城市轨道交通供电系统详解.docx
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城市轨道交通供电系统详解
城市轨道交通供电系统详解
第一章电力牵引供电系统综述
一、电力牵引的制式
对牵引列车的电动车辆或电力机车特性的基本要求:
1、起动加速性能
要求起动加速力大而且平稳,即恒定的大的起动力矩,便于列车快速平稳起动。
2、动力设备容量利用
对列车的主要动力设备——牵引电动机的基本性能要求为,列车轻载时,运行速度可以高一些,而列车重载时运行速度可以低一些。
这样无论列车重载或轻载都可以达到牵引电动机容量的充分利用,因为列车的牵引力与运行速度的乘积为其功率容量,这时近于常数。
3、调速性能
列车运输,特别是旅客运输,要求有不同的运行速度,即调速。
在调速过程中既要达到变速,还要尽可能经济,不要有太大的能量损耗,同时还希望容易实现调速。
低频单相交流制是交流供电方式,交流电可以通过变压器升降压,因此可以升高供电系统的电压,到了列车以后再经车上的变压器将电压降低到适合牵引电动机应用的电压等级。
由于早期整流技术的关系,这种制式采用的牵引电动机在原理上与直流串激电动机相似的单相交流整流子电动机。
这种电动机存在着整流换向问题,其困难程度随电源频率的升高而增大,因此采用了“低频”单相交流制,它的供电频率和电压有25HZ、6.5~11kV和163
2HZ、12~15kV等类型。
由于用了低频电源使供电系统复杂化,需由专用低频电厂供电,或由变频电站将国家统一工频电源转变成低频电源再送出,因此没有得到广泛应用,只在少量国
家的工矿或干线上应用。
“工频单相交流制”。
这种制式既保留了交流制可以升高供电电压的长处,又仍旧采用直流串激电动机作为牵引电动机的优点,在电力机车上装设降压变压器和大功率整流设备,它们将高压电源降压,再整流成适合直流牵引电动机应用的低压直流电,电动机的调压调速可以通过改变降压变压器的抽头或可控制整流装置电压来达到。
工频单相交流制是当前世界各国干线电气化铁路应用较普遍的牵引供电制式。
我国干线电气化铁路即采用这种制式,其供电电压为25kV。
在牵引制的发展过程中曾出现过“三相交流制”的形式,但由于供电网比较复杂,必须要有两根（两相架空接触线和走行轨道构成三相交流电路,两根架空接触线之间又要高压绝缘,造成的困难和投资更大,因此被淘汰。
关于直流制式的电压等级应用情况大致如下:
干线电气化铁路的供电电压有3kV的,电压没有再提高是因为受到直流牵引电动机端电压的限制,其值一般为l.5kV左右,用3kV供电,一般就需要将两台电动机串联联接,再提高供电电压其联接就更复杂,还涉及当时整流装置绝缘水平的问题。
这种制式在原苏联和东欧一些国家应用最普遍。
供电电压为1.2~1.5kV的直流制多用于工矿和部分国家的干线电力牵引,如日本等国家。
城市轨道交通几乎毫无例外地都采用直流供电制式,这是因为城市轨道交通运输的列车功率并不是很大,其供电半径（范围也不大,因此供电电压不需要太高,还由于直流制比交流制的电压损失小（同样电压等级下,因为没有电抗压降。
另外由于城市内的轨道交通,供电线路都处在城市建筑群之间,供电电压不宜太高,以确保安全。
基于以上原因,世界各国城市轨道交通的供电电压都在直流550~1500V之间,但其档级很多,这是由各种不同交通形式,不同发展历史时期造成的。
现在国际电工委员会拟定的电压标准为:
600V、750V和1500V三种。
后两种为推荐值。
我国国标也规定为750V和1500V,不推荐现有的600V。
我国北京地铁采用的是750V直流供电电压,上海地铁采用的是1500V直流供电电压。
必须根据各城市的具体条件和要求,综合论证决定。
二、电力牵引供电系统的组成
我国和大多数国家一样,电力生产由国家经营管理,因此无论是干线电气化铁路,还是工矿电力牵引和城市轨道交通电力牵引用电均由国家统一电网供给。
为了说明电力牵引供电系统各个组成部分的关系和作用,下面以城市轨道交通直流电力牵引供电系统为例,用示意图1-1表示之。
电厂可能与其用户相距
甚远,为了能得到经济输电,
必须将输电电压升高,以减少
线路的电压损失和能量损耗,
因此在发电厂的输出端接入
升压变压器以提高输电电压。
目前我国用得最普遍的输电
电压等级为110~220kV。
通常国家供电系统总是
把在同一个区域（或大区的许多发电厂通过高压输电线和变电所联结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结起来的一个发电、输电、变电、配电和用户的统一体被称为电力系统。
组成统一的电力系统有如下的一些优越性。
1.可以充分利用动力资源。
火力发电厂发出多少电能就需要相应地消耗多少燃料,而其他的某些类型发电厂,它能发出多少电能取决于当时该发电厂的动力资源情况,如水电站的水位高低,它随自然条件的变化而变化,因此,组成统一的电力系统以后,在任何时候,可以动态地调整各种动力资源,以求其发挥最大效益。
2.减少燃料运输,降低发电成本。
大容量火力发电厂所消耗的燃料是很可观的,如果不用高压远距离输电,则发电厂必然要建在负荷中心附近而不能建在燃料资源的生产地,这样就要大量运输燃料,造成发电成本升高。
采用高压输电电力系统以后就可以解决以上问题,将发电厂建在动力资源丰富的地方。
3
.提高供电的可靠性。
由于供电区域内的负荷是由多个发电厂组成的电力
系统共同供电的,这样与单个发电厂独立向自己的负荷供电比较起来,对负荷的供电可靠性就可以提高很多,因为系统内发电厂之间可以起到互为后备的作用。
与此同时,整个系统的发电设备容量也可以减少很多,降低了设备的投资费用。
4.提高发电效率。
没有组成电力系统之前,每个发电厂的容量是按照它的供电负荷大小来设计选择的,如果该地区负荷小,则发电设备单机容量必小。
通常单机小容量的发电设备总是比大容量的设备运行效率低些,因此组成电力系统以后,不但各发电厂的单机容量可以尽可能选得大一些,以提高单机的运行效率,而且总机组数目也可减少,还不受各地区负荷大小的牵制,因为它们是由统一系统供电的,这就达到了提高发电效率的目的。
通常高压输电线到了各城市或工业区以后通过区域变电所（站将电能转配或降低一个等级,如35~10kV向附近各用电中心送电。
城市轨道交通牵引用电既可从区域变电所高压线路得电,也可以从下一级电压的城市地方电网得电,这取决于系统和城市地方电网具体情况以及牵引用电容量大小。
对于直接从系统高压电网获得电力的城市轨道交通系统,往往需要再设置一级主降压变电站,将系统输电电压如110~220kV降低到10~35kV以适应直流牵引变电所的需要。
从管理的角度上看,主降压变电站可以由电力系统（电业部门直接管理,也可以归属于城市轨道交通部门管理。
以上,从发电厂（站经升压、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”。
从主降压变电站（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:
主降压变电站、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。
走行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。
三、向牵引变电所供电的接线图
1.环行供电接线（图1-2
以下各图符号意义相同。
由两个或两个以上主降压变电站和所有的牵引变电所用输电线联成一个环行。
环行供电是很可靠的供电线路,因为在这种情况下,一路输电线和一个主降压变电站同时停止工作时,只要其母线仍保
持通电,就不致中断任何一个牵引变电所的正常供电。
但其投资较大。
2.双边供电接线（图1-3
由两个主降压变电站向沿线牵引变电所供电,通往牵引变电所的输电线都经过其母线联接,为了增加供电的可靠性,用双路输电线供电,而每路按输送功率计算。
这种接线可靠性稍低于环行供电。
当引入线数目较多时,开关设备
多,投资增加。
3.单边供电接线（图l-4
当轨道沿线附近只有一侧有电源时,则采用单边供电。
单边供电较环行供电
和双边供电的可靠性差,为了提高可靠性,应用双回路输电线供电。
单边供电设
备
较少,投资也少些。
4.辐射形供电接线（图l-5
每个牵引变电所用两路独立输电线与主降压变电站联接。
这种接线方式适合于轨道线路成弧形的情况。
这种接线简单,但当主降压变电所停电时,
将全线停
电。
应当指出,实际情况常常是以上某些典型接线方式的综合。
变配电接线图的选择应该是这样的,当供电系统的一个元件故障损坏时,它应能自动解列而不致破坏牵引供电。
四、直流牵引变电所的整流装置
直流牵引变电所的主要功能为,将其交流进线电压通过整流变压器降压,然后经整流器将交流电变成直流电供电动车辆的直流牵引电动机用。
为了提高直流电的供电质量,降低直流电源的脉动（波动量,通常采用多相整流的方法,它可以是六相、十二相整流,还可以增加到二十四相整流。
为此,整流变压器不仅起降压作用,还要将三相交流电变成多相交流电供整流器整流,整流变压器与整流器合称为整流装置。
下面就直流牵引变电所应用的多相整流基本工作原理加以叙述。
1、最简单的三相半波整流电路（图l-7
图中（a表示整流变压器的二次
侧三相绕组a、b、c成星形联结,a、
b、c三相分别接大功率半导体整流
管D1、D2、D3,R为负载电阻,三
相交流电压（Ua、Ub、Uc波形如图
（b所示。
在任何时刻,相电压最高
的一相的整流管导通,此时整流电压
（加在负载R上的电压即为该相
的瞬时电压,如图中ωt1~ωt2时,为a相D1管导通,此时整流电压为Ua,同理依次为D2、D3导通,整流电压依次为Ub、Uc波形。
这种线路的特点为:
1.变压器副边每相绕组只导通1/3周期,即相差120°利用率较差。
2.整流管承受的反向电压高。
当一个整流管导通时,另外两个管必承受反向电压,其值为副边绕组线电压。
如D1导通时,D2、D3分别承受反电压Uab、Uac。
3.变压器绕组总是通过单方向电流,引起直流磁化,造成铁心饱和,必要求加大铁心尺寸,且阻抗增大,损耗增大。
以上电路属共阴极接线,即三相整流管的阴极连接在一起。
要改善以上整流电路,首先可以设想有两组负荷相近的整流电路（都是三相半被整流电路,但是一组为共阴极接线,另一组则为共阳极接线,即a、b、c三相绕组连接的三个整流管的阳极连接在一起。
如图1-8（a所示。
此时整流电路的工作情况就有所改善。
图（a为两组半波共阴、阳极串联电路,如其负荷电流Id1、Id2相等,则零线电流I0为零,零线可以取消,同时两组整流器共用一组三相副边绕组,对每相绕组其通过的电流方向依次相反,各占1/3周期,这样就提高了各绕组的通电时间（加
倍,提高了利用率,而且先后的电流方向是相反的,又消除了直流磁化的问题。
2、三相桥式整流电路
以上接线中两组半波整流的负荷电流数值相等,即Id1=Id2,则Id1-Id2=0,零线可以取消,将两组负载用抗叠加为一个,则成为图1-8（b所示的三相桥式整流电路。
桥式整流电路对同样变压器绕组电压来说,其整流电压升高一倍。
反之,如整流电压保持一定,则变压器绕组电压可以降低,因而整流元件承受的反电压可以低些。
三相桥式整流变压器无直流磁化问题。
整流电压Ud的彼形为六相脉动波形,其整流电压的次序依次为线电压Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb、Uab、……。
如图1-9所示。
3、大功率供电整流电路对于化工、冶金和电力牵引用的大功率整流设备,
由于其直
流电压不太高,而电流很大,为了避免整流支路的整流元件（管并联数目不致太多,而造成元件之间电流分布不均的问题,可以用两组整流器并联工作的方法。
同时可以使两组整流器相互之间有相位移（相差,以求得多相整流,减少整流电压脉动的目的。
下面介绍两种这样的电路;
1.带平衡电抗器的双反星形整流电路（图1-10
所谓双反星形是整流变压器的次边每相有两个匝数相同的绕组,分别接成两组三相半波整流电路,即a、b、c和a′、b′、c′两组。
a与a′、b与b′、c与c′分别绕在同一个铁芯上,其极性相反,或者说电压的相位差180°。
如图1-10中表示同名端的“●”符号所示,故称双反星形电路。
两组整流电路的整流电压、电流波形如图1-11所示。
实际上两组整流电路并联连接,要达到真正并联工作,必须两个电源的情况完全相同（平均值和瞬时值均相等才行。
在双反星形电路中,虽然两组整流电压的平均值Ud1和Ud2相等,但是它们的脉动波相差60°,它们的瞬时值ud1和ud2是不同的。
为了解决这个问题,在两组整流电路的中心点O1与O2。
之间接入了一个平衡电抗器Lp,Lp分成两半,两组整流电路各占一半。
平衡电抗器的作用既起到限制由于瞬时电压ud1与ud2的不同而造成的在两组整流电路内部流通的不平衡电流ip——称环流的数值,从而均化两组整流电路的负荷电流,同时还在中点O1O和O2O中产生感应电势以补偿两个整流电路瞬时电压ud1和ud2的差异,使两组整流电路加在负载上的电压相等,即两组整流电路真正并联工作。
此时的整流电压波形如图1-12所示。
为了说明平衡电抗器的作用过程,可见图1-13。
从图1-12中,在ωt1时Ub′电压最高二极管D6。
导通,此电流流经Ip时,平衡电抗器的一半绕组（OO2端要感应一电势
2
1
Up,它的方向是要阻止电流增长（即O端为正,O2端为负。
因为平衡电抗器的另一半（OO1端是与（OO2端绕在同一铁心上的,且匝数相等,绕向相同,所以在绕组（OO1端上也要感应出电势
2
1
Up来,它的方向为O1端正,O端为负。
很显然,OO2。
绕组上的电势与Ub′方向是
相反的,而OO1端绕组上的电势与Ua的方向是一致的,因此只要平衡电抗器上感应的电势Up与Ub′、Ua的差值相等,则
Ub′-
21Up=Ua+2
1
Up此时整流管D1与D2必同时导通,达到了该期间两组整流电路的相应整流管并联工作的目的。
同样理由,在其他任何时间,必然会有另外两个属于不同整流电路的整流管同时导通,这就达到两组整流电路并联工作运行的目的。
2.两组三相桥并联组成的十二相整流电路
目前城市轨道交通直流牵引变电所用的大功单半导体整流装置,为了提高直流供电质量,降低电压脉动量,
减少注入电网的谐波含量和提高整流变压器的利
用率,普遍采用多相整流电路。
五、电力牵引轨道沿线的迷流腐蚀与保护问题
绝大多数电力牵引轨道交通线路是以走行轨为其电回路的,由于钢轨与大地之间不是绝缘的,因此由钢轨回流牵引变电所的电流必有部分经大地流回牵引变电所。
这部分电流因大地土壤的导电性质、地下金属管道位置的不同,可以分布很广,故称之为“迷流”或“杂散电流”。
对于直流单边供电区段,一个牵引负荷的情况下,其电流的分布情况,大致示意如图l-15所示。
由图可见,在牵引变电所回
流线与钢轨相接的回流点A
处,地电流流回牵引变电所。
当轨道沿线地下有金属
管道或建筑物钢筋等导电物
时,地中迷流必多沿金属导
体流动,到了回流点附近再
流向钢轨回变电所,因此在
回流点附近的金属管道形成
了阳极区〔对大地为正,如
图1-16所示:
由图可见对“正”接触导线情况,阳极区总是在回流点处不动,这就使阳极区内的金属物正离子流向大地,发生电解腐蚀现象,损坏了金属。
这是直流牵引网存在的一个特殊问题,人们总是在不断地努力寻求改善的各种方法。
当接触网为“负”极性时,与图l-16中
电流方向反向,阳极与阴极区将转变,则阳
极区将随着列车的移动而移动,
这样阳极区
是不固定的,则金属物的腐蚀现象较均匀,情况就不会太严重。
当然接触网的极性选择不仅决定于此,目前还是以“正”极性为多。
为了改善地中电流造成的迷流腐蚀问题,可以采取增加轨道与大地间的绝缘、降低走行轨道的电阻、缩短变电所之间的距离、金属管道远离轨道线路和其他专门的“电保护”等措施使轨道电流少泄漏人大地,即使有地电流也少流向地下金属物,已经流人地下金属物的电流,也使其在回流点处往专设“电旁泄”直接流回变电所,不形成腐蚀阳极区。
所谓“电旁泄”是一种专设的电流通道,它保证杂散电流从被保护建筑物回流人钢轨网、牵引变电所回流线或者直接流入与钢轨网相联的牵引变电所母线,使地下建筑物处于阴极状态。
“电保护”的方法很多,除了电旁泄方法之外,还可以有“阴极”保护方法,即人为地把特设的直流电源的阴极接在被保护的地下金属物上,而阳极接在专设的接地器上,这样被保护的地下金属物对地为负电位,没有电流流向大地,而进人的（牵引地下电流经特设电源由专设接地器（对地为阳极区流人大地后回变电所,如图虚线部分。
当然还可以用与钢轨并联的专用线做为回流线,其投资更高。
加拿大的直线电机轨道交通,在走行轨侧设二根接触轨作为正负供电线,这对迷流腐蚀来说也是一个很好的措施,只是结构复杂一些,投资增加。
第二章变电所的主要电气设备
一、概述
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
用以防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、静止无功补偿装置等。
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、低压电容器柜和成套变电站等。
二、变压器
1、变压器的作用
变压器是变电所最主要的设备之一。
其作用是将交流电源的电压进行升高或降低。
2、变压器的工作原理
变压器的工作原理如图2-1所示,它是一种按电磁感应原理工作的电气设备。
一个单相变压器的原、副边两个线圈绕在一个铁心上,副边开路,原边施加交流电压U1。
则原边线圈中流过电流I1,在铁心中产生磁通。
磁通穿过副边线圈在铁心中闭合,在副边感应一个电动势E2。
当变压器副边接上负载后,在电势的作用下将有副边电流I2通过,这样负载两端会有一个电压降U2,电压降U2约等于E2,U2约等于E1,所以
U1/U2=E1/E2=W1/W2=K
式中U1、U2为原、副边线圈的端电压,W1、W2为原、副边线圈的匝数,K称为变压器的变比。
由上式可以看出,由于变压器原、副边线圈匝数不同,因而起到了变换电压的作用。
变压器的电压变比是绕组的匝数比,电流变比是绕组匝数比的倒数。
根据上述原理可以制造出单相、三相等各种变压器。
3、变压器的结构
电力变压器根据容量、电压等级、
线圈数的不同,外形和附件不完全相同,但主要部件基本上是相同的。
变压器的外形和结构可参看图2-2。
变压器的主要部件及其功能如下:
1.铁心
铁心是用导磁性能良
好的硅钢片叠装组成,它
形成一个磁通闭合回路,
变压器的一、二次绕组都
绕在铁心上。
2.线圈
线圈又称为绕组,是变
压器的导电回路。
线圈用
铜线或铝线绕成多层圆筒
形。
线圈绕在铁心柱上,
导线外边包有绝缘材料,形成导线之间及导线对地的绝缘。
3.油箱
油箱是变压器的外壳,内部充满变压器油,铁心和绕组都安装在油箱内,铁心和绕组浸在油中。
变压器油是绝缘的,它一方面起绝缘作用,同时也起散热作用。
变压器的一些部件安装在油箱上。
4.油枕
油枕也称油柜。
变压器油固温度变化会发生热胀冷缩现象,油面也将随温度的变化而上升或下降、油枕的作用是储油与补油,使变压器油箱内保证充满油,同时油枕缩小了变压器与空气的接触面,减少了油的老化速度。
油枕侧面装有油位计,可以监视油的变化。
5.呼吸器
油枕内空气随变压器油的体积膨胀或缩小,排出或吸入的空气都要经过呼吸器。
呼吸器内装有干燥剂,吸收空气中的水分,并对空气起过滤作用,保持变压器油的清洁。
6.防爆装置
防爆装置有防爆管和压力释放装置两种。
防爆装置是安装在变压器顶盖上的。
当变压器内部发生故障,变压器油剧烈分解产生大量气体,使油箱内压力剧增时,防爆装置将油及气体排出,防止变压器油箱爆炸或变形。
7.散热器
散热器安装在油箱壁上,上下有管道与油箱相通,变压器上部油温与下部油温有温差时,通过散热器形成油的对流,经散热器冷却后流回油箱,起到降低变压器油温度的作用。
为了提高冷却效果,可以采用自冷、强迫风冷和强迫水冷等措施。
8.绝缘套管
变压器绕组的引出线采用绝缘套管,以便与箱体绝缘。
绝缘套管有纯瓷、充油和电容等不同形式。
9.瓦斯继电器
瓦斯继电器又称为气体继电器,是变压器内部故障的主保护装置,它装在油箱和油枕的连接管上。
当变压器内部发生严重的障时,瓦斯继电器接通断路器跳闸回路;当变压器内部发生不严重故障时,瓦斯继电器接通故障信号回路。
10.温度计
温度计用来测量油箱里上层油温,监视变压器运行是否正常
11.调压装置
调压装置是为了保证变压器二次测电压而设置的。
当电源电压变动时,利用调压装置调节变压器的二次电压。
调压装置分为有载调压和无载调压两种。
有载调压可以在变压器带负载的状态下进行电压调节,而无载调压装置的调压则必须在不带负才能进行操作。
4、变压器的主要技术参数
1.额定电压UN
包括变压器一次侧和二次侧的额定电压UN1和UN2。
变压器的二次侧额定电压UN2是指变压器空载状态下当一次线圈加其额定电压UNI时,获得的二次测线圈端压。
2.额定电流IN指线圈额定电流。
3.额定容量SN
额定容量指变压器在额定电压和额定电流条件下,连续
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