城市轨道交通供电系统概述课件.pptx

1、 城市轨道交通供电系统是城市轨道交通的动力源泉，在为线路上运行的机车提供所需要的牵引负荷的同时，为车站、区间、车辆段、控制中心（operating control center，OCC）等其他建筑物提供其所需要的动力照明电能。在城市轨道交通运营过程中，供电一旦中断，不仅会造成城市轨道交通运输系统的瘫痪，而且会危及乘客的生命安全，造成财产损失。因此，城市轨道交通供电系统的有效运行是城市轨道交通系统安全可靠运行的重要保障。电力牵引用于轨道交通系统已有100多年的历史，随着经济和科学技术的不断发展，用于轨道交通的电力牵引方式有许多不同的制式出现。这里所说的制式，是指供电系统向电动车辆或电力机车供电所

2、采用的电流和电压制式，如直流制或交流制、电压等级、交流制中的频率（工频或低频）及交流制中是单相或三相等。1城市轨道交通供电系统的供电制式城市轨道交通供电系统的供电制式经过了如下几个发展阶段：3 调速性能。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。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，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，都可以实现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。1 起动加速性能。要求起动加速力大且平稳，即恒定的、大的起

3、动力矩，便于列车快速平稳起动。1.供电制式的发展 （1）直流制式。为了满足城市轨道交通车辆速度快、能耗小、平稳舒适的运输要求，对动力车辆有如下要求：1.供电制式的发展 直流串励电动机的机械特性(转矩与转速的关系特性)正符合重载时速度低、轻载时速度高的要求。此外，从直流串励电动机的起动和调速方法看，也是比较容易实现的。为了限制直流串励电动机刚接通电源时起动电流太大和正常运行时为了降速而降低其端电压，最早采用在电动机回路中串联大功率电阻的方法来达到限流和降压的目的。这种方法容易实现，但在列车起动和调速过程中却造成了大量的能量损耗，很不经济。尽管如此，由于局限于一定时期的技术发展水平，采用直流串励电

4、动机作为牵引动力就成为最早也是迄今为止被长期采用的形式，这就是供电系统直接以直流电向电动车辆或电力机车供电的电力牵引“直流制式”。76%1.供电制式的发展 （2）低频单相交流制。随着矿山和干线电力牵引的发展，列车需要的功率越来越大，如果采用直流供电制式，则受直流串励电动机端电压不能太高的限制，会导致供电电流很大，因而供电系统的电压损失和能量损耗必然增大，由此出现了低频单相交流制。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限制，这种制式采用了在原理上与直流串励电动

5、机相似的单相交流整流子牵引电动机。这种电动机存在整流换向的问题，其困难程度随电源频率的升高而增大。由于采用低频电源使供电系统复杂化，需要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输出，因此没有得到广泛应用，只在少数国家的工矿和干线上应用。1.供电制式的发展 （3）工频单相交流制。工频单相交流制式既保留了交流制可以升高供电电压的长处，又仍然采用直流串励电动机作为牵引电动机。在电力机车上装设降压变压器和大功率整流设备，可将高压电源降压，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整流装置的电压来实现。工频单相交流制是当今世界

6、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25 kV。76%1.供电制式的发展 （4）三相交流制。三相交流制式的供电网比较复杂，必须有两根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，因此已经被淘汰。牵引网的供电制式主要指电流制、电压等级和馈电方式。目前，城市轨道交通的直流牵引电压等级有DC 600 V、DC 750 V和DC 1 500 V等多种。我国国家标准城市轨道交通直流牵引供电系统（GB/T 104112005）规定了DC 1 500 V和DC 750 V两种电压制式。电压制式与馈电方式是密不

7、可分的。一般架空接触网馈电方式电压等级采用DC 1 500 V。第三轨馈电方式电压等级主要采用DC 750 V，第三轨馈电方式电压等级有向DC 1 500 V发展的趋势。2.供电制式的选择原则2.供电制式的选择原则供电制式的选择原则如下：2 供电安全可靠。城市轨道交通是城市交通的骨干，一旦牵引网发生故障，造成列车停运，就会影响市民出行，引起城市交通混乱。因此，安全可靠是选择供电制式最重要的条件。1 供电制式与客流量相适应。客流量是轨道交通设计的基础。根据预测客流量大小，选择适用的电动客车类型和列车编组数量，一般大运量的轨道交通系统采用DC 1 500 V电压和架空接触网馈电方式，中运量的轨道交

8、通系统采用DC 750 V电压和接触轨馈电方式。3 城市轨道交通是城市的基础设施，应注重环境和景观效果。4 牵引网使用寿命长，维修工作量小，是降低轨道交通运营成本的重要条件。3 便于安装和事故抢修。选用的牵引网应便于施工安装和日常维修；一旦发生牵引网故障，应便于抢修，尽快恢复运营。2.供电制式的选择原则1 城市轨道电动车辆的功率不是很大，供电半径也不大，因此供电电压不需要太高。2 在同样的电压等级下，直流制因为没有电抗压降而比交流制的电压损失小。城市轨道交通供电系统的供电线路处在城市建筑群之间，供电电压不宜太高，以确保安全。34 大功率半导体整流元件（晶闸管）的出现，使得可在直流制电动车辆上采

9、用整流器对直流串励电动机进行调压调速，减少了能耗，给直流制增添了新的生命力。城市轨道交通几乎毫无例外地都采用直流供电制式。采用直流供电制式的原因有如下几点：3.采用直流供电制式的原因 （5）快速晶闸管出现后，由快速晶闸管等组成的逆变器可将直流电逆变成频率可以调节的交流电，这样就实现了多年来想采用结构简单、结实的鼠笼式异步电动机作为牵引电动机的愿望。这种用改变频率来改变异步电动机速度的方法（简称变频调速），可使异步牵引电动机的性能满足牵引列车特点的要求。虽然电动车辆上采用的是交流异步牵引电动机，但其供电电压还是直流的，所以还属于直流制式的范畴，这就给直流制的应用提供了一个更广阔的发展空间。3.采

10、用直流供电制式的原因 城市轨道交通作为城市电网的一个用户，一般是从城市电网取得电能，无须单独建设电厂，城市电网也把城市轨道交通作为一个重要用户。因此，无论是干线电气化铁路、工矿电力牵引，还是城市轨道交通的电力牵引用电，均由国家统一电网供给。城市轨道交通供电系统主要由外部供电系统、牵引供电系统、动力照明供电系统和SCADA系统组成。2城市轨道交通供电系统的组成 发电厂（站）是发出电能的中心，一般可分为火力发电厂、水力发电站和原子能核电站等。为减少线路的电压损失和能量损耗，发电厂中发电机发出的电能要先经过升压变压器升高电压，然后以110 kV或220 kV的高压，通过三相传输线输送到区域变电站。在

11、区域变电站中，电能先经过降压变压器把110 kV或220 kV的高压降低电压等级（如10 kV或35 kV），再经过三相输电线输送给本区域内的各用电中心。城市轨道交通牵引用电既可以从区域变电站高压线路得电，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的具体情况及牵引用电容量的大小。1.外部供电系统1.外部供电系统 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，将系统输电电压由110 kV或220 kV降低到10 kV或35 kV，以适应直流牵引变电所的需要。从管理的角度看，主降压变电站可以由电力部门直接管理，也可以归属于地方城市轨道交通部

12、门管理。如图1-1所示，虚线2以上，即从发电厂（站）经升压变电站、高压输电网、区域变电站至主降压变电站部分通常被称为城市轨道交通供电系统的外部（或一次）供电系统。城市轨道交通企业作为城市电网的重要用户，属于一级负荷，需要引入双路高压电源对其供电系统进行供电。电源由城市电网引入，根据不同城市的电网构成，采用合适的供电方式。城市轨道交通系统作为城市电网的特殊用户，一般用电范围多在几千米到几十千米，采用何种供电方式，与城市电网的构成及城市轨道交通线路的分布及电源的容量有密切关系。城市轨道交通供电系统对城市电网来说是用户，对城市轨道交通的各类负荷来说是电源。城市电网对城市轨道系统的供电方式可分为以下三

13、种：1.外部供电系统 （1）集中供电。由城市轨道专用主变电站构成的供电方案称为集中供电。如图1-2所示，沿着城市轨道交通线路，根据用电容量和城市轨道交通线路的长短，建设一座或几座轨道交通专用的主变电站。主变电站应有两路独立的电源，一般为110 kV或63 kV，由发电厂或区域变电站对其供电。主变电站经过变压后，输出AC 35 kV或AC 10 kV等级的电压，给城市轨道交通的牵引供电系统和动力照明系统供电。1.外部供电系统 图1-2集中供电 上海、香港地铁采用三级电压制集中供电方式（见图1-3），集中供电的牵引供电系统的电压为35 kV，供配电系统的电压为10 kV。目前，国内只有少数城市采用

14、这种形式。1.外部供电系统 图1-3三级电压制集中供电方式 广州地铁采用两级电压制集中供电方式（见图1-4），牵引供电系统和供配电系统的电压均采用33 kV。目前，国内采用集中供电的城市多采用此种形式。1.外部供电系统 图1-4两级电压制集中供电方式1.外部供电系统20%主变电站。城市轨道负荷作为一级负荷，主变电站进线一般为双电源。双电源的设计有两种：一种是两路电源均为专用线路，电源可靠性高；另一种是一路电源为专用线路，另一路电源并接于供电线路，与其他用户共享电源。并接电源的可靠性虽然相对来说较差，但也能满足地铁供电的要求。两路电源分列运行，相互备用。同时，在设计中，通过地铁环网电缆将两座主变

15、电站的母线进行连接，即使两路外部电源同时发生故障，也可以实现主变电站之间的相互支援，提高外部电源的安全可靠性。主变电站进线电源侧可采用内桥接线或线路变压器组接线（见图1-5），采用何种接线形式，主要考虑外部电源的可靠程度和电力部门的要求。内桥接线的可靠性要略高于线路变压器组接线，主要体现在当一路进线电源故障时，完全不影响地铁供电系统的运行，而此时线路变压器组接线就只能有单台主变压器运行。主变电站中压侧采用单母线分段接线形式，当其中一台主变压器或一路中压进线不能正常运行时，通过母联开关合闸来保证地铁供电的可靠性。当外部电源不稳定时，通过主变压器有载调压开关来保证地铁电源的稳定性和可靠性。图1-5

16、主变电站进线电源侧接线形式1.外部供电系统1.外部供电系统 中压供电网络。中压电缆可纵向把上级主变电站和下级牵引变电所、降压变电站连接起来，横向把全线的各个牵引变电所、降压变电站连接起来，便构成了中压供电网络，其功能类似于电力系统中的输电线路。城市轨道交通的中压交流环网系统可采用牵引与动力照明相对独立的网络形式，也可采用牵引与动力照明混合的网络形式。对于牵引与动力照明相对独立的网络，牵引供电网络与动力照明网络的电压等级可以相同，也可以不同。供电系统中的中压供电网络应按列车运行的远期通过能力设计，对互为备用线路，当一路退出运行时，另一路应能承担其一、二级负荷的供电，线路末端电压损失不宜超过5。1

17、.外部供电系统 一个运行可靠、调度灵活的环网供电系统一般需满足以下设计原则和技术条件：供电系统应满足经济、可靠、接线简单、运行灵活的要求。供电系统(含牵引供电)容量按远期高峰小时负荷设计，根据路网规划的设计可预留一定裕度。供电系统按一级负荷设计，即平时由两路互为备用的独立电源供电，以实现不间断供电。环网设备容量应满足远期最大高峰小时负荷的要求，并满足当一个主变电站发生故障时（不含中压母线故障），另一个主变电站能承担全线牵引负荷及全线动力照明一、二级负荷的供电。1.外部供电系统 电缆载流量不仅应满足最大高峰小时负荷的要求，同时当主变电站正常运行，环网中一条电缆故障时，应能保证城市轨道交通正常运行

18、。此时可不考虑主变电站和环网电缆同时故障的情况，但需考虑主变电站与一个牵引变电所同时故障（三级负荷除外）的情况。在中压环网电压等级的选取上，国内一般有35 kV/33 kV和10 kV两种等级，环网电压高，可相应减少主变电站的个数和降低线路损耗。目前，国内已经开通和即将开通的地铁线路多数采用集中供电方式，中压环网电压多采用35 kV/33 kV等级。（2）分散供电。在地铁沿线直接由城市电网引入多路地铁所需要的电源而构成的供电系统称为分散供电，如图1-6所示。这种供电方式多为10 kV电压等级。因为我国各大城市的电网在逐渐取消或改造35 kV这一电压等级，因此要想在几千米到几十千米的范围内引入多

19、路35 kV电源是不可能的。分散供电要保证每座牵引变电所或降压变电站皆能获得双路电源。北京地铁主要采用分散供电方式。采用分散供电方式，可以取消地铁主变电站，从而节省主变电站的投资，但是地铁电源系统能否采用这种方式与城市电网的发达情况密切相关。采用集中供电方式可使地铁供电系统与外界的接点减少，便于日后的运营维护。图1-6分散供电1.外部供电系统1.外部供电系统 （3）混合供电。混合供电方式是前两种供电方式的结合，以集中供电方式为主，在个别地段引入城市电网电源作为集中供电方式的补充，使供电系统更加完善和可靠。武汉轨道交通、北京城市轨道交通1号线和2号线即采用此种供电方式。城市轨道交通的电能由国家统

20、一电网供给，其电力牵引供电系统如图1-7所示。主降压变电站（当它不属于电力部门时）及其以后部分分为以牵引变电所为主的牵引供电系统和以降压变电站为主的动力照明供电系统。如图1-8所示，主降压变电站及其以后部分统称为牵引供电系统，其包括牵引变电所、馈电线、接触网、钢轨及回流线等。在城市轨道交通牵引供电系统中，电能从牵引变电所经馈电线、接触网输送给电动列车，再从电动列车经钢轨（轨道回路）、回流线流回牵引变电所。由馈电线、接触网、轨道回路及回流线组成的供电网络称为牵引网。牵引供电系统即由牵引变电所和牵引网组成，其中，牵引变电所和接触网是牵引供电系统的主要组成部分。（1）牵引变电所。牵引变电所是牵引供电

21、系统的核心，一般由进出线单元、变压变流单元和馈出单元构成。其主要功能是将中压环网的AC 35 kV或AC 10 kV三相高压交流电源经变压变流单元转换为城市轨道交通列车所需的电能，并分配到上下行区间供列车牵引用。在城市轨道交通工程中，由于地下土建工程造价较高，因而在地面有条件时最好将牵引变电所建于地面。但降压变电站由于压损的要求仍应设在车站内，这样可以有效地降低工程造价。2.牵引供电系统 馈电线。接触网。30%轨道回路。40%回流线。75%2.牵引供电系统20%（2）牵引网。动力照明供电系统可为除城市轨道交通列车以外的其他所有地铁用电负荷提供电能，其中包括通信、信号、事故照明和计算机系统等许多

22、一级负荷。这些一级负荷均与城市轨道交通正常运营密不可分，所以在设计、设备选型和施工过程中都应对动力照明供电系统给予足够的重视。城市轨道交通降压变电站与城网10 kV变电站一样，都是将中压电经变压器变为380 V或220 V电源供动力照明负荷用电。在引入电源方面，每座降压变电站均从中压环网引入两路电源，有条件时还应从相邻变电站或市电引一路备用电源；对于特别重要的负荷（如控制系统计算机设备等负荷），还应设蓄电池作为备用电源。城市轨道交通动力照明供电系统如图1-9所示。图1-9城市轨道交通动力照明供电系统3.动力照明供电系统3.动力照明供电系统20%其中，降压变电站将三相电源进线电压降压变为三相38

23、0 V交流电，其主要用电设备是风机、水泵、照明设备、通信设备、信号设备、防火报警设备等。在动力供电系统中，降压变电站一般每个车站设置一个，有时也可几个车站合设一个；也可将降压（动力）变压器附设在某个牵引变电所之中，构成牵引与动力混合变电站。配电所（室）仅起到电能分配的作用。降压变电站通过配电所（室）将三相380 V和单相220 V交流电分别供给动力、照明设备，各配电所（室）对本车站及其两侧区间动力和照明等设备配电。3.动力照明供电系统20%地铁车站及区间照明电源采用380 V/220 V系统三相五线制系统配电。正常时，工作照明、事故照明均由交流电源供电；当交流电源失去时，事故照明自动切换为蓄电

24、池供电，确保事故期间必要的紧急照明。配电所（室）与用电设备之间的导线为配电线路。车站设备负荷可分为3级：一级负荷（包括事故风机、消防泵、主排水站、售检票机、防灾报警、通信信号、事故照明）、二级负荷（包括自动扶梯、普通风机、排污泵、工作照明）和三级负荷（包括空调、冷冻机、广告照明、维修电源）。对于一、二级负荷，一般有两路电源供电，当一台变压器故障解列时，另一台变压器可承担全部一、二级负荷。三级负荷由一路电源供电，当一台变压器故障解列时，可根据运营需要自动切除。SCADA系统是贯穿于整个供电系统的监视和控制部分，是控制技术在电力系统中的应用。SCADA系统由控制中心、通信通道和被控站系统组成，对全

25、线变电站及沿线供电设备实行集中监视、控制和测量。其中，控制中心由数据服务器、通信前置机、工程师工作站及模拟盘显示器等组成，实现对所采集数据的分析、计算、存储、设备状态监视及控制命令的发送等功能。被控站系统由变电站上位可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）或后台计算机、所内通信通道及下位PLC组成，实现对设备状态、信号等数据的采集、整理、简单分析计算及所内控制等功能。4.SCADA系统37 城市轨道交通供电系统应具备安全、可靠、调度方便、技术先进、功能齐全、经济合理的特点，并应具备以下一些功能。3城市轨道交通供电系统的功能65%85%50%65%4

26、5%供电系统的服务对象除运送乘客的电动车辆外，还有保证乘客在旅行中有良好卫生环境和秩序的通风换气、空调设施、自动扶梯、自动售检票、屏蔽门、排水泵、排污泵、通信信号、消防设施和各种照明设备。在这个庞大的用电群体中，用电设备有不同的电压等级和电压制式，既有固定的，也有时刻在变化着的，供电系统就是要满足这些不同用途的用电设备对电源的不同需求，使城市轨道系统的每种用电设备都能发挥各自的功能和作用，保证城市轨道系统能够安全、可靠地运营。1.全方位的服务功能 无论供电系统如何构成，采用什么样的设备，安全、可靠地供电总是第一位的。在系统中发生任何一种故障，系统本身都应有备用措施，以保证城市轨道系统的正常运营

27、。供电系统设计以双电源为主要原则，当一路电源故障时，另一路电源应能保证系统的正常供电。例如，主变电站、牵引变电所和降压变电站为双电源、双机组；动力照明的一、二级负荷采用双电源、双回路供电；牵引网同一馈电区采用双边供电（双电源供电）方式，当一座牵引变电所故障解列时，靠两个相邻变电站的过负荷能力对牵引网进行大双边供电，保证列车可以照常运行而不受影响。2.故障自救功能 系统应有完善、协调的保护措施，供电系统的各级继电保护应相互配合和协调，当系统发生故障时，应当只切除故障部分的设备，从而使故障范围缩小。系统的各级保护应当满足可靠性、灵敏性、速动性、选择性的要求。对牵引供电系统而言，为保证乘客的安全，保

28、护的速动性是第一位的，其保护的原则是“宁可误动作，不可不动作”。误动作可以用自动重合闸校正，而保护不动作则很危险，因为直流电弧在不切断电源时可以长时间地维持燃烧，从而威胁乘客安全。由于城市轨道交通供电系统中压交流侧保护应与城市电网的保护相配合和协调，因此，其保护的选择性也受到制约。3.自我保护功能 系统中任何一个环节的操作都应有相应的联锁条件，不允许因误操作而导致发生故障。尤其是各种隔离开关（无论是电动还是手动）或手车式开关的隔离触头，都不允许带负荷操作。防止误操作的联锁条件可以是机械的，也可以是电气的，还可以是电气设备本身所具备的或是在操作规程和程序上严格规定的。防止误操作是保证系统安全、可

29、靠运行所不可缺少的环节。4.防止误操作的功能 系统应能在控制中心进行集中控制、监视和测量，并应能根据运行需要，方便、灵活地进行调度，变更运行方式，分配负荷潮流，使系统的运行更加经济合理。当系统发生故障而使一路或两路电源退出运行时，为保证地铁列车的正常运行，电力调度可以对供电分区进行调度和调整，以达到安全可靠、经济运行的目的。5.方便灵活的调度功能 系统应能进行本地和远程控制，并可以方便地进行操作转换，系统各环节的运行状态应有明确的显示，使运行人员一目了然。各种信号显示应明确，事故信号和预告信号应分别显示。各种电量的测量和电能的计量应准确，并便于运行人员查证和分析，牵引用电和动力照明用电应分别计

30、量，以利于对用电指标进行考核和经济分析。在控制中心应能对整个供电系统进行控制、信号显示、各种量值的计量统计。6.完善的控制、显示和计量功能7.电磁兼容功能20%国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）对电磁兼容性（electro magnetic compatibility，EMC）的定义为设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。其中，“任何事物”可以是设备、装置、系统，也可以是有生命的生物或无生命的物体。城市轨道车辆是强电、弱电多个系统共存的电磁环境，为了使各种设备或系统能在这个

31、环境中正常工作，且不对该环境中其他设备、装置或系统构成不能承受的电磁骚扰，各种电气和电子设备的系统内部以及与其他系统之间的电磁兼容显得尤为重要。供电系统及其设备在地铁这个电磁环境中，首先是作为电磁骚扰源存在的，同时也是敏感设备。在城市轨道的电磁环境中，供电系统与其他设备、装置或系统应是电磁兼容的。在技术上应采取措施抑制骚扰源，消除或减弱电磁耦合，提高敏感设备的抗干扰能力，以达到各系统的电磁兼容，使城市轨道车辆安全可靠地运行。我国自1969年在北京建成第一条地下铁道以来，相继已有上海、广州、南京等城市的轨道交通投入商业运营。国内正在运营或将要运营的城市轨道交通的供电系统主要采用架空式接触网和接触轨式（第三轨式）接触网两种馈电类型。其中，北京、天津等地铁采用DC 750 V的第三轨馈电，无锡地铁采用DC 1 500 V的第三轨馈电，电压提高到1 500 V是第三轨馈电技术发展的一个方向；上海、南京等地铁采用DC 1 500 V架空式接触网馈电。4国内城市轨道交通供电系统的发展现状