雜散電流有很大影響，軌道縱向電阻越小，產生的雜散電流越少。鋼軌本身具有電阻，當電流流過鋼

24、軌時在電阻上就產生電位差，因鋼軌對地絕緣電阻不可能是無窮大，故產生有電位差和產生雜散電流。所以要降低雜散電流的數量就要減小鋼軌壓降，降低鋼軌壓降的方法有如下幾點：① 增加單根走行軌的長度以減小鋼軌的電阻②鋼軌接頭之間應有暢通的電氣連接以保證低阻值的回流路徑 ③ 縮短變電所之間的距離，采用雙邊供電：從雜散電流的估算公式來看，雜散電流與供電距離的平方成正比，所以縮短供電距離是減少雜散電流數量非常有效的方法。,,(2).增加雜散電流流通

25、路徑的電阻軌地過渡電阻對雜散電流的影響最大，應采取措施使軌地過渡電阻保持在15Ω?km以上，從而使其對雜散電流的泄漏沒有太大影響。可以通過鋼軌絕緣安裝，道床與結構鋼筋間絕緣隔離等措施來提高軌地過渡電阻。,,,增加雜散電流流通路徑的電阻具體的有三點措施：（a）增加軌道對地的過渡電阻：木質軌枕、枕木的端面和道釘必須經過絕緣處理或設置專門的絕緣層，軌道和接地回路之間應具有良好的絕緣，走行鋼軌采用點支承等。（b）增加雜散電流泄

26、漏路徑電阻：軌道交通系統(tǒng)系統(tǒng)采用不接地或二極管接地策略。（c）在車輛段的檢修庫與停車庫中，每一條線路的走行軌均應使用絕緣接頭與車場線路的走行軌相隔離。,,,(3) 減小變電所之間的距離供電距離越短，軌道泄漏電流和軌道電壓越低，雜散電流越小，對結構鋼筋或金屬管線產生的腐蝕也就越小。因此，在布置牽引變電所位置時應適當考慮減小變電所距離，接觸網上采用雙邊供電，盡量不采用單邊。(4)確保牽引回流系統(tǒng)的暢通，是牽引電流流回牽引變電所

27、，從根本上減少雜散電流的產生。(5)減小機車取流電流機車取流電流對軌道電壓和泄漏雜散電流有很大影響，機車取流電流越大，產生的雜散電流越多，因此，在允許范圍內盡量減小機車取流電流。,,,(6).增加埋地金屬管線的阻值敷設在軌道交通系統(tǒng)沿線的電力、通訊及控制測量電纜，應采用防水絕緣護套的雙塑絕緣墊層；軌道交通系統(tǒng)中各種電纜，在隧洞中的電纜、水管等金屬結構應以絕緣方式敷設；所有通向隧洞外的管線，必須裝有絕緣接頭或絕緣法蘭。(

28、7).建立雜散電流收集網，收集由鋼軌泄流出來的 雜散電流，在陰極區(qū)流回牽引變電所。利用整體道床內結構鋼筋形成雜散電流收集網。,,4.排流保護措施,所謂排流法就是將金屬結構中的雜散電流人為地使之直接回流到鋼軌或變電所負極，其連接導線稱為排流線。排流法又可分為直接排流法、極性排流法、強制排流法3種.(a)直接排流法 直接排流法是將被保護金屬導體與靠近變電所附近的回流走行軌直接用導線連接，如圖3.1(a )所示。這種方法雖然簡單，

29、但只能在沒有逆向電流時才能使用。實際雜散電流的方向隨運行列車位置的移動而發(fā)生改變，因此直接排流法在工程實際中實施的機會很少。,,,,,,(b).極性排流法即在上述直流排流的連接線上加裝半導體整流器，從而只允許埋設物電流流向鋼軌，逆向不能流通。這是目前廣泛采用的防護措施之一，如圖 (b)所示。(c).強制排流法當被保護金屬的導體處于雜散電流交替干擾區(qū)時，采用直接或選擇排流法都不能將干擾電流排回走行軌時就需要采用“強制排流法”，如圖

30、(c)。所示。這種排流措施具有較強的抗交變電流腐蝕的能力，但需要額外的整流電源，因此投資和運營費用較高，而且還可能使被保護的金屬導體產生過負電位區(qū)，進而使走行軌發(fā)生電化學腐蝕。,,監(jiān)測系統(tǒng)—采集功能,系統(tǒng)通過智能傳感裝置采集現場信號，參數有：1、實時監(jiān)測鋼軌對整體道床結構鋼（主排流網）電壓；2、實時監(jiān)測鋼軌對隧道結構鋼（輔助排流網）電壓；3、實時監(jiān)測道床結構鋼的極化電位；4、實時監(jiān)測隧道結構鋼的極化電位；5、結構鋼對參比電極的

31、自然本體電位。,,,監(jiān)測系統(tǒng)結構-集中式,,監(jiān)測系統(tǒng)結構-分布式,,監(jiān)測系統(tǒng)—處理功能,1、供電區(qū)間內鋼軌對整體道床結構鋼（主排流網）電壓分布情況；2、供電區(qū)間內鋼軌對隧道結構鋼（輔助排流網）電壓分布情況；3、道床結構鋼對參比電極的電位變化情況；4、隧道結構鋼對參比電極的電位變化情況；5、每半小時結構鋼極化電壓正向偏移的平均值；6、整體道床和隧道結構鋼極化電壓最大值、鋼軌與隧道結構鋼,,主要設備之一——六氟化硫開關柜,優(yōu)點：

32、占地面積小，體積小故障率極低，可以20年免維護對環(huán)境條件要求低歐洲普及率較高,六氟化硫開關柜的主要技術參數,,主要設備之一——直流開關柜,國際上用的直流開關柜有三種電壓制式：750 V DC1500V DC2500V DC,主要設備之一——直流開關柜,國際知名品牌的直流開關柜廠家:瑞士賽雪龍 德國西門子 龐巴迪英國威本邦國內（合資）廠家：大全賽雪龍

33、 上海西門子上海成套（龐巴迪）上廣電（GE)廣州白云電氣（FKI)沈陽成套,直 流 開 關 柜 的 組 成,直流系列開關設備按結構分類，可分為兩大類： 1. 由斷路器手車組成的抽出式開關柜； 2. 由隔離開關組成的固定式開關柜。 直流開關柜主要由4大部件組成：1.斷路器（主要由意大利Microelettrica Scientifica提供）2.隔離開關（主要由法國Fer