城市轨道交通供电系统讲义.docx

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城市轨道交通供电系统讲义

第二章城市轨道交通供电系统描述

●第一节供电系统的组成与功能

地铁供电系统是为地铁运营提供所需电能的系统，它不仅为地铁电动列车提供牵引用电，而且还为地铁运营服务的其它设施提供电能，如照明、通风、空调、给排水、通信、信号、防灾报警、自动扶梯等。

地铁供电系统一般包括外部电源、主变电所（或电源开闭所）、牵引供电系统、动力照明供电系统、电力监控系统。

其中，牵引供电系统包括牵引变电所和牵引网，动力照明供电系统包括降压变电所和动力照明配电系统。

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地铁系统是一个重要的用电负荷。

按规定应为一级负荷，即应由两路电源供电，当任何一路电源发生故障中断供电时，另一路应能保证地铁重要负荷的全部用电需要。

在地铁供电系统中牵引用电负荷为一级负荷，而动力照明等用电负荷根据它们的实际情况可分为一级、二级或三级负荷。

地铁外部电源供电方案，可根据实际情况不同分为集中供电方式、分散供电方式和混合供电方式。

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第二节变电所的分类

地铁供电系统中一般设置三类变电所，即主变电所（分散式供电方式为电源开闭所）、降压变电所及牵引降压混合变电所。

主变电所是指采用集中供电方式时，接受城市电网35kV及以上电压等级的电源，经其降压后以中压供给牵引变电所和降压变电所的一种地铁变电所。

降压变电所从主变电所（电源开闭所）获得电能并降压变成低压交流电。

●

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牵引变电所从主变电所（电源开闭所）获得电能，经过降压和整流变成电动列车牵引所需要的直流电。

主变电所：

专为城市轨道交通系统提供能源的枢纽。

牵引变电所：

为列车提供适应的电源。

降压变电所（配电变电所）：

为车站、隧道动力照明负荷提供电源。

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第四节供电系统主要运行方式

110kV系统运行方式

正常运行方式

变电所10kV母联开关和开闭所间联络开关均处于打开状态，每座变电所由2回电源供电，两段10kV母线分列运行。

变电所由开闭所按不同的供电分区供电。

其它运行方式

故障或检修运行方式

开闭所一回10kV外电源退出时的运行方式时，合上开闭所母联开关，由另一回10kV外电源向该开闭所供电范围内所有变电所供电。

非开闭所一回10kV进线电源退出运行时，合上该变电所母联开关，由另一回10kV进线电源向该变电所供电。

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应急运行方式

当一座开闭所的2回外电源均退出运行时，合上开闭所间联络开关，由相邻开闭所支援供电。

支援供电时保证不使两个开闭所电源连通，并且支援范围不越过退出运行的供电分区。

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2DC750V系统运行方式

正常运行方式

正极进线开关及其电动隔离开关、馈线开关、上网电动隔离开关、负极电动隔离开关合闸，使正极接触轨和负极走行轨带电。

备用馈线柜开关及馈线开关旁路电动隔离开关、越区电动隔离开关分闸。

相邻两变电所构成双边供电。

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其它运行方式

方式一：

同一牵引变电所内的两套牵引整流机组，一套退出运行，另一套继续运行。

方式二：

某一馈线开关退出运行，由备用馈线开关代替其向接触轨供电。

方式三：

当一个牵引变电所退出运行，其供电区段由相邻牵引变电所单边或大双边供电。

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第三章所内典型设备简介

第一节10kV中压开关柜及保护

1、10kV开关柜

10kV开关柜主要有环网进出线柜、外电源进出线柜（开闭所）、馈线柜、母联柜、母联提升柜、PT柜等组成。

10kV开关柜一般有断路器室、低压室、电缆室、母线室、柜顶小母线室及线路PT室（主要用于环网进出线柜，用于安装测量线路电压的电压互感器）组成。

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开关柜内各隔离室均采用由开关柜顶部泄压。

在柜体的顶部装有可翻转的活门，一侧用合页固定死另一侧用塑料螺栓固定。

当发生内部燃弧故障时，通过排放热气到柜体外部，防止隔室里气压过大，消除对操作人员的危害。

环网进出线柜、外电源进出线柜（开闭所）、馈线柜、母联柜内主要有断路器、带电显示器、母线、保护单元等组成。

主要是带负荷分断一次回路。

当系统存在故障时，由保护单元发出指令，使其断开一次回路，减少故障对设备危害及事故的发生。

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成套10kV开关柜一般将母线安装在断路器柜内，电缆室内线缆设计为下进上出，母联提升柜主要用于对成排开关柜母线提升用，一般不对其进行操作，柜内没有断路器，不能带负荷分断，因此它与母联柜之间存在连锁关系。

PT柜内主要有电压互感器、带电显示器、母线等组成，主要用于测量10kV系统的母线电压，将电压量经电压测量回路将得到的电量传给保护单元。

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为了安全和便于操作，开关柜不同元件之间设有必要的联锁装置：

只有当断路器小车处于断开位置时，才能操作接地开关。

只有当断路器处于“分闸”状态，接地开关断开，高压室门关闭的情况下，断路器小车才可能移动。

只有在断路器“分闸”状态，才能将断路器小车推入至工作位或试验位。

防止断路器合闸位置时抽出手车。

在断路器手车摇入、摇出的过程中，断路器将一直锁定在分闸状态。

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只有在接地开关闭合时，才能打开电缆室的前门。

只有在手车锁定在隔离位置时，才能够闭合接地开关。

只有在电缆室前门就位的情况下，才能分开接地开关。

只有在手车锁定在隔离位置时，才能够打开高压室前门。

断路器手车前部面板上设有紧急机械分闸按钮，并可使用挂锁锁定。

2、10kV开关柜保护配置见下表：

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第二节DC750V开关柜

直流开关柜与地之间安装绝缘板，柜体的固定采用绝缘螺栓，保证安装后绝缘电阻值在500V时不小于2MΩ。

直流开关柜包括进线柜、馈线柜（含备用柜、制动电阻馈线柜）、负极柜，且均为户内安装。

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1进线柜

进线柜在直流牵引供电系统中也称为正极柜（或总闸柜），在整流柜和直流母线之间起隔离作用，是安装于整流器正极与750V正极母线间的开关设备；柜内主要有分流器、变速器、电动隔离开关、微机保护单元、直流快速断路器等设备构成。

2馈线柜

馈线柜安装于正极母线与接触网上网点之间，其内配置正极母线，直流快速断路器手车，及相关控制保护单元。

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3电阻柜

电阻柜主要安装于正极母线与再生制动设备之间，其内主要元器件与馈线柜一样。

4负极柜

负极柜安装于750V负极母线与钢轨之间，柜内装有两台电动隔离开关，牵引变电所内的低阻抗框架泄漏保护装置装于负极柜内。

框架泄漏保护由一个电流元件和一个电压元件组成，当电压元件动作时，只联跳本站10kV机组断路器、750V进线直流断路器、馈线断路器共8个开关，不联跳邻站；而当电流元件启动时，联跳本站10kV机组断路器、750V进线直流断路器、馈线断路器，并且联跳邻站对应馈线断路器共12个开关。

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5边柜

边柜内设有中央控制单元，用于上网隔离开关的监控，以及采集直流开关柜中保护装置的所有信息并上传。

柜体设有用于控制上网隔离开关的按钮、指示灯、远方/就地转换开关，以及用于双边联跳继电器，并提供足够的端子排用于采集和控制直流开关柜整个系统的各种信号。

6钢轨电位限制装置

在直流牵引系统中，由于操作电流和短路电流的存在，可能会引起回流回路和大地间产生超出安全许可的接触电压。

这时，就需要在回流回路与大地间装配一套钢轨电位限制装置，以限制走行轨的电位，避免超出安全许可的接触电压的发生。

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当发生超出安全许可的接触电压时，钢轨电位限制器就将钢轨与大地短接，从而保证人员和设施的安全。

钢轨电位限制装置一般与750V框架保护配合使用，机车启动及运行时，可能引起轨—地之间的电位升高，此时钢轨电位限制装置和框架保护单元的电压检测元件均启动，但由于直流系统的正常运行情况，框架保护不动作，故应是框架保护电压检测元件的动作时间整定值比钢轨电位限制装置的动作整定值长。

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第三节低压开关柜

1系统运行方式

正常运行模式

正常工作时，两路10kV电源经配电变压器降压后，分别向两段400V母线供电，400V母线为单母线分段运行，并承担车站及区间动力照明的全部用电负荷。

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非正常运行模式

当一路电源失压时，延时跳闸，自动/手动切除两段母线上的三级负荷，母联开关合闸，由另一路进线承担全站所有的一、二级负荷；当失压电源恢复供电后，断开母联开关，母线分段运行，返回正常运行模式。

火灾运行模式

当发生火灾时，FAS系统发出指令，由设于断路器处的分励脱扣器切除火灾区域内全部非消防电源。

当FAS系统确认灾情处理完毕后，发出解除指令，由人工恢复火灾区域的正常供电。

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2开关柜描述

开关柜有进线柜、馈线柜、母联柜、电容柜组成。

进线柜、母联柜内主要有抽出式断路器构成，断路器有三个明显的位置：

连接位置、试验位置、分离位置，各个位置有明显的文字符号标识。

馈线柜内一般采用塑壳断路器，开关柜面板上设置测量表计，测量馈出回路各种电量。

电容柜内的主要作用时补偿供电系统的补偿无功功率，提高功率因数，降低功率损耗和电能损耗等。

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第四节再生制动装置

制动能量消耗装置由制动控制柜和制动电阻柜构成，采用多相不重IGBT斩波器和吸收电阻配合的恒压吸收方式，当车辆再生电制动且制动能量不能被其它车辆或用电设备消耗时，制动能量消耗装置消耗该部分的能量，根据吸收功率的大小及直流母线电压的变化状况自动调节斩波器的导通比，从而改变吸收功率，通过对网压进行恒压闭环控制，维持线网电压恒定。

当车辆处于启动、加速、惰行、停站或线网无车辆运行时，装置不投入工作。

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当处于再生制动状况的列车回馈出去的电流不能完全被其他车辆和本车的用电设备所吸收时，能量消耗装置立即投入工作，吸收掉多余的回馈电流，使车辆再生电流持续稳定，最大限度的发挥电制动功能。

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第五节整流机组及配电变压器

1整流机组

单台变压器为六相十二脉波整流变压器，两台变压器并联运行构成等效二十四脉波整流变压器。

每个牵引变电所内并联运行的两台整流变压器一次侧绕组分别移相＋°和－°，并能实现互换，使任何两台同容量整流变压器二次侧电压相角差15°，通过整流器获得24脉波整流。

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为了构成24脉波整流的两台变压器具有互换性，整流精度更高，每台整流变压器的二次绕组有一个星形绕组和一个三角形绕组，分别向两个三相整流桥供电。

因为整流变压器二次侧星形绕组和三角形绕组相对应的线电压相位错开30°，于是可以得到12脉波整流电路。

每个牵引变电所内并联运行的两台牵引变压器，联结组别为Dd0y11和Dd2y1，当供给两台12脉波整流器的整流变压器高压网侧并联的绕组分别采用±°外延三角形联接时，可使两台整流变压器阀侧输出电压的相角差为15°通过整流器获得等效24脉波直流。

如下图所示：

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联锁

防止误入带电间隔及误操作的发生装置。

变压器门体设电磁锁与变压器10kV断路器闭锁。

每个门上装一套，保证当10kV断路器分闸后，对应变压器门才可以打开，变压器门打开的情况下，10kV断路器不能合闸。

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分接开关（分接片）

整流变压器采用无励磁调压，原边分接抽头的分接范围：

±2×%。

●

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2整流器

单台整流器由二个三相6脉波全波整流桥组成，其中一个整流桥接至整流变压器二次侧Y型绕组，另一个整流桥接至整流变压器二次侧?

型绕组。

两个整流桥并联连接构成十二脉波整流。

在每座牵引变电所内两套整流机组并联运行构成等效二十四脉波整流。

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3配电变压器

北京地铁15号线采用SCB10系列浇注式树脂绝缘干式电力变压器：

电压等级为10kV/；

调压范围：

±2×%；

绝缘电阻为：

高压线圈—低压线圈≥500MΩ；

高压线圈—地≥500MΩ；

低压线圈—地≥400MΩ。

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系统运行方式

正常运行方式：

两台配电变压器分列运行，向整个车站及相邻半个区间的一、二、三级低压负荷供电。

其他运行方式：

当一台配电变压器因故障退出运行时，切除三级负荷，AC母联自投，由另一台配电变压器向全站及相邻半个区间的一、二级低压负荷供电。

联锁

变压器门体设电磁锁与变压器10kV断路器闭锁。

保证当10kV断路器分闸后，对应变压器门才可以打开，变压器门打开的情况下，10kV断路器不能合闸。

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第六节变电所交直流电源装置

变电所内交直流屏由交流输入配电部分、整流部分、降压部分、直流输出馈电部分、监控部分以及绝缘监测部分组成。

主要对变电所内设备的控制系统、信号系统、继电保护、自动装置、智能测量装置提供AC220V或DC220V操作电源，北京地铁15号线变电所内交直流屏分为A型屏和B型屏两种。

A型交流屏主要用于区间变电所、车辆段变电所、停车场变电所。

交流屏本体所需的辅助电源为交流，取自本交流屏。

B型电源屏主要用于正线各车站。

B型电源屏柜体为1面，由交流配电、直流配电及监控装置组成，直流电源有站内电源整合专业提供，经过B型电源屏直流配电系统给所内设备供电。

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A型交直流屏原理图

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B型屏交流配电部分工作原理框图

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B型直流输出馈电部分工作原理框图

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第七节杂散电流监测及防护系统

1杂散电流产生原因

机车所需电流由牵引变电所提供，通过接触网/轨向机车送电，并利用走行轨把牵引电流返回牵引变电所。

由于钢轨很难做到完全对地绝缘，所以牵引电流并非全部由钢轨流回牵引变电所，而是有一部分通过钢轨与大地之间的绝缘不良点流经大地流向大地低电位处，再由大地流回钢轨并返回牵引变电所，从而形成没有任何规律的杂散电流。

如下图所示，I1和I2分别为一个供电区间两个牵引变电所向机车提供的电流，I3和I4分别为通过走行轨向两个牵引变电所回流的电流，I5和I6分别为泄漏到地下的杂散电流。

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2杂散电流的危害

引起地铁附近建筑物结构钢筋、金属管线腐蚀。

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。

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，可能引起牵引变电所的框架保护动作

危及地铁乘客的安全。

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3排流柜

排流柜安装于牵引变电所内，一端接负极柜内的直流负母排，另一端接隧道结构钢筋（或高架桥梁结构钢筋）、整体道床结构钢筋、牵引变电所的地母排。

使结构钢筋中的杂散电流单方向回流到牵引变电所内的负极柜，防止杂散电流对结构钢筋的腐蚀。

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4单向导通装置

在地铁轨道系统中，车辆段需要设置绝缘接头，其目的是为了尽量减小杂散电流并缩小杂散电流影响的范围，从而减小杂散电流对结构钢筋的腐蚀。

而在采用绝缘接头的钢轨部位，有机车运行时，为保证回流电流的正常流动，必须采用单向导通装置，并接于轨道设置的绝缘结处，用于连接绝缘接头两端的钢轨，使钢轨中电流只能向正线回流，而向车辆段截止。

其内除设置二极管支路外，还设有隔离开关和消弧装置，隔离开关用于特殊运营方式下，将绝缘结两端回流轨直接电气连接；消弧装置用于车辆再生制动导致单向导通装置附近回流轨电位升高时，该装置电气导通，降低走行轨电位，限制绝缘结两端放电和保证回流轨附近人员的安全。

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第八节电源整合系统

电源整合系统主要由交流输入、交流配电、充电机、直流馈电单元、监控单元、微机绝缘监测仪、蓄电池等组成。

北京地铁15号线采用电源整合系统，其目的就是为了对站内各电源系统的蓄电池、装置进行硬件整合和集中布置，便于电源系统的统一维护与管理。

通过集中布置减少设备用房面积，降低车站土建工程造价。

通过硬件整合减少设备重复配置．实现资源共享节省设备投资，其原理图如下所示。

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第九节综合自动化系统（SCADA系统）

变电所自动化系统采用集中管理、分散布置的模式，分层、分布式系统结构。

系统由站内管理层、数据通信层、基础设备层组成。

系统以供电设备为对象，通过所内网络将所内的10kV、交流保护测控单元、750V直流保护测控单元、交直流电源系统监控单元、变压器与整流器监控单元、排流柜（含杂散电流监测装置）、等间隔层设备连接起来，通过具有可靠性高、实时性强的通信控制器构成稳定、可靠的变电所自动化系统。

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SCADA系统的构成

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