城軌供電系統(tǒng)概論-電力系統(tǒng)基本知識(shí)

城軌供電系統(tǒng)概論--電力系統(tǒng)基本知

識(shí)

城市軌道交通供電系統(tǒng)是為軌道交通運(yùn)營(yíng)提供動(dòng)力能源的一個(gè)龐大系統(tǒng),是國(guó)家

和城市電網(wǎng)中的用電特大戶［供電中心1］。它從國(guó)家和城市電網(wǎng)接受電源，通過(guò)

變配電，將合適的電源提供給城市軌道交通各個(gè)部門和系統(tǒng)。城市軌道交通供電

系統(tǒng)又是國(guó)家電力系統(tǒng)中的一部分，它的安全、可靠運(yùn)行離不開國(guó)家電力系統(tǒng)的

支撐。電力系統(tǒng)是由發(fā)電廠、變電所、輸電線、配電系統(tǒng)及負(fù)荷組成的，國(guó)家電

力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定與告將最終影響城軌供電的可靠性。

一、電力系統(tǒng)基本知識(shí)

隨著城市軌道交通的迅猛發(fā)展，對(duì)電能的需求越來(lái)越大。城軌交通的電能取自城

市電網(wǎng)，電網(wǎng)的電能由發(fā)電廠提供。發(fā)電廠是電能的生產(chǎn)單位，發(fā)電廠發(fā)出的電

能是不能儲(chǔ)存的，電能的生產(chǎn)（電廠）和消耗（月戶）必須是隨時(shí)平衡，也就是

說(shuō)電力的生產(chǎn)、輸送、分配和使用的全過(guò)程，是由發(fā)電廠、變電所和用戶緊密聯(lián)

系起來(lái)的一個(gè)整體在同一瞬間實(shí)現(xiàn)的。在這一鏈條上的每一個(gè)環(huán)節(jié)都必須在同一

瞬間持續(xù)地共同發(fā)揮作用，才能使電力生產(chǎn)維持下去。城軌交通的供電系統(tǒng)就是

這鏈條上的重要用戶，城市電網(wǎng)中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，都會(huì)影響城軌供電的

質(zhì)量和可靠性。同樣如果城軌供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障也會(huì)影響城市電網(wǎng)的電力平衡。

1.發(fā)電廠

發(fā)電廠是把不同形式的能源轉(zhuǎn)換成電能的工廠，例如化學(xué)能、水能、原子能等。

根據(jù)發(fā)電廠所利用的能源不同，可以分為以下幾類：

（1）火力發(fā)電廠

利用煤、石油、天然氣等燃料來(lái)發(fā)電的稱火力發(fā)目廠，簡(jiǎn)稱火電廠。我國(guó)煤炭資

源較豐富，我國(guó)的火電廠目前仍以煤為主要燃料。有很多電廠建在煤礦邊上就稱

為坑口電廠。為了提高燃燒效率，現(xiàn)代的火電廠都把煤塊粉碎成煤粉，爐膛內(nèi)能

夠完全燃燒，將鍋爐內(nèi)的水燒成高溫、高壓的蒸汽（化學(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能），蒸汽

沖動(dòng)汽輪（熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能），使其帶動(dòng)與其聯(lián)軸的發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，發(fā)出電能（機(jī)

械能轉(zhuǎn)換成電能）。

（2）水力發(fā)電廠

從水庫(kù)引水,利用水的位能沖動(dòng)水輪機(jī)（水能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能），并使其帶動(dòng)與其

聯(lián)軸的發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，來(lái)產(chǎn)生電能（將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能）的。例如三峽的水力發(fā)

電，就是在長(zhǎng)江中攔江筑壩，提高上游的水位，形成水庫(kù)，使上、下游形成盡可

能大的落差。這樣的能源是環(huán)保清潔的，是今后能源發(fā)展的一個(gè)方向。

（3）原子能發(fā)電廠

原子核在核反應(yīng)堆中分裂過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱能（原子能轉(zhuǎn)換熱能），用比熱

能把水加熱成蒸汽,蒸汽沖動(dòng)輪機(jī)使其帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電。例如我國(guó)的秦小核

電站，它的電力生產(chǎn)過(guò)程與凝汽式火力發(fā)電廠相類似，它是以核反應(yīng)堆代替了蒸

汽鍋爐。

由于原子能發(fā)電廠在電力生產(chǎn)過(guò)程中將核廢料妥善處置后，便不會(huì)產(chǎn)生有害煙

塵，不污染空氣，所以相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較環(huán)保的。原子能發(fā)電的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是因

為它的能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于煤炭，可以少量的原子能燃料代替大量的煤炭，特別是

在我國(guó)南方少煤地區(qū)，建設(shè)原子能發(fā)電廠具有更重要的經(jīng)濟(jì)和科學(xué)研究?jī)r(jià)值。

此外，還有潮汐發(fā)電廠、地?zé)岚l(fā)電廠、風(fēng)力發(fā)電廠、太陽(yáng)能發(fā)電廠等。

我國(guó)現(xiàn)有的發(fā)電廠是以火力發(fā)電廠為主，其中凝汽式火力發(fā)電廠仍占多數(shù)。同時(shí)

正在大力發(fā)展水力和風(fēng)能發(fā)電，例如長(zhǎng)江口崇明島的風(fēng)能發(fā)電。

2.變電站及電力網(wǎng)

電網(wǎng)是指由輸配電線路以及由它聯(lián)系起來(lái)的各類變電站的總稱，將相近的電廠、

送變電站聯(lián)絡(luò)起來(lái)，形成地區(qū)或全國(guó)性網(wǎng)絡(luò)，以便進(jìn)行統(tǒng)一管理和運(yùn)行調(diào)度，為

電能的輸送提供一個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)。另外，為了把電能輸送到較遠(yuǎn)的用電地區(qū)，降

低輸電線路對(duì)電壓的損耗，通常發(fā)電廠發(fā)出的電能都須經(jīng)升壓變壓器把電壓升高

（例如到110、220、500千伏等）,然后通過(guò)電網(wǎng)和輸電線路送到用電地區(qū)。

再經(jīng)變電所的降壓變壓器把電壓逐級(jí)降低后分配使用。所以，變電所的主要任務(wù)

是變換電壓，其次還有集中和分配電能，控制電能的流向和調(diào)整電壓的任務(wù)。電

網(wǎng)的電壓一般為、、、等等，而發(fā)電機(jī)

0.4kV10kV35kVx110kV220kV

的電壓一般為6.3、10.5、13.8、15.75、18千伏［供電中心1］等,城市軌道交

通電源進(jìn)線電壓為發(fā)電廠不能直接向用戶供電，必須通過(guò)電網(wǎng)變配電

110kVo

后供給用戶。

來(lái)平衡電能；如果電能富余，它還可以通過(guò)減少連接發(fā)電廠數(shù)量或向其他電網(wǎng)輸

送電能，來(lái)平衡電能。

(2)電力系統(tǒng)的額定電壓

電力系統(tǒng)的額定電壓是指系統(tǒng)中所有電氣設(shè)備都在這一指定電壓下工作的電壓,

電氣設(shè)備在此電壓下工作，將具有最好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果。

(3)電網(wǎng)的額定電壓

從表中［供電中心1］可以看到，同一電壓級(jí)別下，各種設(shè)備的額定電壓并不完全

相等，為了使各種相互聯(lián)接的電氣設(shè)備都能運(yùn)行在較有利的電壓下，各電氣設(shè)備

的額定電壓之間有個(gè)現(xiàn)互配合的問(wèn)題。為此將電力線路的額定電壓和系統(tǒng)的額定

電壓相等，把它稱作為電網(wǎng)的額定電壓。

(4)電氣設(shè)備的額定電壓

所謂額定電壓就是電氣備［供電中心2］能夠長(zhǎng)時(shí)間工作最適合的電壓。此時(shí)電氣

設(shè)備中的元器件都工作在最佳狀態(tài)，只有工作在最佳狀態(tài)時(shí),電氣設(shè)備的性能才

能比較穩(wěn)定地發(fā)揮，電氣設(shè)備的壽命在這樣的工作電壓下才得以延長(zhǎng)。

變壓器的額定電壓較為復(fù)雜，一次繞組與系統(tǒng)的額定電壓相同，二次繞組比系統(tǒng)

的額定電壓高10%,如果變壓器的短路阻抗小于7%或直接與用戶連接時(shí)，則

規(guī)定比系統(tǒng)的額定電壓高5%。

4.建立統(tǒng)一的電力系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

(1)降低最高負(fù)荷

因?yàn)樵谕浑娋W(wǎng)中，當(dāng)某一地區(qū)出現(xiàn)用電高峰時(shí)，另一地區(qū)可能是用電低谷，電

網(wǎng)中總電能需求量的增加或減少是很少的，此時(shí)電網(wǎng)是不需額外增加電能供給

的。電網(wǎng)越大、容量越大，出現(xiàn)上述情況的可能性越多，越容易調(diào)節(jié)。因此可以

相對(duì)減少發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量。

(2)減少備用容量

只要各電廠錯(cuò)開檢修時(shí)間，就可以利用系統(tǒng)中的芍些發(fā)電廠備用機(jī)組互相支援，

不必每個(gè)電廠都裝備用機(jī)組,這樣就減少了總的備用容量。

(3)提高供電的可靠性和電能質(zhì)量

由于電網(wǎng)越大，上網(wǎng)供電的發(fā)電機(jī)組越多，系統(tǒng)容量也越大，個(gè)別機(jī)組的容量占

整個(gè)電網(wǎng)容量的比重相對(duì)較小，所以故障時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響較小，因而提高了供電

的可靠性和電能的質(zhì)量(頻率、電壓)。

(4)提高發(fā)電設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

水電廠發(fā)電受季節(jié)影響，在夏秋豐水期水量過(guò)剩，在冬春枯水期水量短缺。水電

廠容量占的比例較大的系統(tǒng)(如云南省電網(wǎng))將造成枯水期缺電，豐水期棄水的

后果。組成聯(lián)合電力系統(tǒng)后，水火電聯(lián)和運(yùn)行，豐水期水電廠多發(fā)電，火電廠少

發(fā)電并適當(dāng)安排檢修；枯水期火電廠多發(fā)電，水電廠少發(fā)電并安排檢修，這樣充

分利用水力資源，減少燃料消耗，從而降低電能成本，提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)型［供電

中心3］。

5.電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)

電力系統(tǒng)中性點(diǎn)(主要是指發(fā)電機(jī)和主變壓器的中性點(diǎn))的運(yùn)行方式，一般分兩

大類：中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)、中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)。其中中性點(diǎn)接地系統(tǒng)又可分為:

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈或接地變接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)經(jīng)接地電阻接地系統(tǒng)，以及中性點(diǎn)

不接地系統(tǒng)，通常稱為小電流接地系統(tǒng)。中性點(diǎn)直接接地，稱為大接地電流系統(tǒng)。

我國(guó)3~10千伏系統(tǒng)，大多采取中性點(diǎn)不接地的運(yùn)行方式。允許其單項(xiàng)接地時(shí)

繼續(xù)運(yùn)行二小時(shí)，以提高供電的可靠性。按相關(guān)規(guī)定：3~60千伏系統(tǒng)，當(dāng)單相

接地電流大于30安；20千伏以上電網(wǎng)中，接地電流大于10安時(shí)，則采取中性

點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的運(yùn)行方式。110千伏及以上的系統(tǒng)，一般采取中性點(diǎn)直接接

地的運(yùn)行方式。對(duì)于380/220伏低壓配電網(wǎng)絡(luò)，為得到兩個(gè)不同的電壓級(jí)也采

取中性點(diǎn)直接接地的三相四線制。

對(duì)于電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)備來(lái)說(shuō)其中性點(diǎn)的運(yùn)行方式不同，技術(shù)特性和工作條件也不

同。這樣對(duì)整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性及其設(shè)備的絕緣和繼電保護(hù)也提出了不

同。這是一個(gè)影響到經(jīng)濟(jì)和技術(shù)并由各方面因素決定的綜合性問(wèn)題，下面分別予

以討論。

(1)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)

我國(guó)3~10千伏系統(tǒng),大多采用中性點(diǎn)不接地的運(yùn)行方式。這主要是因?yàn)殡妷?/p>

等級(jí)不高，單相接地時(shí)，雖然非故障相電壓升高

倍,而設(shè)備的絕緣是根據(jù)系統(tǒng)的線電壓設(shè)計(jì)的，對(duì)設(shè)備絕緣影響不大。當(dāng)單項(xiàng)接

地時(shí)系統(tǒng)可以允許繼續(xù)運(yùn)行兩小時(shí)，這就為查找故障贏得了時(shí)間，大大提高了供

電的可靠性。系統(tǒng)的故障70%以上是接地故障，對(duì)線路損害主要由接地點(diǎn)的電

容電流造成的。

正常運(yùn)行時(shí)，三相系統(tǒng)是對(duì)稱的，*、心、Ac表示各相對(duì)地電容，

表示對(duì)地總的電容電流，同時(shí)不考慮相間電容，如圖1-2(a)所示?！?/p>

①系統(tǒng)正常運(yùn)行卜

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，理想情況下，負(fù)荷是對(duì)稱的。那么三相電壓U/、3、°。

是對(duì)稱的，中性點(diǎn)的電位為零。各相對(duì)地電容電流也是對(duì)稱的(各相對(duì)地的電容

是相等的)，即='6='cc='co=o,R圖1-2(b)為A相電流向量圖；圖1-2

(c)為電容電流向量圖￡一

圖2

圖3

②系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障

當(dāng)任何一相(例如C相)絕緣受到破壞而接地時(shí)的電路圖，如圖1-3(a)所示。

此時(shí)，C相對(duì)地的電壓變?yōu)榱悖行渣c(diǎn)電位偏移，未［供電中心1］故障兩相對(duì)地

的電壓升高倍，即變?yōu)榫€電壓。C相發(fā)生完全接地時(shí)的向量圖，如圖1-3(b)

所示。

由困可以確定各相對(duì)地的電壓匕、、的大小和方向。

0=見+(-%)=，-〃=乙

%=〃+(-%)應(yīng)也應(yīng)

%="+(_“)=0

31-3C相發(fā)生接地時(shí)，中性點(diǎn)不接地的三相系嫵圖

(a)電路圖：(b)向量圖

從圖LAI-3(b)可以確定，|仁|=|心|=退|鞏|,匕二和心之

間的夾角為60°,A、B兩相對(duì)地電壓值升高后倍。這樣其對(duì)地電容上所加的電.

.壓也升高了co倍。所以，對(duì)地電容電流比較正常時(shí)的電容電流乙。升高看倍。根

據(jù)圖中可確定非故障相對(duì)地的電容電流，而C相對(duì)地的電容電流為零，齒C相對(duì)

圖4

設(shè)電流的正方向是由電源到電網(wǎng)，則可得出通過(guò)C相接地點(diǎn)的電流（簡(jiǎn)稱接

地電流）%七=1%二百;心=6；iCB=^3ico,由于匕和

是電容電流，故分別超前列和。”0°,因而1%、兩電流之間的夾角也

是60°,將它們相加即得―八。C相接地電流心為電容電流，故心翅前電壓

“90°。由向量圖可得：〃

1'=上1葭=超1'\,

%=1CB~61CO3

所以:

由式可知，單相接地電流等于正常時(shí)一相對(duì)地電容電流的三倍。

若已知每相的對(duì)地電容C,則可得到

co%

因?yàn)?X=—xlO-3^

ca）C

所以，Ic=37co=3U^

式中：q-—正常運(yùn)行時(shí)的相電壓，千優(yōu)；一

。一一角頻率，弧度每秒；|

c——相對(duì)地的電容，法；，

xc——對(duì)地電容的容抗，千歐；一

圖6

因此，接地電流

的值與網(wǎng)絡(luò)的電壓、頻端口每相對(duì)地的電容有關(guān)，而每相對(duì)地的電容與電網(wǎng)的結(jié)

構(gòu)（電纜、架空線）木唯路的長(zhǎng)度有關(guān)。在實(shí)用中，接地電流可近似地用下式計(jì)

算：

袈空線路，Z=—

cc350

電纜線路：I=—

c10

式中：U—-電網(wǎng)的線電壓，千伏；“

1——線路長(zhǎng)度，公里。I

Ic——接地電流，上倍I。一

圖7

在非金屬性接地（包括經(jīng)過(guò)一定電阻或消弧線圈接地[供電中心1]:接地相對(duì)地

的電壓大于零而小于相電壓，非接地相對(duì)地的電壓則大于相電壓而小于線電壓。

由前面分析可知，在中性點(diǎn)不接地的系統(tǒng)中發(fā)生單相接地時(shí)，網(wǎng)絡(luò)非故障相線電

壓的大/」環(huán)口相位差仍維持不變，在這種系統(tǒng)中相對(duì)地的絕緣水平是根據(jù)線電壓設(shè)

計(jì)的，雖然未故障相的相電壓會(huì)升高

倍，但對(duì)設(shè)備的絕緣沒有多大影響。因而中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地時(shí),

可以繼續(xù)運(yùn)行。但是，不允許長(zhǎng)期運(yùn)行，因?yàn)殚L(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)可能引起未［供電中心

2］故障相絕緣薄弱的地方損壞而造成相間短路。為此，在這種系統(tǒng)中，一般都

裝設(shè)專門的絕緣監(jiān)察裝置，以監(jiān)視有無(wú)接地故障發(fā)生。中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中發(fā)生

單相接地時(shí)，按規(guī)定一般允許暫時(shí)繼續(xù)運(yùn)行不超過(guò)兩小時(shí)。

(2)變壓器中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的優(yōu)、缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：采用變壓器中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，由于限制了單相接地電流，對(duì)通訊的干擾

較?。涣硗鈫蜗嘟拥乜梢赃\(yùn)行一段時(shí)間，提高了供電的可靠性。

缺點(diǎn)：采用變壓器中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，當(dāng)一相接地時(shí)，另兩相對(duì)地電壓升高

倍，易產(chǎn)生間隙［供電中心3］性電弧，使絕緣薄弱地方擊穿，從而造成兩相接地

短路。

(3)中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)

電rvwxA_______________________

負(fù)

源B_____________

一c?id代n)—>荷

(J,

二「id⑴h|i

T-

ITT

圖1-4中性點(diǎn)直接按地系嫵圖〃

/，工，/?.i-IL_4>.1?I-X.1.1.1c?、一IMX>一>_1.1.1-?-X..1

圖8

將系統(tǒng)的中性點(diǎn)直接接地也是防止單相接地時(shí)產(chǎn)生間歇電弧過(guò)電壓的一種方法，

如圖1-4所示。由于單相短路電流很大，因而零序保護(hù)靈敏，繼電保護(hù)裝置能可

靠動(dòng)作，將接地的線路切除，使系統(tǒng)的其他部分恢復(fù)正常運(yùn)行。這樣在發(fā)生單相

接地時(shí)，就不會(huì)產(chǎn)生間歇電弧。同時(shí)，因中性點(diǎn)電位為按地體所固定，非故障相

對(duì)地的電壓不升高，因而各相對(duì)地的絕緣水平只需按相電壓考慮，這就降低了設(shè)

備對(duì)絕緣的要求。設(shè)備的絕緣要求降低，實(shí)際就降低了高壓電氣設(shè)備的造價(jià)。所

以110千伏以上的超高壓系統(tǒng)，一般采取中性點(diǎn)直接接地的方式。

中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)的缺點(diǎn)：

單相接地時(shí)，短路電流值很大,故障被切除前將引起電壓降低，會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)

定。另外，由于強(qiáng)大的短路電流的導(dǎo)體周圍形成較強(qiáng)的單相磁場(chǎng)，使鄰近的電子

設(shè)備搜到［供電中心1］干擾。例如城軌交通的信號(hào)和通信