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(shè)施的其它設(shè)備供電照明、通風(fēng)、空調(diào)、自動扶梯、給水排水、自動控制系統(tǒng)、通訊、信號、防災(zāi)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(wǎng)，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(xiàn)輸送或變換，然后以適當(dāng)?shù)碾妷旱燃壒┙o城市軌道交通各類用電設(shè)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(wǎng)。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(fù)荷分類,城市軌道交通系統(tǒng)是一個重要的用電負(fù)荷，按規(guī)定定為一類負(fù)荷，即由兩路電源供電，當(dāng)一路電源發(fā)生故障中斷供電時，另一路應(yīng)能保證軌道交通重要負(fù)荷的全部用電需求。城市軌道交通系統(tǒng)中牽引用電負(fù)荷為一級負(fù)荷動力照明負(fù)荷根據(jù)其負(fù)荷性質(zhì)分為三級：即一級、二級和三

3、級負(fù)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(shè)立獨立的（110KV）主變電站，經(jīng)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(wǎng)，此后由環(huán)網(wǎng)沿線的牽引變電所經(jīng)降壓整流為直流電（1500V或750V）對列車供電。各車站的機電設(shè)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(shù)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(shè)主變電站,而直接由城市電網(wǎng)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(wǎng)。該方式的環(huán)境必須是城市電網(wǎng)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(wǎng)的電壓等級應(yīng)與城市電網(wǎng)的電壓等級相一致?；旌瞎╇姺绞郊词巧鲜鰞煞N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(wǎng)供電系統(tǒng),城市軌道交通中壓交流環(huán)網(wǎng)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(wǎng)絡(luò),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(wǎng)全線各站采取10KV電網(wǎng)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(wǎng)絡(luò).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(fù)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(nèi)(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(cè)是單母線分段結(jié)構(gòu).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(dāng)于兩個獨立的單回路單母線在各自獨立供電運行.只是當(dāng)一個回路電源出現(xiàn)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(jié)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(jié)線見圖35KV側(cè)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(dāng)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(fù)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(jié)構(gòu),,3. 降壓變電所的運行方式,典型降壓變電所的主結(jié)線見圖35KV側(cè)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(jié)構(gòu)。每個降壓變電所均設(shè)兩臺動力變壓器，分別負(fù)責(zé)本所半個車站和半個區(qū)間的動力照明負(fù)荷的供電。正常運行時兩臺變壓器獨立運行同時供電。當(dāng)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(dān)全所的一、二級動力照明負(fù)荷供電。,3. 降壓變電所的結(jié)構(gòu),,,,七、直流牽引供電,直流牽引供電的構(gòu)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(jīng)饋電線、接觸網(wǎng)、軌道回路及回流線組成的 供電網(wǎng)絡(luò)稱為牽引網(wǎng)。牽引供電系統(tǒng)是由牽引變電所和牽引網(wǎng)組成。接觸網(wǎng)按其結(jié)構(gòu)可分為架空式和接觸軌。按其懸掛方式又分為柔性接觸網(wǎng)和剛性接觸網(wǎng)。此外還有第三軌的一種稱呼，它是沿線路敷設(shè)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(wǎng)（軌）：饋電線：回流線：從鋼軌返回牽引變電所的導(dǎo)線。電分段：為了便于檢修和縮小事故范圍、將接觸網(wǎng)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(shè)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(yīng)采取越區(qū)供電方式，擔(dān)負(fù)其該區(qū)段的全部牽引負(fù)荷。此負(fù)荷應(yīng)滿足遠(yuǎn)期高峰小時負(fù)荷。牽引變電所的數(shù)量及其在線路上的位置，應(yīng)滿足在事故情況下越區(qū)

11、或單邊供電時接觸網(wǎng)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(wǎng)最高電壓不得高于最高電壓，高峰小時負(fù)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(wǎng)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(shè)計只在車輛段內(nèi)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(guān)柜設(shè)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(fù)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(shè)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(shè)定的延時時間，在此延時段內(nèi)電流的上升率一直高于保護設(shè)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(nèi)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(wǎng)的過負(fù)荷保護,當(dāng)設(shè)備長期處于過負(fù)荷運行下，會導(dǎo)致直流饋出電纜，架空接觸網(wǎng)發(fā)熱甚至癱瘓。因此在直流系統(tǒng)需要配置反時限過負(fù)荷的保護，即電流過載倍數(shù)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(yīng)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(cè)斷路器同時跳閘一樣。當(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生故障時，由于采用雙邊供電方式，總是可以堪稱一側(cè)為近距離故障，另一側(cè)為遠(yuǎn)距離故障，應(yīng)該是近距離故障點的變電所先跳閘之后，遠(yuǎn)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(jīng)降壓

16、整流后轉(zhuǎn)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(jīng)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(dǎo)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(shè)置的 一種保護。,,6.框架保護,為了防止直流牽引供電設(shè)備內(nèi)部絕緣降低造成人身傷危險，每個牽引變電所內(nèi)都設(shè)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。框架泄露保護由一個電流元件和一個電壓元件組成，電壓元件可當(dāng)?shù)赝度?、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(dāng)故障消失，當(dāng)?shù)貜?fù)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(shè)備的安全，但是將中斷4個供電接觸網(wǎng)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(shè)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(xiàn)電位差，一般為30V至50V，電位差數(shù)值與鋼軌的絕緣水平關(guān)系不大。,,關(guān)于鋼軌絕緣水平,我國國家標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)極對外殼短路,,框架保護動作分析－小結(jié),在正常工況下，正極對外殼、負(fù)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(fù)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(fù)極對外殼短路工況，當(dāng)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(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生故障時，斷路器分閘，啟動線路測試，并根據(jù)測試結(jié)果判斷故障性質(zhì)，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(jīng)接觸網(wǎng)、電動機車和回流軌返回到牽引變電所的負(fù)極。由于鋼軌與道床和隧道等結(jié)構(gòu)之間的絕緣不是無限大，這樣勢必造成流經(jīng)牽引軌的電流不能全部經(jīng)鋼軌回到牽引變電所的

22、負(fù)極，有一部分牽引電流泄露到軌道或道床的結(jié)構(gòu)鋼上，然后經(jīng)過結(jié)構(gòu)鋼和大地流回牽引變電所的負(fù)極，這部分泄露到隧道或道床結(jié)構(gòu)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(shè)備、設(shè)施的正常運行造成不同程度的影響，以及對隧道、道床的 結(jié)構(gòu)鋼筋和附近的金屬管線造成危害，這種危害主要表現(xiàn)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(shè)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(jié)構(gòu)管線造成電腐蝕，長期下去將嚴(yán)重破壞地鐵附近的各種結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的雜散電流越少。鋼軌本身具有電阻，當(dāng)電流流過鋼

24、軌時在電阻上就產(chǎn)生電位差，因鋼軌對地絕緣電阻不可能是無窮大，故產(chǎn)生有電位差和產(chǎn)生雜散電流。所以要降低雜散電流的數(shù)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(yīng)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(shù)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(yīng)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?？梢酝ㄟ^鋼軌絕緣安裝，道床與結(jié)構(gòu)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(zhì)軌枕、枕木的端面和道釘必須經(jīng)過絕緣處理或設(shè)置專門的絕緣層，軌道和接地回路之間應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)鋼筋或金屬管線產(chǎn)生的腐蝕也就越小。因此，在布置牽引變電所位置時應(yīng)適當(dāng)考慮減小變電所距離，接觸網(wǎng)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(chǎn)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(chǎn)生的雜散電流越多，因此，在允許范圍內(nèi)盡量減小機車取流電流。,,,(6).增加埋地金屬管線的阻值敷設(shè)在軌道交通系統(tǒng)沿線的電力、通訊及控制測量電纜，應(yīng)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(jié)構(gòu)應(yīng)以絕緣方式敷設(shè)；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(wǎng)，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(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋形成雜散電流收集網(wǎng)。,,4.排流保護措施,所謂排流法就是將金屬結(jié)構(gòu)中的雜散電流人為地使之直接回流到鋼軌或變電所負(fù)極，其連接導(dǎo)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(dǎo)體與靠近變電所附近的回流走行軌直接用導(dǎo)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(dǎo)體整流器，從而只允許埋設(shè)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(dāng)被保護金屬的導(dǎo)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(dǎo)體產(chǎn)生過負(fù)電位區(qū)，進而使走行軌發(fā)生電化學(xué)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(xiàn)場信號，參數(shù)有：1、實時監(jiān)測鋼軌對整體道床結(jié)構(gòu)鋼（主排流網(wǎng)）電壓；2、實時監(jiān)測鋼軌對隧道結(jié)構(gòu)鋼（輔助排流網(wǎng)）電壓；3、實時監(jiān)測道床結(jié)構(gòu)鋼的極化電位；4、實時監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)鋼的極化電位；5、結(jié)構(gòu)鋼對參比電極的

31、自然本體電位。,,,監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-集中式,,監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-分布式,,監(jiān)測系統(tǒng)—處理功能,1、供電區(qū)間內(nèi)鋼軌對整體道床結(jié)構(gòu)鋼（主排流網(wǎng)）電壓分布情況；2、供電區(qū)間內(nèi)鋼軌對隧道結(jié)構(gòu)鋼（輔助排流網(wǎng)）電壓分布情況；3、道床結(jié)構(gòu)鋼對參比電極的電位變化情況；4、隧道結(jié)構(gòu)鋼對參比電極的電位變化情況；5、每半小時結(jié)構(gòu)鋼極化電壓正向偏移的平均值；6、整體道床和隧道結(jié)構(gòu)鋼極化電壓最大值、鋼軌與隧道結(jié)構(gòu)鋼,,主要設(shè)備之一——六氟化硫開關(guān)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(guān)柜的主要技術(shù)參數(shù),,主要設(shè)備之一——直流開關(guān)柜,國際上用的直流開關(guān)柜有三種電壓制式：750 V DC1500V DC2500V DC,主要設(shè)備之一——直流開關(guān)柜,國際知名品牌的直流開關(guān)柜廠家:瑞士賽雪龍 德國西門子 龐巴迪英國威本邦國內(nèi)（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(guān) 柜 的 組 成,直流系列開關(guān)設(shè)備按結(jié)構(gòu)分類，可分為兩大類： 1. 由斷路器手車組成的抽出式開關(guān)柜； 2. 由隔離開關(guān)組成的固定式開關(guān)柜。 直流開關(guān)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(guān)（主要由法國Fer