城轨供变电技术第二章Word文件下载.docx

城轨供变电技术第二章Word文件下载.docx

《城轨供变电技术第二章Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《城轨供变电技术第二章Word文件下载.docx（25页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

发电厂（站）是电能的来源。

按其利用的能源的不同可以分为火力发电厂、水力发电厂、原子能发电厂以及风力、地热、太阳能和潮汐发电厂等等。

为了减少输电线路上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。

目前我国一般是以110KV或220KV的高压，通过三相输电线路输送到电力网中的区域变电站。

在区域变电站中，先由降压变压器把110KV或220KV的三相交流电压变为10KV或35KV的三相交流电压，再由三相输电线路输送给本区域内的各用电中心。

城市轨道交通的牵引用电既可以从区域变电所高压线路上取得，也可以从下一级电压的城市地方电网上取得，这取决于系统和城市地方电网的具体情况以及牵引用电容量的大小。

对于直接从电力系统高压电网是获得电力的城市轨道交通供电系统，往往需要再设置一级主降压变电站（所），将系统输电电压如110KV或220KV降低到10KV或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（所）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。

从发电厂（站）经升压、高压输电网、区域变电站（所）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）电源供电系统”。

如图2-2所示虚线2以上部分。

三.外部电源对城市轨道交通的供电方式

国内各城市对地铁及城市轨道交通的供电一般有三种方式，即集中式供电方式、分散式电方式、分散与集中相结合的混合式供电方式。

1.集中式供电方式

集中供电方式是指一条轨道交通线路配置少量的受电点（主变电所），通过受电点（主变电所）集中从城市电网受进电力，经主变电所降压后再向轨道交通内部电网的牵引变电所和降压变电所供电。

图2-3为采用集中供电方式的外部供电示意图。

集中式供电方式的特点是：

（1）城市轨道交通供电系统与城市电网的接口少；

（2）主变电所、牵引变电所、降压变电所均有两个独立的引入电源；

（3）城轨供电系统相对独立，自成系统，便于运营管理。

上海、广州、南京、香港及近几年新建大部分地铁均为集中供电方案。

2.分散式供电方式

分散供电方式是指沿地铁线路的城市电网（通常是10KV电压等级）分别向各沿线的地铁牵引变电所和降压变电所供电。

图2-4为分散式供电方式示意图。

分散式供电方式的特点是：

（1）需要从城市电网分散引入多路中压电源，一般为10KV；

。

（2）平均4～5个车站需引入两路电源，与城网接口多。

（3）要求城网有足够的电源引入点和备用容量。

（4）两开闭所之间的供电分区通过双环网进行联络。

（5）城轨供电系统与城网关系紧密，独立性差，运营管理相对复杂。

长春轻轨、大连快轨、北京地铁4、5、9号线等为分散供电方案。

采用分散式供电方式可以取消地铁主变电所，从而节省主变电所的投资，但采用的前提条件是城市电网在地铁沿线有足够的变电站和备用容量，并能满足地铁牵引供电的可靠性要求。

目前国内的北京地铁4、5、9号线、长春轻轨、大连快轨采用的就是这种供电方式。

图2-4为分散式供电示意图。

3.混合式供电方式

混合式供电方式是将分散式与集中式相结合的供电方式，多指以集中式供电为主以分散式为辅的供电方式，如图2-5所示。

混合式供电方式可根据城市电网现状、规划以及城市轨道交通自身的需要，吸收集中式供电方式和分散式供电方式的优点，系统方案灵活，节约投资使供电系统完善和可靠。

采用集中式供电方式时，在主变电所设置一定的情况下，若线路末端中压网络压降不能满足要求，则可从城市电网引入中压电源作为补充，这就构成了以集中式供电方式为主的混合式供电方式。

如武汉轨道交通一期就采用了以集中式供电为主的混合式供电方式。

采用分散式供电方式时，如果沿线有城市轨道交通主变电所可以资源共享，那么也可以从该主变电所引入中压电源，作为城市电网中压电源点的补充，这就构成了以分散式供电方式为主的混合式供电方式。

北京地铁10号线就采用了以分散式为主的混合式供电方式。

对于某一城市究竟应采用哪种供电方式，需要根据地铁和城轨交通用电负荷并结合该城市电网的具体情况进行分析。

若该城市的电力资源缺乏，变电站较少，采用分散供电方式时由于需要新建多个地区变电站而使投资增大，在此情况下采用集中供电方式就比较合适。

该供电方式具有管理方便、供电可靠性相对较高等优点。

若城市的电力资源较丰富，沿地铁和城轨交通线路的地区变电站较多且容量也足够给地铁和城轨交通供电，则采用分散供电方式可节约建设资金。

当城市电网的情况介于上述两种情况之间时，可考虑采用分散与集中相结合的供电方式。

四.外部电源对城市轨道交通供电的电压等级

对于为采用集中式供电方式的城市轨道交通供电系统，目前外部电源的电压等级一般为AC110Kv或AC63Kv，其中AC63Kv电压为东北电网所特有。

对于采用分散式供电方式的城市轨道交通供电系统，外部电源电压等级应与城市电网电压等级一致。

目前根据城市电网的情况，外部电源的电压等级有AC35Kv和AC10Kv两种。

由于AC35Kv这一电压等级在各大城市电网中将逐渐被AC110Kv取代，所以一般都采用AC10Kv的电压等级。

五.谐波及其治理

城市轨道交通中存在非线性负荷，除整流机组外，还存在大量荧光灯、UPS电源、变频器及软启动装置等，这些设备会产生大量的谐波，会使电力系统的正弦波形发生畸变，从而降低电能质量。

因此需要对谐波进行综合治理，从谐波产生的源头对它进行限制，并采取必要的技术措施降低谐波的危害程度。

1.谐波及其产生

在理想的干净供电系统中，电流和电压都是正弦波的。

在只含线性元件（电阻、电感及电容）的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波。

在电力系统中，谐波产生的根本原因是由于电流流经非线性负荷（如变压器、电子开关等）时，电流与所加的电压不呈线性关系而造成波形畸变，形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。

根据法国数学家傅里叶分析原理，任何非正弦曲线信号都可以分解成常数（直流量）、与原正弦函数频率相同的正弦波和一系列频率为原正弦函数倍数的正弦波。

与原正弦函数频率相同的正弦波称为基波或一次谐波，频率为原正弦函数倍数的正弦波称为高次谐波。

因此高次谐波的频率必然也等于基波的频率的若干倍，基波频率3倍的波称之为三次谐波，基波频率5倍的波称之为五次谐波，以此类推。

不管几次谐波，他们都是正弦波。

根据谐波频率的不同，可以分为奇次谐波（额定频率为基波频率奇数倍的谐波）和偶次谐波9额定频率为基波频率偶数倍的谐波）。

当电力系统向非线性负荷供电时，这些负荷在传递（如变压器）、变换（如交直流换流器）、吸收（如电弧炉）系统发电机所供给的基波能量的同时，又把部分基波能量转换为谐波能量，向电力系统倒送大量的高次谐波，使电力系统的正弦波形发生畸变，使电能质量降低。

城市轨道交通供电系统中的谐波源主要为电子开关型，即城市轨道交通中广泛使用的各种交直流换流装置（整流器、逆变器）以及双向晶闸管可控开关设备。

牵引供电系统是城市轨道交通供电系统的主要谐波源。

其中采用的牵引整流机组的容量、整流相数、接线方式等对正弦波形的畸变程度有较大的影响。

除牵引供电系统产生谐波外，动力照明系统也会产生谐波。

动力照明系统的

主要谐波源有变频器、荧光灯、高压气体放电灯、计算机、软启动装置、电容器。

2.谐波的危害

理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。

谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染。

其危害波及整个电网，对各种电气设备都有着不同程度的影响和危害。

谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面：

（1）谐波对供电线路产生了附加损耗，加大了电力运行成本；

（2）谐波降低了供电可靠性，影响各种电气设备的正常工作；

（3）谐波使电网中的电容器产生谐振，容易引发供电事故；

（4）谐波对附近的通信系统产生干扰，影响通信系统的正常工作。

3.谐波的治理

谐波治理属于综合性工程。

首先限制谐波源头，采取必要的技术措施将谐波含量降到最小，其次采取辅助措施，降低谐波的影响。

（1）限制电网谐波源头

限制电网谐波源头的主要措施有增加牵引整流机组的脉波数和安装滤波装置或谐波补偿装置等。

高次谐波电流与整流器的整流相数密切相关，即相数增多，高次谐波的最低次数变高，则谐波电流幅值减小。

为了减少牵引供电系统产生的谐波电流，城轨的牵引变电所采用两套带移相线圈的12脉波牵引整流机组，正常情况下，两台机组并联运行，形成24脉波整流，最大限度地抑制谐波的产生。

常用的滤波装置主要有无源滤波装置和有源滤波装置两类。

无源滤波装置可以对某次谐波及其以上的谐波形成低阻抗通路，从而起到抑制高次谐波的作用。

有源滤波装置利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等，但相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。

通过在主变电所（电源开闭所）或直接从城市电网引入电源的变电所设置谐波补偿装置，对谐波进行补偿。

有一种电能质量有源恢复系统，其装置既可补偿谐波，又可补偿无功功率。

（2）其它辅助措施

除了对谐波源的限制以外还可以采取选用D，Y11接线组别的三相配电变压器、将产生谐波的供电线路和对谐波敏感的供电线路分开的方法来降低谐波的影响。

采用D，Y11接线组别的三相配电变压器可以保证相电动势接近于正弦波，从而避免了相电动势波形畸变的影响。

三相不平衡和3n次谐波电流在一次绕组循环而不会传到电源系统中去。

将产生谐波的供电线路和对谐波敏感的供电线路分开就是将线性负荷与非线性负荷从公共连接点用不同的电路馈电，防止由非线性负荷产生的电压畸变加到线性负荷上去。

六.无功功率及其补偿

城市轨道交通中包含了大量的自然功率因数较低的用电设备，如动力设备的功率因数一般为0.8左右，荧光灯等气体放电灯的功率因数则只有0.5。

这些设备的存在使得供电系统的功率因数较低，就会增大供电线路和设备的能量损耗，使供电设备的利用率较低，因此必需进行适当的无功补偿。

城轨供电系统中无功功率主要来源于感性负载（如异步电动机、变压器、荧光灯等）。

另外，电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一定无功功率；

电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，这些装置工作时也会产生大量的谐波电流，谐波源都是要消耗无功功率的。

无功功率危害主要表现在以下几方面：

1.供电线路中增加了无功功率的有功损耗，导致变送电设备、供电线路、用电设备发热程度加重。

2.无功电流在供电线路上产生的电压降，导致线路末端的输出电压降低，致使用电设备的实际输出功率降低。

3.变送电设备的负荷容量一定，增加了无功容量Q，则有功输出容量P降低。

4.电网中的电流与电压的相位不同相，产生较为严重的谐波分量，导致供电网络电压不稳定和谐波干扰增大。

城市轨道交通供电系统对无功功率补偿的方式按其补偿装置的安装地点不同，可以分为以下几种：

1.就地补偿

就是将低压电容器组与电动机并联，通过控制、保护装置与电机同时投切。

这种方式适用于补偿电动机的无功消耗，以补偿励磁无功为主，它可较好地限制城轨供电系统的无功负荷。

对于荧光灯、气体放电灯的无功补偿也可采用就地补偿方式，让这些照明灯具自带电容器，将它们与自带电容器并联来补偿无功功率。

2.集中补偿

集中补偿又分为主变电所集中补偿和低压集中补偿。

主变电所集中补偿是针对中压网络的无功平衡，在主变电所中进行集中补偿。

其主要目的是改善高压侧电源的功率因数，提高降压变电所的电压和补偿变压器的无功损耗。

主变电所集中补偿装置一般连接在主变电所中压母线上，因此具有管理容易、维护方便等优点。

低压集中补偿是以无功补偿装置作为控制保护装置，将低压电容器组设在变电所低压0.4Kv母线上的补偿方式。

它能根据低压侧负荷水平的波动投入相应数量的电容器来进行跟踪补偿。

其主要目的是提高配电变压器的功率因数，实现无功的就地平衡，对降低中压网络和配电变压器的电压损失有一定作用，也有助于保证低压配电系统的电压水平。

可以替代就地补偿方式，是目前补偿无功最常见的手段之一。

集中补偿运行方式灵活，运行维护工作量小，寿命相对延长，运行更可靠。

但不能降低配电线路及电气设备的功率损耗，且控制保护装置复杂，首期投资相对较大。

集中补偿方式可与就地补偿方式结合使用。

第二节主变电所

如果外部电源采用集中式供电方式，则应建设城市轨道交通用的主变电所。

城轨主变电所的功能是接受城市电网提供的高压电源，经降压后为牵引变电所、降压变电所提供中压电源。

一.主变电所概述

城市轨道交通主变电所将城市电网的高压110KV（或220KV）电能降压后以35KV或10KV的电压等级分别供给牵引变电所和降压变电所。

根据城市轨道交通用电负荷的特点，城轨的主变电所一般沿线路布置。

根据线路末端的电压损失要求来确定主变电所的数量。

为保证供电的可靠性，城轨供电系统通常设置两座或两座以上主变电所。

主变电所按其降压方式的不同可分为三级电压制供电方式主变电所和两级电压制供电方式的主变电所。

图2-6和图2-7分别为它们的结构示意图。

图2-6三级电压制集中供电方式结构示意图

主变电所按其结构形式的不同，可以分为户外式、户内式和地下式三种。

其中户外式又可分为全户外式和办户外式。

为了降低成本、减少占地面积，城市轨

道交通主变电所多数采用户内式、办户外式或地下式，很少采用全户外式结构。

应根据新建主变电所位置在城市的中所处的地段来选择主变电所结构形式。

对于布设在市区边缘或郊区、县的主变电所，可采用布置紧凑、占地较小的半户外式结构；

对于布设在市区内及市中心区规划内的新建主变电所，宜采用户内式或地下式结构。

图2-7两级电压制集中供电方式结构示意图

不论采用何种结构形式，主变电所都由两路独立的电源进线供电两路电源同时运行，互为备用，以保证供电的可靠性和供电质量。

进线电源容量应满足远期时其供电区域内正常运行及故障运行情况下的供电要求。

二.主变电所的主要设备

主变电所中主要的电气设备是开关设备、主变压器、直流电源设备、自动监控设备。

1.主变压器

主变压器是城轨交通主变电所中的最主要的电气设备，其作用是将从城网引入的高压电源转换成城轨牵引供电系统所需要的中压电源。

目前，国内城市轨道交通主变电所均设置两台主变压器，互为备用。

正常情况下，两台变压器并列运行，各负担50%的用电负荷。

主变压器容量主变压器容量的选择应考虑近期实际负荷和远期发展的需求。

单台容量大约在20MVA～40MVA范围，主要考虑相邻变电所故障解列时应满足向该段牵引负荷越区供电的要求，应能满足正常运行时，每台变压器容量承担其所供区域内的全部牵引负荷和动力照明的供电。

当发生故障时，应满足如下条件：

（1）当一台主变压器发生故障时，另一台主变压器应能满足该供电区域高峰小时牵引负荷和动力及照明一、二级负荷的供电。

（2）当一座变电所因故解列时，剩余主变电所应能承担全线的动力和照明一、二级负荷及牵引负荷。

为了减少城网电压波动和负荷变化对城轨中压系统的电压质量影响，主变压器多采用有载调压型电力变压器。

有载调压开关具有就地、远方操作功能，安装在高压侧。

由于油浸式变压器价格低，应用成熟，国内城轨供电系统主变电所中大多采用三相、自冷油浸式、有载调压变压器，主变压器一般采用Y,d接线，主要有110/35kV、110/33kV和110/10kV三种形式。

我国有关标准规定，主变压器的110kv侧应采取中性点直接接地方式。

但实际运行中主变压器高压侧是否直接接地，则根据地区电网具体运行情况确定。

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。

由于城轨供电系统中压网络的电容电流较大，因此其主变压器的中性点应经过消弧线圈接地或小电阻接地。

对于采用Y,d接线的主变压器，当主变压器无中性点或中性点未引出时。

应装设专用的接地变压器。

接地变压器采用曲折形接法，并具有零序阻抗低，空载阻抗高，损失小的特性。

主变压器一般有重瓦斯保护、差动保护和主变压器过流保护等。

图2-8为变电所中主变压器的外形图。

2.开关设备

主变电所中的开关设备分为高压侧（110kv侧）开关设备和中压侧（35Kv或10kv侧）开关设备。

它们都是通断电路的重要设备。

110kv侧开关设备采用户内安装的110KV全封闭六氟化硫组合电器设备，SF6气体绝缘的金属封闭开关设备,简称GIS。

GIS是由各种开关电器：

断路器GCB、隔离开关DS、接地开关ES、母线、现地汇控柜LCP以及电流互感器CT、电压互感器VT和避雷器LA等组成的电力设备,具有结构紧凑、抗污染能力强、运行安全、外型美观、设备占用空间小等特点。

除母线为三相共箱式外，其余均为三相分箱式。

110kv侧GIS一般采用FS6断路器、液压操作机构。

图2-9为变电所中的开关设备外形图。

中压侧电压为35kV的中压开关设备多采用GIS，，以减小变电所的土建规模，但均为三相分箱式，采用真空断路器，操作机构为弹簧储能式或液压弹簧式，采用三工位隔离开关和接地刀闸。

中压侧电压为10kV的开关设备，则可采用空气绝缘的金属铠装开关柜，内部设有不同功能隔室，手车可为落地式或中置式。

3.直流电源设备

其作用是为监控设备、车站应急照明及紧急疏散标志等提供不间断直流电源。

线路正常时，直流电源设备为它的服务对象提供稳定的直流电源，并对蓄电池进行充电。

故障时由蓄电池提供1～2小时的直流供电。

图2-10为主变电所中直流电源设备。

4.自动监控设备

自动监控设备用于对变电所电气设备的监测和控制，并能对其进行远程控制和数据采集。

根据供电系统的运行状况，自动切换电气设备和设施故障自动切除，为城轨供电系统的安全、高效运行提供保障。

图2-10为主变电所中的自动监控设备。

三.主变电所向牵引变电所供电的接线方式

供电系统的安全性、可靠性是城市轨道交通正常运行的重要保证。

为此，牵引变电所均由两个独立的电源供电，考虑到地铁线路分布范围广，通常需要在沿线设置多个牵引变电所。

向牵引变电所供电的接线方式有多种方式，现归纳成以下几种典型形式：

1.环形供电接线方式

由两个或两个以上主变电所和所有的牵引变电所用输电线路联成一个环形。

如果采用这种接线方式，则当一个主变电所或一路输电线发生故障时，只要其母线仍保持通电，均不导致中断任何一个牵引变电所的正常工作，但其投资较大。

图2-12为环形供电示意图。

2.双边供电接线

由两个主变电所向沿线牵引变电所供电，通往牵引变电所的输电线都通过其母线联接，为了增加供电的可靠性，用双路输电线供电，而每路均按输送功率计算。

这种接线的可靠性稍低于环形供电。

当引入线数目较多时，开关设备较多，投资较大。

图2-13为双边供电示意图。

3.单边供电接线

当线路沿线只有一侧有电源时，则采用单边供电。

单边供电与环形供电和双边供电相比，其可靠性较差。

为了提高其可靠性，宜采用双回路输电线供电。

单边供电所用的设备较少，投资较少。

在双边供电和单边供电的情况下，为了减少供电设备和降低变电所的投资规模，每路输电线可以不必都进入所有的牵引变电所，而可以轮流地每隔一个变电所进入一个。

图2-14为单边供电示意图。

4.辐射形供电接线

每个牵引变电所用两路独立输电线与主变电所联接。

这种接线方式适用于轨道线路成弧形的情形。

这种接线的特点是接线简单、投资少，但当主变电所停电时，将全线停电。

图2-15为辐射形供电示意图。

在实际应用中，通常都是将上述四种典型接线方式的组合。

主变电所向牵引变电所供电方式的选择原则是：

当供电系统中的某一个元件发生故障或损坏时，它应能自动解列而不致破坏牵引供电。

下面以上海地铁一号线一期工程供电系统为例，加以说明。

图2-16为上海地铁一号线供电系统系统接线图。

该供电系统接线图有两个主变电所，以双回路输电线向牵引变电所和沿线车站区间用电的降压变电所供电。

主变电所采用双回路进线，以35Kv双路输电线向沿线牵引变电所作双边或单边供电，以10Kv双路输电线向降压变电所供电，其供电接线方式分别为单边供电或双“T”形供电，“T”形供电的特点是主变电所供电给其他降压变电所的负荷电流不流入本降压变电所。

这种接线方式建设投资比较低，而供电可靠性却相当高，当轨道线路延长时，可酌情在线路两端搭建主变电所，建设的灵活性较大。

第三节中压供电网络

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，便形成了中压网络，其功能类似于电力系统中的输电线路。

中压网络不是供电系统中独立的子系统，但是它却关系着外部电源方案、主变电所的位置及数目、牵引变电所及降压变电所的位置与数目、牵引变电所与降压变电所的主接线等问题。

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：

电压等级和构成形式。

一.中压供电网络的电压等级

1.国家中压配电现状及发展方向

我国现行中压配电标准电压等级有：

66kV、35kV、10kV。

随着城乡电气化事业的发展，只有一种10kV作为中低电压的分界，显然已不能满足城乡配电网发展要求。

我国第一个20kV一次配电的供电区，已经于1996年5月在苏州产业园区投进运行。

从前一段运行情况来看，其线损率大大低于10kV系统。

由此可见，20kV电压等级的这种特点，也适合于高密度负荷地区的城市电网。

2.国内城市轨道交通中压网络现状及发展思路

以往，因国家城乡电网中没有采用20kV这一电压等级，相应的开关柜等20kV设备，也没有跟