城市軌道交通供電系統(tǒng)講義

1、第二章城市軌道交通供電系統(tǒng)描述第一節(jié)供電系統(tǒng)的組成與功能地鐵供電系統(tǒng)是為地鐵運營提供所需電能的系統(tǒng)，它不僅為地鐵電動列車提供牽引用 電，而且還為地鐵運營服務(wù)的其它設(shè)施提供電能，如照明、通風、空調(diào)、給排水、通信、信號、防災(zāi)報警、自動扶梯等。地鐵供電系統(tǒng)一般包括外部電源、主變電所（或電源開閉所）、牽引供電系統(tǒng)、動力照明供電系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)。其中，牽引供電系統(tǒng)包括牽引變電所和牽引網(wǎng)，動力照明供電系統(tǒng)包括降壓變電所和動力照明配電系統(tǒng)?；脽羝?6地鐵系統(tǒng)是一個重要的用電負荷。按規(guī)定應(yīng)為一級負荷，即應(yīng)由兩路電源供電，當任何一路電源發(fā)生故障中斷供電時，另一路應(yīng)能保證地鐵重要負荷的全部用電需要。在地鐵供電系

2、統(tǒng)中牽引用電負荷為一級負荷，而動力照明等用電負荷根據(jù)它們的實際情況可分為一級、二級或三級負荷。地鐵外部電源供電方案，可根據(jù)實際情況不同分為集中供電方式、分散供電方式和混合供電方式。幻燈片27第二節(jié)變電所的分類地鐵供電系統(tǒng)中一般設(shè)置三類變電所，即主變電所（分散式供電方式為電源開閉所）、降壓變電所及牽引降壓混合變電所。主變電所是指采用集中供電方式時，接受城市電網(wǎng)35kV及以上電壓等級的電源，經(jīng)其降壓后以中壓供給牽引變電所和降壓變電所的一種地鐵變電所。降壓變電所從主變電所（電源開閉所）獲得電能并降壓變成低壓交流電?；脽羝?8牽引變電所從主變電所 （電源開閉所）獲得電能，經(jīng)過降壓和整流變成電動列車牽引

3、所 需要的直流電。主變電所：專為城市軌道交通系統(tǒng)提供能源的樞紐。牽引變電所：為列車提供適應(yīng)的電源。降壓變電所（配電變電所）：為車站、隧道動力照明負荷提供電源?；脽羝?9第四節(jié) 供電系統(tǒng)主要運行方式1 10kV系統(tǒng)運行方式1.1 正常運行方式變電所10kV母聯(lián)開關(guān)和開閉所間聯(lián)絡(luò)開關(guān)均處于打開狀態(tài)，每座變電所由2回電源供電，兩段10kV母線分列運行。變電所由開閉所按不同的供電分區(qū)供電。1.2其它運行方式1.2.1故障或檢修運行方式開閉所一回10kV外電源退出時的運行方式時，合上開閉所母聯(lián)開關(guān)，由另一回10kV外電源向該開閉所供電范圍內(nèi)所有變電所供電。非開閉所一回10kV進線電源退出運行時，合上該變

4、電所母聯(lián)開關(guān)，由另一回10kV進線電源向該變電所供電?；脽羝?51.2.2應(yīng)急運行方式當一座開閉所的2回外電源均退出運行時，合上開閉所間聯(lián)絡(luò)開關(guān)，由相鄰開閉所支援供電。 支援供電時保證不使兩個開閉所電源連通，并且支援范圍不越過退出運行的供電分區(qū)。幻燈片362 DC750V系統(tǒng)運行方式2.1正常運行方式正極進線開關(guān)及其電動隔離開關(guān)、饋線開關(guān)、上網(wǎng)電動隔離開關(guān)、負極電動隔離開關(guān)合閘，使正極接觸軌和負極走行軌帶電。備用饋線柜開關(guān)及饋線開關(guān)旁路電動隔離開關(guān)、越區(qū)電動隔離開關(guān)分閘。相鄰兩變電所構(gòu)成雙邊供電。幻燈片372.2其它運行方式方式一：同一牽引變電所內(nèi)的兩套牽引整流機組，一套退出運行，另一套繼續(xù)運

5、行。 方式二：某一饋線開關(guān)退出運行，由備用饋線開關(guān)代替其向接觸軌供電。方式三：當一個牽引變電所退出運行，其供電區(qū)段由相鄰牽引變電所單邊或大雙邊供電。幻燈片38第三章所內(nèi)典型設(shè)備簡介第一節(jié)10kV中壓開關(guān)柜及保護1、10kV開關(guān)柜10kV開關(guān)柜主要有環(huán)網(wǎng)進出線柜、外電源進出線柜（開閉所）、饋線柜、母聯(lián)柜、母聯(lián)提升柜、PT柜等組成。10kV開關(guān)柜一般有斷路器室、低壓室、電纜室、母線室、柜頂小母線室及線路PT室（主要用于環(huán)網(wǎng)進出線柜，用于安裝測量線路電壓的電壓互感器）組成。幻燈片39開關(guān)柜內(nèi)各隔離室均采用由開關(guān)柜頂部泄壓。在柜體的頂部裝有可翻轉(zhuǎn)的活門，一側(cè)用合頁固定死另一側(cè)用塑料螺栓固定。當發(fā)生內(nèi)部

6、燃弧故障時， 通過排放熱氣到柜體外部，防止隔室里氣壓過大，消除對操作人員的危害。環(huán)網(wǎng)進出線柜、外電源進出線柜（開閉所）、饋線柜、母聯(lián)柜內(nèi)主要有斷路器、帶電顯示器、母線、保護單元等組成。主要是帶負荷分斷一次回路。當系統(tǒng)存在故障時，由保 護單元發(fā)出指令，使其斷開一次回路，減少故障對設(shè)備危害及事故的發(fā)生?；脽羝?0成套10kV開關(guān)柜一般將母線安裝在斷路器柜內(nèi)，電纜室內(nèi)線纜設(shè)計為下進上出，母聯(lián)提升柜主要用于對成排開關(guān)柜母線提升用，一般不對其進行操作， 柜內(nèi)沒有斷路器， 不能帶負荷分斷，因此它與母聯(lián)柜之間存在連鎖關(guān)系。PT柜內(nèi)主要有電壓互感器、帶電顯示器、母線等組成，主要用于測量10kV系統(tǒng)的母線電壓，

7、將電壓量經(jīng)電壓測量回路將得到的電量傳給保護單元?；脽羝?1為了安全和便于操作，開關(guān)柜不同元件之間設(shè)有必要的聯(lián)鎖裝置：只有當斷路器小車處于斷開位置時，才能操作接地開關(guān)。只有當斷路器處于“分閘”狀態(tài)，接地開關(guān)斷開，高壓室門關(guān)閉的情況下，斷路器小車 才可能移動。只有在斷路器“分閘”狀態(tài)，才能將斷路器小車推入至工作位或試驗位。防止斷路器合閘位置時抽出手車。在斷路器手車搖入、搖出的過程中，斷路器將一直鎖定在分閘狀態(tài)?；脽羝?2只有在接地開關(guān)閉合時，才能打開電纜室的前門。只有在手車鎖定在隔離位置時，才能夠閉合接地開關(guān)。只有在電纜室前門就位的情況下，才能分開接地開關(guān)。只有在手車鎖定在隔離位置時，才能夠打開咼

8、壓室前門。斷路器手車前部面板上設(shè)有緊急機械分閘按鈕，并可使用掛鎖鎖定。2、10kV開關(guān)柜保護配置見下表：幻燈片43序號被保護單元名稱配置保護名稱主要保護功能備注110kV開閉所進線開 關(guān)柜F6501、過流（帶低電壓閉鎖）2、零序電流保護3、失壓保護210kV環(huán)網(wǎng)進岀線開 關(guān)柜L301、光纖差動保護2、后備過流保護F6501、過流（帶低電壓閉鎖）2、差動故障后備過流3、零序過流段保護4、零序過流二段告警5、斷路器失靈保護310kV開閉所母聯(lián)開 關(guān)柜F6501、過流段保護2、過流二段保護3、斷路器失靈保護4、母聯(lián)自動投入功能5、合環(huán)保護410kV非開閉所母聯(lián) 開關(guān)柜F6501、過流段保護2、過流二

9、段保護3、斷路器失靈保護4、母聯(lián)自動投入功能510kV饋線開關(guān)柜：接 整流機組F6501、電流速斷保護2、過電流保護3、過負荷保護4、零序電流保護5、零壓告警6、變壓器溫度保護（變壓器內(nèi)部）7、整流器內(nèi)部保護（整流器內(nèi)部）變壓器溫度保 護、整流器二 極管保護均為 接收外部接點 信號610kV饋線開關(guān)柜：接 配電變壓器F6501、電流速斷保護2、過電流保護3、過負荷保護4、零序電流保護5、零序電流二段告警變壓器溫度保 護為接收外部 接點信號?p-GDpo12f2圖卜1城甫軌道交通電力牽引供電系統(tǒng)1發(fā)電廠（站卄2升壓變壓器$恥電力網(wǎng)* 4主 降壓變電站扌5直流牽引變電所卡6-饋電線；7接觸 網(wǎng)扌8

10、走行軌道 9回流線?；脽羝?4第二節(jié) DC750V開關(guān)柜直流開關(guān)柜與地之間安裝絕緣板，柜體的固定采用絕緣螺栓， 保證安裝后絕緣電阻值在500V時不小于2MQ。直流開關(guān)柜包括進線柜、饋線柜（含備用柜、制動電阻饋線柜） 負極柜，且均為戶內(nèi)安裝?；脽羝?51進線柜進線柜在直流牽引供電系統(tǒng)中也稱為正極柜（或總閘柜），在整流柜和直流母線之間起隔離作用，是安裝于整流器正極與750V正極母線間的開關(guān)設(shè)備；柜內(nèi)主要有分流器、變速器、電動隔離開關(guān)、微機保護單元、直流快速斷路器等設(shè)備構(gòu)成。2饋線柜饋線柜安裝于正極母線與接觸網(wǎng)上網(wǎng)點之間，其內(nèi)配置正極母線，直流快速斷路器手車,及相關(guān)控制保護單兀?；脽羝?63電阻柜電

11、阻柜主要安裝于正極母線與再生制動設(shè)備之間，其內(nèi)主要元器件與饋線柜一樣。4負極柜負極柜安裝于750V負極母線與鋼軌之間，柜內(nèi)裝有兩臺電動隔離開關(guān)，牽引變電所內(nèi)的低阻抗框架泄漏保護裝置裝于負極柜內(nèi)?？蚣苄孤┍Ｗo由一個電流元件和一個電壓元件組成，當電壓元件動作時，只聯(lián)跳本站10kV機組斷路器、750V進線直流斷路器、饋線斷路器共8個開關(guān)，不聯(lián)跳鄰站；而當電流元件啟動時，聯(lián)跳本站10kV機組斷路器、750V進線直流斷路器、饋線斷路器，并且聯(lián)跳鄰站對應(yīng)饋線斷路器共12個開關(guān)。幻燈片475邊柜邊柜內(nèi)設(shè)有中央控制單元， 用于上網(wǎng)隔離開關(guān)的監(jiān)控，以及采集直流開關(guān)柜中保護裝置的所有信息并上傳。柜體設(shè)有用于控制上

12、網(wǎng)隔離開關(guān)的按鈕、指示燈、遠方/就地轉(zhuǎn)換開關(guān)，以及用于雙邊聯(lián)跳繼電器，并提供足夠的端子排用于采集和控制直流開關(guān)柜整個系統(tǒng)的各種信號。6鋼軌電位限制裝置在直流牽引系統(tǒng)中，由于操作電流和短路電流的存在，可能會引起回流回路和大地間產(chǎn)生超出安全許可的接觸電壓。這時，就需要在回流回路與大地間裝配一套鋼軌電位限制裝置，以限制走行軌的電位，避免超出安全許可的接觸電壓的發(fā)生?；脽羝?8當發(fā)生超出安全許可的接觸電壓時，鋼軌電位限制器就將鋼軌與大地短接，從而保證人員和設(shè)施的安全。鋼軌電位限制裝置一般與 750V框架保護配合使用，機車啟動及運行時，可能引起軌一地之 間的電位升高，此時鋼軌電位限制裝置和框架保護單元的

13、電壓檢測元件均啟動，但由于直流系統(tǒng)的正常運行情況， 框架保護不動作，故應(yīng)是框架保護電壓檢測元件的動作時間整定值比 鋼軌電位限制裝置的動作整定值長?；脽羝?9第三節(jié) 低壓0.4kV開關(guān)柜1系統(tǒng)運行方式1.1正常運行模式正常工作時，兩路10kV電源經(jīng)配電變壓器降壓后，分別向兩段400V母線供電，400V母線為單母線分段運行，并承擔車站及區(qū)間動力照明的全部用電負荷?；脽羝?01.2非正常運行模式當一路電源失壓時， 延時跳閘，自動/手動切除兩段母線上的三級負荷，母聯(lián)開關(guān)合閘,由另一路進線承擔全站所有的一、二級負荷；當失壓電源恢復(fù)供電后，斷開母聯(lián)開關(guān)， 母線分段運行，返回正常運行模式。1.3火災(zāi)運行模式

14、當發(fā)生火災(zāi)時，F(xiàn)AS系統(tǒng)發(fā)出指令，由設(shè)于斷路器處的分勵脫扣器切除火災(zāi)區(qū)域內(nèi)全 部非消防電源。當FAS系統(tǒng)確認災(zāi)情處理完畢后，發(fā)出解除指令，由人工恢復(fù)火災(zāi)區(qū)域的正常供電。幻燈片512開關(guān)柜描述0.4kV開關(guān)柜有進線柜、饋線柜、母聯(lián)柜、電容柜組成。進線柜、母聯(lián)柜內(nèi)主要有抽出式斷路器構(gòu)成，斷路器有三個明顯的位置：連接位置、試驗位置、分離位置，各個位置有明顯的文字符號標識。饋線柜內(nèi)一般采用塑殼斷路器， 開關(guān)柜面板上設(shè)置測量表計， 測量饋出回路各種電量。 電容柜內(nèi)的主要作用時補償供電 系統(tǒng)的補償無功功率，提高功率因數(shù)，降低功率損耗和電能損耗等。幻燈片52第四節(jié)再生制動裝置制動能量消耗裝置由制動控制柜和制

15、動電阻柜構(gòu)成，采用多相不重IGBT斬波器和吸收電阻配合的恒壓吸收方式，當車輛再生電制動且制動能量不能被其它車輛或用電設(shè)備消 耗時，制動能量消耗裝置消耗該部分的能量，根據(jù)吸收功率的大小及直流母線電壓的變化狀況自動調(diào)節(jié)斬波器的導(dǎo)通比，從而改變吸收功率，通過對網(wǎng)壓進行恒壓閉環(huán)控制， 維持線網(wǎng)電壓恒定。當車輛處于啟動、加速、惰行、停站或線網(wǎng)無車輛運行時，裝置不 投入工作。幻燈片53當處于再生制動狀況的列車回饋出去的電流不能完全被其他車輛和本車的用電設(shè)備所 吸收時，能量消耗裝置立即投入工作，吸收掉多余的回饋電流，使車輛再生電流持續(xù)穩(wěn)定，最大限度的發(fā)揮電制動功能?；脽羝?4第五節(jié)整流機組及配電變壓器1整流

16、機組單臺變壓器為六相十二脈波整流變壓器，兩臺變壓器并聯(lián)運行構(gòu)成等效二十四脈波整流變壓器。每個牽引變電所內(nèi)并聯(lián)運行的兩臺整流變壓器一次側(cè)繞組分別移相+7.5。和7.5。，并能實現(xiàn)互換，使任何兩臺同容量整流變壓器二次側(cè)電壓相角差15,通過整流器獲得24脈波整流?；脽羝?5為了構(gòu)成24脈波整流的兩臺變壓器具有互換性，整流精度更高，每臺整流變壓器的二次繞 組有一個星形繞組和一個三角形繞組，分別向兩個三相整流橋供電。因為整流變壓器二次側(cè)星形繞組和三角形繞組相對應(yīng)的線電壓相位錯開30,于是可以得到12脈波整流電路。每個牽引變電所內(nèi)并聯(lián)運行的兩臺牽引變壓器，聯(lián)結(jié)組別為DdOyll和Dd2y1，當供給兩臺12

17、脈波整流器的整流變壓器高壓網(wǎng)側(cè)并聯(lián)的繞組分別采用土7.5。外延三角形聯(lián)接時，可使兩臺整流變壓器閥側(cè)輸出電壓的相角差為15通過整流器獲得等效24脈波直流。如下圖所示：幻燈片56 幻燈片57聯(lián)鎖防止誤入帶電間隔及誤操作的發(fā)生裝置。變壓器門體設(shè)電磁鎖與變壓器10kV斷路器閉鎖。每個門上裝一套，保證當10kV斷路器分閘后，對應(yīng)變壓器門才可以打開，變壓器門打開的情況下，10kV斷路器不能合閘?；脽羝?8分接開關(guān)（分接片）整流變壓器采用無勵磁調(diào)壓，原邊分接抽頭的分接范圍：土2X 2.5%。-rtMTnnnTnnM-髓翱酬曲讎-75）高蟻獺弦（狗+7 5）幻燈片592整流器單臺整流器由二個三相 6脈波全波整

18、流橋組成，其中一個整流橋接至整流變壓器二次側(cè)Y二脈波整流。在每座牽引變電所內(nèi)兩套整流機組并聯(lián)運行構(gòu)成等效二十四脈波整流?；脽羝?0HV(V)Tapping Position110001i o10750210500310250405100005上M報關(guān)謹幻燈片613配電變壓器北京地鐵15號線采用SCB10系列澆注式樹脂絕緣干式電力變壓器: 電壓等級為10kV/0.4kV ;調(diào)壓范圍：土 2X 2.5%;絕緣電阻為：高壓線圈一低壓線圈 500MQ;咼壓線圈一地 500MQ;低壓線圈一地 400MQo 幻燈片62系統(tǒng)運行方式正常運行方式：兩臺配電變壓器分列運行，向整個車站及相鄰半個區(qū)間的一、二、三級

19、低壓負荷供電。其他運行方式：當一臺配電變壓器因故障退出運行時，切除三級負荷，AC 0.4kV母聯(lián)自投，由另一臺配電變壓器向全站及相鄰半個區(qū)間的一、二級低壓負荷供電。聯(lián)鎖變壓器門體設(shè)電磁鎖與變壓器10kV斷路器閉鎖。保證當10kV斷路器分閘后，對應(yīng)變壓器門才可以打開，變壓器門打開的情況下，10kV斷路器不能合閘。幻燈片63第六節(jié)變電所交直流電源裝置變電所內(nèi)交直流屏由交流輸入配電部分、整流部分、降壓部分、直流輸出饋電部分、監(jiān)控部分以及絕緣監(jiān)測部分組成。主要對變電所內(nèi)設(shè)備的控制系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、繼電保護、自動裝置、智能測量裝置提供 AC220V或DC220V操作電源，北京地鐵 15號線變電所內(nèi)交直流屏

20、分 為A型屏和B型屏兩種。A型交流屏主要用于區(qū)間變電所、車輛段變電所、停車場變電所。交流屏本體所需的輔助電源為交流，取自本交流屏。B型電源屏主要用于正線各車站。B型電源屏柜體為1面，由交流配電、直流配電及監(jiān)控裝置組成，直流電源有站內(nèi)電源整合專業(yè)提供，經(jīng)過B型電源屏直流配電系統(tǒng)給所內(nèi)設(shè)備供電?；脽羝?4A型交直流屏原理圖幻燈片65B型屏交流配電部分工作原理框圖亠T充電模塊戸4充電模塊閘路合分閘si出IIS交流SC電單元-充電摸塊充電瓏塊充電體塊控制分路至遠31監(jiān)揑幻燈片66B型直流輸出饋電部分工作原理框圖幻燈片67第七節(jié)雜散電流監(jiān)測及防護系統(tǒng)1雜散電流產(chǎn)生原因機車所需電流由牽引變電所提供，通過接

21、觸網(wǎng) /軌向機車送電，并利用走行軌把牽引電 流返回牽引變電所。由于鋼軌很難做到完全對地絕緣， 所以牽引電流并非全部由鋼軌流回牽引變電所，而是有一部分通過鋼軌與大地之間的絕緣不良點流經(jīng)大地流向大地低電位處，再由大地流回鋼軌并返回牽引變電所， 從而形成沒有任何規(guī)律的雜散電流。 如下 圖所示，11和12分別為一個供電區(qū)間兩個牽引變電所向機車提供的電流，13和14分別為通過走行軌向兩個牽引變電所回流的電流， 15和16分別為泄漏到地下的雜散電流。幻燈片68幻燈片692雜散電流的危害引起地鐵附近建筑物結(jié)構(gòu)鋼筋、金屬管線腐蝕。使某些地鐵設(shè)備無法正常工作。 雜散電流若流入電氣接地裝置，將引起過高的接地電位，

22、使某些設(shè)備無法正常工作，甚至會危及人身安全。給地鐵的安全運營帶來不利影響。若走行軌局部或整體對地的絕緣變差，則對大地的泄漏電流增大，地下雜散電流增大， 會使鋼軌電位發(fā)生變化， 進而引起鋼軌與框架之間的 電位差發(fā)生變化，可能引起牽引變電所的框架保護動作危及地鐵乘客的安全?；脽羝?03排流柜排流柜安裝于牽引變電所內(nèi)， 一端接負極柜內(nèi)的直流負母排，另一端接隧道結(jié)構(gòu)鋼筋（或高架橋梁結(jié)構(gòu)鋼筋）、整體道床結(jié)構(gòu)鋼筋、牽引變電所的地母排。使結(jié)構(gòu)鋼筋中的雜散 電流單方向回流到牽引變電所內(nèi)的負極柜，防止雜散電流對結(jié)構(gòu)鋼筋的腐蝕?；脽羝?14單向?qū)ㄑb置在地鐵軌道系統(tǒng)中，車輛段需要設(shè)置絕緣接頭， 其目的是為了盡量減小雜散電流并縮小 雜散電流影響的范圍， 從而減小雜散電流對結(jié)構(gòu)鋼筋的腐蝕。而在采用絕緣接頭的鋼軌部位，有機車運行時，為保證回流電流的正常流動，必須采用單向?qū)ㄑb置，并接于軌道設(shè)置的絕緣結(jié)處，用于連接絕緣接頭兩端的鋼軌，使鋼軌中電流只能向正線回流，而向車輛段截止。其內(nèi)除設(shè)置二極管支路外，還設(shè)有隔離開關(guān)和消弧裝置，隔離開關(guān)用于特殊運營方式下，將絕緣結(jié)兩端回流軌直接電氣連接；消弧裝置用于車輛再生制動導(dǎo)致單向?qū)ㄑb置附近回流軌電位升高時，該裝置電氣導(dǎo)通，降低走行軌電位，限制絕緣結(jié)兩端放電和保證回流軌附近人員的安全?；脽羝?2 幻燈片73第八節(jié)電源整合系統(tǒng)電源整合系統(tǒng)主要由交流