轨道交通供电系统简介

￣Ｄｉａｎｑｉ　Ｇｏｎｇｃｈｅｎｇ　ｙｕ　Ｚｉｄｏｎｇｈｕａ　．　轨道交通供电系统简介　喻成棵　（Ｉ－海申通地铁集团运营管理中心，上海２０００７０）　摘要：供电系统对于城市轨道交通系统的重要性不言而喻。现以城市轨道交通供电系统为主要研究对象，简要介绍城市轨道交通　供电系统，将其分为电源与主变电站系统、牵引供电系统、车站供电系统，对其主接线及继电保护配置进行介绍。　关键词：地铁；供电；牵引；变电站；接触网　．　１　电源与主变电站系统　１．１　电源　的协调工作也相对较少，易于实施。另外，由于集中式供电系　统与城市电网接口较少，相对独立，轨道交通系统向城市电力　公司的用电申请也容易协调，操作简单。　１．１．２混合供电　轨道交通电源由城市电网引入，根据城市的电网结构，采　用合适的供电方式。轨道交通系统作为城市电网的特殊用户，　城市电网应当向其进行可靠供电。一条城市轨道交通的用电　范围多在几公里到几十公里之间。供电系统的构成在可行性　研究阶段即需要与当地供电部门共同协商，得到确认并请当　地供电部门做供电电源的可行性研究报告，为城市轨道交通　以集中式供电为主，个别地区直接引入城市电网电源作　为补充，称为混合式供电，它能使供电系统更加可靠完善。在　轨道交通沿线某一地区取得３５　ｋＶ或１０　ｋＶ电源点困难的情况　下，采用集中供电方式。在轨道交通沿线另一地区取得３５　ｋＶ　或１０　ｋＶ电源点较方便的情况下，采用分散供电方式。这种供　电方式既拥有集中式供电的好处，又能确保重要负载的绝对　可靠。但其运营管理和设备选型极为不便，对整个城市轨道交　通供电系统的统一规划也较为不利。　１．２　主变电站　１．２．１主变电站设备　供电系统初步设计提供充分的依据和可靠的基础，为后继工　作的顺利开展创造条件。　１．１．１集中供电　由城轨专用主变电站构成的供电方案称为集中供电。沿　着城市轨道交通线路，根据用电容量和轨道交通线路的长短，　建设一座或多座地铁专用的主变电站。一般主变电站有两路　独立的电源，电压等级为１１０　ｋＶ。主变电站经过变压器变压　后，输出电压等级为３５　ｋＶ的交流电，为轨道交通的牵引供电　系统与供配电系统供电。　为减少占地面积，地铁主变电站一般建设在地下。它的主　要设备是两台主变压器和两台所用变压器。主变压器采用油　浸式变压器，容量应按城市轨道交通远期最大运量设计。　主变电站开关柜应选用ＳＦ　绝缘全封闭组合电器，以减少　占地面积。变电站平面布置应紧凑，便于设备运输、安装和运　行维护。　１１０ｋＶ与３５ｋＶ开关柜进线还配有避雷器，防止雷电波入侵。　１．２．２主变电站电气主接线　１．２．２．１高压侧接线形式　主变电站两路１１０　ｋＶ高压电源进线各带一台主变压器。　上海地铁绝大部分采用集中供电方式，极少部分采用混　合供电方式。除较早的线路牵引供电系统电压为３５　ｋＶ、供配　电系统电压为１０　ｌ　外，新建地铁线路牵引供电系统和供配电　系统电压均为３５　ｋＶ。　１．１．１．１供电质量　集中式供电的外部电源引自城市高压电网，电压等级高，　输电容量大，抗干扰能力强，电网电压波动小。另外，城轨主变　电站一般装设有载调压装置，因此中压侧电压相对稳定，供电　质量高。　１．１．１．２供电可靠性　高压侧采用“线路一隔离开关一断路器一变压器组”的接线方　式，这种方式接线简单、高压设备少、占地少、投资省、维护　简易。　１．２．２．２中压侧接线形式　主变电站３５　ｋＶ侧有接地变压器，接地变压器的作用就是　集中式供电由于主变电站进线电压等级高，电气设备的　绝缘等级、制造水平、继电保护配置等要求都比较高，线路故　障率较低。同时城市轨道交通供电系统相对独立，与城市电网　接口较少，城市其他负荷对城市轨道交通供电系统干扰较少。　因此，集中式供电可靠性较高。　１．１．１．３资源共享　当系统发生接地故障时，对正序、负序电流呈高阻抗性，对零　序电流呈低阻抗性，使接地保护可靠动作。　主变电站内１号主变向３５　ｋＶ一段母线供电，２号主变向　３５　ｌ，Ｖ二段母线供电。３５　ｋｖ一段母线与二段母线采用单母线　分段接线形式。正常运行时，两段母线分列运行，一／二段母线　电力资源共享、满足环境保护要求是城轨供电系统的发　展方向。采用集中式供电有利于主变电站电力资源的合理配　置。就上海地铁来说，由于其快速发展，地铁线路已由线织成　网。为了进一步增加供电可靠性，同一个主变电站可以同时为　分别有若干出线向下级牵引降压变电站或降压变电站３５　ｋＶ　一／二段母线供电。下级牵引降压变电站或降压变电站３５　ｋＶ　／二段母线各引一路出线向下一个牵引降压变电站或降压　电站或降压变电站进行供电，从而形成一个供电分区。　１．２．３主变电站继电保护配置　１１０　ｋＶ低压过流：当电流、电压超过额定电流、电压的时　一不同的轨交线路进行供电，使城市轨道交通供电系统网络化。　１．１．１．４工程实施　采用集中式供电时，由于轨道交通主变电站与城市电网　接口较少，外部电源引入路径相对较少，建设单位与城市规划　４　变电站供电。主变电站３５　ｋＶ一路出线能对３～４个牵引降压变　Ｄｉａｎｑｉ　Ｇｏｎｇｃｈｅｎｇ　Ｙｕ　Ｚｉｄｏｎｇｈｕａ！皇　三堡兰宴垫些－　候，主变高低压两侧开关跳闸以保护设备。　Ｉ１０　ｋＶ零流保护：利用接地时产生的零序电流使保护动　作的装置，主变高低压两侧开关跳闸以保护设备。　１１０　ｋＶ过负荷保护：当回路电流超过过负荷保护装置整　定值时，发出报警信号。　主变差动保护：主变压器两端输入的ＣＴ电流矢量差，当达　到整定值时，主变高低压两侧开关跳闸。　主变瓦斯保护：瓦斯保护是变压器内部故障的主保护，对　变压器匝间和层间短路、铁芯故障、套管内部故障、绕组内部　断线及绝缘劣化和油面下降等故障均能灵敏动作。当油浸式　变压器内部发生故障时，电弧会将使绝缘材料分解并产生大　量的气体，从油箱向油枕流动，其强烈程度随故障的严重程度　不同而不同，反映这种气流与油流而动作的保护称为瓦斯保　护，也叫气体保护。　３５　ｋＶ接地变、３５　ｋＶ一／二段母线进出线以及３５　ｋＶ母联开　关都具备相应过电流保护与零流保护。３５　ｋＶ母联开关还具有　各自投功能。　整理器组由３５　ｋＶ整流变开关、整流变压器、整流器、正负　极闸刀组成，整流变将３５　ｋＶ交流电降压并整流为Ｉ　５００　Ｖ直　流电。　鉴于两套整流机组接于同一段母线上，所以直流母线采　用不分段单母线接线。整流机组正极通过正极闸刀与正母线　相连，整流机组负极通过负极闸刀与负母线相连，直流正母线　设四路直流高速开关馈出线，负母线通过回流线与走行轨相　连，这样通过电动列车的受电器与接触网的接触滑行，就构成　了一个完整的直流牵引电动机受电回路。馈出回路通过直流　高速开关分别向左右两个方向的上、下行牵引网供电。线路末　端站可能只有两路馈出线，车辆段馈出线数量要根据需求设　置。馈出线的直流高速开关至正线触网间设触网闸刀，在上　行、下行同一供电分区绝缘分段处设有接触网联络闸刀。　２．Ｉ．４牵引变电站继电保护配置　２．１．４．１整流器组继电保护配置　牵引变压器电流速断保护：整流机组主保护，保护Ｉ　５００　Ｖ　母线至馈出线之间的相间短路故障，同时也是整流器本体保　护的后备保护。　３５　ｋＶ馈线纵差保护：用通信通道将输电线两端的保护装　置纵向连接起来，将两端的电气量如电流、功率的方向等传送　到对侧保护装置，并将两端的电气量进行比较，以判断故障在　本线路范围内还是在线路范围外，从而决定是否切断被保护　线路。　、　牵引变压器反时限过电流保护：保护动作时间随短路电　流的增大而减小，电流越大，保护越快。　牵引变压器定时限过电流保护：反时限过电流保护的后　备保护，动作时间小于反时限。．　牵引变压器零序电流保护：主保护，利用接地时产生的零　序电流使保护动作。　牵引变压器温度保护：变压器正常运行温度为７０￣９０℃。　１３５℃报警，１５０℃跳闸。　整流二极管保护：整流器内一个二极管故障时发出报警，　两个二极管故障开关跳闸。正负母排温度８Ｏ℃报警，９０℃跳　闸；散热器温度１４０℃报警，１５０℃跳闸。　整流器过电压保护：整流器交直流侧均设有过电压保护，　２牵引供电系统　２．１　牵引变电站　２．Ｉ．１牵引变电站位置确定　牵引变电站与车站内的降压变电站一起组成牵引降压混　合变电站，然而并不是每个车站都是牵引降压混合变电站。它　的设置取决于牵引系统网络结构、牵引网电压等级、牵引网电　压损失、供电质量，并涉及到杂散电流防护、线路能耗、土建造　价及运营维护等因素。　２．Ｉ．２牵引变电站设备　交流侧采用ＲＣ回路，直流侧采用ＲＣ回路加压敏电阻，保证两　侧的过电压被吸收。　２．１．４．２直流１　５００　Ｖ系统继电保护配置　Ｉ　５００　Ｖ直流高速开关的大电流脱扣保护：开关本体自带　保护，无延时跳开１　５００　Ｖ直流高速开关。　牵引变电站的主要设备是３５　ｋＶ开关柜、整流变、整流器、　直流１　５００　Ｖ正负母排、直流高速开关。　３５　ｋＶ开关柜应选用ｓＦ　绝缘全封闭组合电器，以减少占地　面积。３５　ｋＶ开关柜进线还配有避雷器，防止雷电波入侵。　整流器组由２４个整流二极管与２４个保护二极管组成，每　个牵引变电站有两套整流器组，每套整流器为６相１２脉波整　流，单独运行时输出的为ｌ２脉波的脉动电流，两套并列运行时　输出的为２４脉波的脉动直流电。　２．Ｉ－３牵引变电站电气主接线　牵引降压混合变电站采用３５　ｋＶ单母线分段运行。从主变　电流增量保护　与电流上升率ｄｉ／ｄｔ保护：电流增量保护　△，是接触网主保护，其保护范围是该牵引降压混合变电站的　近、中端，也能切除大电流脱扣保护范围内的较小的远端短路　故障。　ｋ正向过电流保护：作为中、近端短路故障的后备保护。　整定要求小于大电流脱扣保护的整定值，大于电流增量　值。　接触网热过负荷保护：根据电缆电流及接触网的发热量　等推算出电缆温度，当电缆温度超过整定值时，同一供电区域　两个直流高速开关跳闸。　电站或上一座变电站引进的两路３５　ｋＶ交流电源分别送至　３５　ｋＶ一／二段母线。每座牵引降压混合变电站有两组整流器　组，设置在同－－３５　ｋＶ母线上并联运行，这种接线保证两套整　流器组输出功率均匀，等效２４脉波整流，利于谐波治理。当牵　引降压混合变电一台整流机组解列时，由另一台整流机组在　允许过载的条件下继续运行。两座牵弓ｌ降压混合变电站各引　一双边联跳保护：故障情况下，为确保相邻牵引降压混合变　电站向同一故障区间供电的断路器可靠跳闸而增设的后备　保护。　框架泄漏保护：是切除直流设备正极对机壳（大地）发生　短路故障，接触网对架空线发生短路故障而设置的保护。电流　型框架保护是直流系统主绝缘击穿，故障站及相邻车站同一　供电区域共八台直流高速开关、两台整流机组３５　ｋＶ开关跳　路直流馈线对同一个区段的触网进行双边供电。当一座　牵引降压混合变电站两组整流器组都退出运行时，允许触网　单边供电。　机电信息２０１６年第ｌ２期总第４７４期　５　．ＪｌｌＩ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一＿电气工程与自动化◆Ｄｉａｎｑ　ｉＧｏｎｇｃｈｅｎｇ　ｙｕ　Ｚｉｄｏｎｇｈｕａ　　闸。电压型框架保护其时间整定要迟于钢轨电位限制装置，故　独立电源，正常时分段开关热备用，两段母线分段运行。降压　障站四台直流高速开关、两台整流机组３５　ｋＶ开关跳闸。　直流高速开关自动重合闸：当线路持续短路故障时，直流　高速开关会检测３次后闭锁，否则直流高速开关会自动重合闸。　钢轨过电压保护：钢轨过电压保护是在每个车站变电站　内设置钢轨电位限制装置，在钢轨和大地之间设置的保护装　置，用于消除钢轨对地存在的高电位，保障乘客和运营维护人　员的安全。　２．２接触网　变电站设两台３５　ｋＶ／４００　Ｖ降压配电变压器，单母线分列运　行。４００　Ｖ单母线分段接线，两段母线各自从两台降压配电变　压器处受电，正常运行时分段开关热备用。４００　Ｖ母线下设各　路出线，供站内动力照明负荷。　３．１．３降压变电站继电保护配置　降压配电变压器电流速断保护：整流机组主保护，保护　１　５００　Ｖ母线至馈线之间的相间短路故障，同时也是整流器本　体保护的后备保护。　降压配电变压器反时限过电流保护：保护动作时间随短　２．２．１接触网的作用及特点　接触网是电力牵引系统的重要组成部分，机车通过受电　弓或受电靴从接触网中得到电能，接触网保证了列车安全、可　靠、快速运行。接触网具有以下特点：　（１）接触网由于与电动车组在空间上的关系，和轨道一样　路电流的增大而自动减小，电流越大，保护越快。　降压配电变压器定时限过电流保护：反时限过电流保护　的后备保护，动作时间小于反时限。　降压配电变压器零序电流保护：主保护，利用接地时产生　的零序电流使保护动作。　降压配电变压器温度保护：变压器正常运行温度为７０～　９０℃。１４０℃报警，１５０℃跳闸。　３．２　动力照明　一无法采取备用措施。所以一旦接触网发生故障，整个供电区间　即全部停电。　（２）接触网下有许多电动车组在高速运动，运行中不可避　免地会产生受电弓离线而引起的电弧。再加上处于露天环境，　其发生故障的可能性较电力电缆线路要大得多。　（３）为了保证电动车组安全、可靠、质量良好地从接触网　取流，对接触网导线的高度、拉力值、定位器坡度，接触网弹　性、均匀度等都有定量要求。　２．２．２接触网的分类　类负荷：排烟风机、消防泵、主排水泵、自动售检票机、　二类负荷：局部通风机、普通风机、排污泵、自动扶梯、电　屏蔽门、电力监控、防灾报警、通信信号、人防系统、车站照明。　梯等。　三类负荷：空调、冷冻机、热风幕、广告照明、维修电源。　２．２．２．１柔性架空接触网　柔性架空接触网由带张力的柔性金属导线组成。在运行　过程中，受电弓与接触线保持可靠的弓网张力，并进行取流。　４结语　随着城市的发展，城市轨道交通在公共交通系统中的地　位越来越重要。地铁在发展建设初期主要依赖于地下工程隧　道开挖等相关技术的进步，然而供电系统作为城市轨道交通　系统后期开通运营的重要部分，相当于人的中枢系统。没有可　靠安全的供电系统，列车牵引系统以及车站动力照明系统就　没有足够的动力支持，就不可能有城市轨道交通的正常运行。　其主要特点是以线索形式存在，隧道净空要求较大，运营维护　的工作量也较大，但在露天可靠性较高。上海轨道交通地面及　高架线路绝大部分采用柔性架空接触网。　２．２．２．２刚性架空接触网　刚性架空接触网将传统的接触线夹装在汇流排中，靠其　自身的刚性保持接触线的固定位置。刚性架空接触网节省隧　道空间，可靠性高，耐磨性好，接触网零件简单，维修成本低。　上海轨道交通线路地下车站均使用刚性架空接触网。　２．２．２－３接触轨式接触网　接触轨式接触网是沿线路敷设的与轨道平行的附加轨，　又称为第三轨，电动车组由伸出的受电靴与之接触而接受电　能。接触轨式接触网具有构造简单、安装方便、维修性好、投资　省、寿命长等优点。上海地铁十六号线采用接触轨式接触网。　因此，了解相关轨道交通供电系统的主要技术与革新显得尤　为重要。　３供配电系统　３．１降压变电站　３．１．１　降压变电站位置确定　降压变电站的设置原则是每站设一座降压变电站，在有　牵引变电站的车站，降压变电站应与牵引变电站合建，对于枢　纽站、站内商铺这种用电需求较大的车站需要设跟随式降压　变电站。降压变电站的位置应靠近负荷中心，尽量靠近大负荷　空调设施的冷水机组，以缩短电缆长度和减小电缆截面，降低　能耗。　收稿日期：２０１６—０４—０５　３．１．２降压变电站电气主接线　降压变电站３５　ｋＶ单母线分段接线，两段母线各引入一路　６　作者简介：喻成棵（１９８７－－），男，上海人，助理工程师，研究方　向：轨道交通机电。