《軌道交通動(dòng)力照明系統(tǒng)的安裝與維修》 課件 項(xiàng)目二 城市軌道交通供電方案的設(shè)計(jì)_第1頁
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文檔簡介

軌道交通動(dòng)力照明系統(tǒng)的安裝與維修

中國特色高水平高職學(xué)校項(xiàng)目建設(shè)成果

城市軌道交通供電系統(tǒng)是城市軌道交通系統(tǒng)的重要組成部分,它相當(dāng)于人體的心臟。城市軌道交通供電系統(tǒng)提供可靠安全的供電和動(dòng)力支持,并具有不同的供電形式。王兵是某地鐵公司供電工班的工程師,他作為供電工班組的成員,要與團(tuán)隊(duì)的其他成員按照地鐵供電標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)出一套符合某地鐵1號線的供電方案。城市軌道交通供電方案的設(shè)計(jì)項(xiàng)目引入知識(shí)目標(biāo)1.掌握城市軌道交通電力系統(tǒng)的組成及作用;2.了解外部電源供電方式及選擇原則;3.熟知電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地運(yùn)行方式。能力目標(biāo)1.能判定城市軌道交通外部電源的供電方式;2.會(huì)區(qū)分中壓網(wǎng)絡(luò)的電壓等級;3.能識(shí)別牽引網(wǎng)的供電方式和制式。素質(zhì)目標(biāo)1.培養(yǎng)電力節(jié)能環(huán)保意識(shí);2.培養(yǎng)團(tuán)結(jié)協(xié)作的工作意識(shí);3.樹立職業(yè)精神和職業(yè)道德。 學(xué)習(xí)目標(biāo)1.發(fā)電廠發(fā)電廠是生產(chǎn)電能的工廠,是電能的生產(chǎn)者,其作用是將其他形式的一次能源轉(zhuǎn)換為二次能源——電能。按照一次能源的種類,主要有火力發(fā)電廠、水力發(fā)電廠、核電廠、風(fēng)能發(fā)電廠等,此外還有利用地?zé)?、潮汐、太陽能等各類新能源的發(fā)電廠。一、認(rèn)知電力系統(tǒng)

電能是一種十分重要的二次能源,它能方便、經(jīng)濟(jì)地從蘊(yùn)藏于自然界中的一次能源(如煤炭、石油、天然氣、水力、核燃料、風(fēng)能等)轉(zhuǎn)換而來。由發(fā)電廠、電力網(wǎng)和電力用戶連接成的統(tǒng)一整體,稱為電力系統(tǒng)。

城市軌道交通外部電源供電系統(tǒng)是為主變電所或電源開閉所提供電能的外部城市電網(wǎng)電源供電系統(tǒng)。通過完成本任務(wù),能正確分析主變電所布置方案,并能根據(jù)不同地鐵車站特點(diǎn),選定外部電源的供電方式。任務(wù)1外部電源供電方案的設(shè)計(jì)2.電力網(wǎng)

電力系統(tǒng)中輸送和分配電能的部分稱為電力網(wǎng),簡稱電網(wǎng),其任務(wù)就是把遠(yuǎn)處發(fā)電廠生產(chǎn)的電能輸送到負(fù)荷中心。電力網(wǎng)是電能的輸送者和分配者,實(shí)現(xiàn)電壓等級的變換、電能的輸送和分配。

1)電力網(wǎng)組成電力網(wǎng)由輸電線路、配電線路和變配電站(所)組成。

(1)輸電線路。輸電線路的作用是輸送電能,其特點(diǎn)是電壓較高,線路較長。

(2)配電線路。配電線路的作用是分配電能,其特點(diǎn)是電壓較低,線路較短。

(3)變配電站(所)。變配電站(所)根據(jù)國家規(guī)定的電網(wǎng)額定電壓進(jìn)行電壓變換,其還具有集中電能、

分配電能和控制電能及調(diào)整電壓的作用。變配電站(所)由電力變壓器和配電裝置組成。根據(jù)在電力系統(tǒng)中的地位,變電所可分為區(qū)域變電所、地區(qū)變電所和終端變電所。2)電力網(wǎng)額定電壓根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)電壓》(GB/T156—2017),國家規(guī)定的電力網(wǎng)額定電壓分別為750kV、500kV、330kV、220kV、110kV、60kV、35kV、20kV、10kV、6kV、3kV、380V、220V。

假定升壓變壓器T1的一次側(cè)與6.3kV發(fā)電機(jī)直接相連,二次側(cè)與220kV線路直接相連,降壓變壓器T2的二次側(cè)與35kV線路直接相連,則各變壓器的變比如下:(1)升壓變壓器T1:一次側(cè)與發(fā)電機(jī)直接相連,故其一次側(cè)額定電壓應(yīng)等于發(fā)電機(jī)的一次電壓,比所連線路的額定電壓6kV高5%,為6.3kV;該變壓器的二次側(cè)與220kV線路相連,其額定電壓應(yīng)高于相應(yīng)線路的額定電壓10%,為242kV,故T1的額定變比為6.3:242。(2)降壓變壓器T2:一次側(cè)與220kV線路相連,其額定電壓應(yīng)與相應(yīng)線路的額定電壓相等,為220kV;二次側(cè)與35kV線路相連,其額定電壓應(yīng)高于相應(yīng)線路額定電壓的10%,為38.5kV,故T2的額定變比為220:38.5。(3)降壓變壓器T3:一次側(cè)與35kV線路相連,其額定電壓應(yīng)與相應(yīng)線路的額定電壓相等,為35kV;二次側(cè)直接與380V/220V配電線路相連,其額定電壓應(yīng)高于相應(yīng)線路額定電壓的5%,故T3的額定變比為35:0.4:0.23。3)電力網(wǎng)的類型

電力網(wǎng)按電壓等級的高低和其供電范圍的大小可分為地方電網(wǎng)、區(qū)域電網(wǎng)及超高壓遠(yuǎn)距離運(yùn)輸網(wǎng)三種類型。地方電網(wǎng)指電壓等級在35kV及以下,供電半徑在20~50km以內(nèi)的電網(wǎng),如一般企業(yè)、工礦和農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)配電網(wǎng);區(qū)域電網(wǎng)指電壓等級在35kV及以上,供電半徑超過50km的電網(wǎng),目前我國電壓為110~220kV的電網(wǎng)就屬于這種類型;超高壓遠(yuǎn)距離運(yùn)輸網(wǎng)指電壓等級為330~500kV的電網(wǎng),一般由遠(yuǎn)距離輸電線路連接而成。電力系統(tǒng)操作安全規(guī)范

對于普通工作人員,設(shè)備發(fā)生故障時(shí),為了不造成更大范圍的影響,由工作人員依照“先通后復(fù)”原則及相關(guān)規(guī)則暫作技術(shù)處理,并按手續(xù)報(bào)專業(yè)維修人員進(jìn)行處理。

當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重漏水等事故時(shí),工作人員要立刻暫停諸如自動(dòng)扶梯等設(shè)備運(yùn)行,以防止設(shè)備漏電對乘客造成傷害。

當(dāng)無法確定設(shè)備是否接地或者漏電時(shí),萬不可輕易接觸帶電設(shè)備,做好安全防護(hù),保證其接地后再進(jìn)行操作。城市軌道交通供電方案的設(shè)計(jì)二、認(rèn)知外部電源

城市軌道交通供電系統(tǒng)的外部電源供電系統(tǒng)就是為城市軌道交通供電系統(tǒng)的主變電所或電源開閉所提供電能的外部城市電網(wǎng)電源供電系統(tǒng)。1.城市軌道交通對外部電源的要求(1)兩路獨(dú)立的進(jìn)線電源。城市軌道交通作為城市電網(wǎng)的重要電力用戶,屬于一級用電負(fù)荷。城市軌道交通供電系統(tǒng)的主變電所(或電源開閉所)要求有兩路獨(dú)立的進(jìn)線電源,這兩路電源可以來自城市電網(wǎng)的不同變電所,也可來自城市電網(wǎng)的同一變電所的不同母線。主變電所進(jìn)線電源應(yīng)至少有一路為專線電源。(2)每路進(jìn)線電源的容量應(yīng)滿足所內(nèi)全部一、二級負(fù)荷的要求。(3)兩路電源應(yīng)分列運(yùn)行,互為備用。當(dāng)一路電源發(fā)生故障時(shí),另一路電源不應(yīng)同時(shí)受到損壞,由該路電源保證對城市軌道交通供電系統(tǒng)供電。2.外部電源的電壓等級

城市軌道交通的外部電源需要從所在城市電網(wǎng)取得電能,城市電網(wǎng)主要由500kV、330kV、220kV、110kV、35kV、10kV的供電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。城市軌道交通的牽引用電和動(dòng)力照明用電既可以直接從城市的高壓電網(wǎng)(110kV或220kV)上取得,也可以從下一級電壓(35kV或10kV)的中壓電網(wǎng)上取得,這取決于城市軌道交通系統(tǒng)和城市地方電網(wǎng)的具體情況及牽引用電容量的大小。直接從高壓電網(wǎng)獲得電力的城市軌道交通供電系統(tǒng),往往需要再設(shè)置一級主降壓變電站(所),即主變電所,將系統(tǒng)輸電電壓(如110kV或220kV)降低到10kV或35kV以適應(yīng)牽引變電所的需要。從管理的角度上看,主變電所可以由電力系統(tǒng)(電力部門)直接管理,也可以由城市軌道交通部門管理。為方便管理,一般由城市軌道交通部門管理。

從35kV或10kV的中壓電網(wǎng)上直接取得電力的城市軌道交通供電系統(tǒng),可以建立電源開閉所或?qū)㈦娫撮_閉所與軌道交通沿線的牽引變電所、降壓變電所合建。三、選擇外部電源的供電方式1.外部電源供電方式外部電源供電方式有集中供電、分散供電和混合供電三種方式。1)集中供電方式

集中供電是由本線或其他線路的主變電所為本線牽引變電所及降壓變電所供電的外部供電方式。2)分散供電方式

分散供電方式是指沿地鐵線路的城市電網(wǎng)(通常是10kV電壓等級)分別向各沿線的地鐵牽引變電所和降壓變電所供電。3)混合供電方式

混合供電方式是將分散供電與集中供電相結(jié)合的供電方式,多指以集中供電為主、以分散式供電為輔的供電方式?;旌瞎╇姺绞娇筛鶕?jù)城市電網(wǎng)現(xiàn)狀、規(guī)劃以及城市軌道交通自身的需要,吸收集中供電方式和分散供電方式的優(yōu)點(diǎn),系統(tǒng)方案靈活,節(jié)約投資,使供電系統(tǒng)完善、可靠。2.外部電源供電方式選擇1)選擇原則

對于某一城市究竟應(yīng)采用哪種供電方式,需要根據(jù)地鐵和城市軌道交通用電負(fù)荷并結(jié)合該城市電網(wǎng)的具體情況進(jìn)行分析。若該城市的電力資源缺乏,變電站較少,采用分散供電方式時(shí)由于需要新建多個(gè)地區(qū)變電站而使投資增大,在此情況下采用集中供電方式就比較合適。該供電方式具有管理方便、供電可靠性相對較高等優(yōu)點(diǎn)。若城市的電力資源較豐富,沿地鐵和城市軌道交通線路的地區(qū)變電站較多且容量也足夠給地鐵和城市軌道交通供電,則采用分散供電方式可節(jié)約建設(shè)資金。當(dāng)城市電網(wǎng)的情況介于上述兩種情況之間時(shí),可考慮采用分散與集中相結(jié)合的混合供電方式。

集中供電方式的外部電源引自城市高壓電網(wǎng)(如110kV),電壓等級高,輸電容量大,系統(tǒng)短路容量大,抗干擾能力強(qiáng),電網(wǎng)電壓波動(dòng)小,且城市軌道交通主變電所一般設(shè)置了有載調(diào)壓裝置,因此中壓側(cè)電壓相對穩(wěn)定,供電質(zhì)量高。

分散供電方式的外部電源引自城市中壓電網(wǎng),一般從距離城市軌道交通線路較近的城市電網(wǎng)變電所直接引入,輸電線路較短,線路損耗較少。但由于電壓等級較低,用戶較多,網(wǎng)壓波動(dòng)較大。2)集中供電與分散供電方式比較

四、主變電所設(shè)置

如果外部電源采用集中式供電方式,則應(yīng)建設(shè)城市軌道交通用的主變電所。城市軌道交通主變電所的功能是接收城市電網(wǎng)提供的高壓電源,經(jīng)降壓后為牽引變電所、降壓變電所提供中壓電源。1.主變電所概述

城市軌道交通主變電所將城市電網(wǎng)的高壓交流110kV(或220kV)電能降壓后以交流35kV或10kV的電壓等級分別供給牽引變電所和降壓變電所。

根據(jù)城市軌道交通用電負(fù)荷的特點(diǎn),城市軌道交通的主變電所一般沿線路布置,根據(jù)線路末端的電壓損失要求來確定主變電所的數(shù)量。為保證供電的可靠性,城市軌道交通供電系統(tǒng)通常設(shè)置兩座或兩座以上主變電所。

主變電所按其降壓方式的不同可分為三級電壓制供電方式的主變電所和兩級電壓制供電方式的主變電所。

主變電所按其結(jié)構(gòu)形式的不同,可以分為戶外式、戶內(nèi)式和地下式三種,其中戶外式又可分為全戶外式和半戶外式。為了降低成本、減少占地面積,城市軌道交通主變電所多數(shù)采用戶內(nèi)式、半戶外式或地下式結(jié)構(gòu),很少采用全戶外式結(jié)構(gòu)。應(yīng)根據(jù)新建主變電所位置在城市中所處的地段來選擇主變電所的結(jié)構(gòu)形式。對于布設(shè)在市區(qū)邊緣或郊區(qū)、縣的主變電所,可采用布置緊湊、占地較小的半戶外式結(jié)構(gòu);對于布設(shè)在市區(qū)內(nèi)及市中心區(qū)規(guī)劃內(nèi)的新建主變電所,宜采用戶內(nèi)或地下式結(jié)構(gòu)。

不論采用何種結(jié)構(gòu)形式,主變電所都由兩路獨(dú)立的電源進(jìn)線供電且兩路電源同時(shí)運(yùn)行,互為備用,以保證供電的可靠性和供電質(zhì)量。進(jìn)線電源容量應(yīng)滿足遠(yuǎn)期時(shí)其供電區(qū)域內(nèi)正常運(yùn)行及故障運(yùn)行情況下的供電要求。2.主變電所的主要設(shè)備

主變電所中主要的電氣設(shè)備是主變壓器、開關(guān)設(shè)備、直流電源設(shè)備、自動(dòng)監(jiān)控設(shè)備。1)主變壓器

主變壓器是城市軌道交通主變電所中最主要的電氣設(shè)備,其作用是將從城市電網(wǎng)引入的高壓電源轉(zhuǎn)換成城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)所需要的中壓電源。

目前,國內(nèi)城市軌道交通主變電所均設(shè)置兩臺(tái)主變壓器,互為備用。正常情況下,兩臺(tái)變壓器并列運(yùn)行,各負(fù)擔(dān)50%的用電負(fù)荷。主變壓器容量的選擇應(yīng)考慮近期實(shí)際負(fù)荷和遠(yuǎn)期發(fā)展的需求。單臺(tái)容量在20~40MV·A范圍內(nèi),主要考慮相鄰變電所因故障解列時(shí)應(yīng)滿足向該段牽引負(fù)荷越區(qū)供電的要求,應(yīng)能滿足正常運(yùn)行時(shí),每臺(tái)變壓器容量承擔(dān)其所供區(qū)域內(nèi)的全部牽引負(fù)荷和動(dòng)力照明的供電。當(dāng)發(fā)生故障時(shí),應(yīng)滿足如下條件:

(1)當(dāng)一臺(tái)主變壓器發(fā)生故障時(shí),另一臺(tái)主變壓器應(yīng)能滿足該供電區(qū)域高峰小時(shí)牽引負(fù)荷和動(dòng)力及照明一、二級負(fù)荷的供電。

(2)當(dāng)一座變電所因故障解列時(shí),剩余主變電所應(yīng)能承擔(dān)全線的動(dòng)力和照明一、二級負(fù)荷及牽引負(fù)荷。

2)開關(guān)設(shè)備

主變電所中的開關(guān)設(shè)備分為高壓側(cè)(110kV側(cè))開關(guān)設(shè)備和中壓側(cè)(35kV或10kV側(cè))開關(guān)設(shè)備。它們都是通斷電路的重要設(shè)備。110kV側(cè)開關(guān)設(shè)備采用以六氟化硫氣體(SF?)作為絕緣介質(zhì),金屬封閉的交流成套設(shè)備,又稱氣體絕緣開關(guān)設(shè)備,簡稱GIS。GIS是由各種開關(guān)電器,如斷路器(GCB)、隔離開關(guān)(DS)、接地開關(guān)(ES)、母線、現(xiàn)地匯控柜(LCP)以及電流互感器(CT)、電壓互感器(VT)和避雷器(LA)等組成的電力設(shè)備,具有結(jié)構(gòu)緊湊、抗污染能力強(qiáng)、運(yùn)行安全、外形美觀、設(shè)備占用空間小等特點(diǎn)。除母線為三相共箱式外,其余均為三相分箱式。

中壓側(cè)電壓為35kV的中壓開關(guān)設(shè)備多采用GIS,以減小變電所的土建規(guī)模,但均為三相分箱式,采用真空斷路器,操動(dòng)機(jī)構(gòu)為彈簧儲(chǔ)能式或液壓彈簧式,采用三工位隔離開關(guān)和接地刀開關(guān)。中壓側(cè)電壓為10kV的開關(guān)設(shè)備,則可采用空氣絕緣的金屬鎧裝開關(guān)柜,內(nèi)部設(shè)有不同功能的隔室,手車可為落地式或中置式。3)直流電源設(shè)備

直流電源設(shè)備的作用是為監(jiān)控設(shè)備、車站應(yīng)急照明及緊急疏散標(biāo)志等提供不間斷直流電源。線路正常時(shí),直流電源設(shè)備為它的服務(wù)對象提供穩(wěn)定的直流電源,并對蓄電池進(jìn)行充電;故障時(shí),由蓄電池提供1~2h的直流供電。4)自動(dòng)監(jiān)控設(shè)備

自動(dòng)監(jiān)控設(shè)備用于對變電所電氣設(shè)備的監(jiān)測和控制,并能對其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集。根據(jù)供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況,自動(dòng)切換電氣設(shè)備將故障設(shè)施自動(dòng)切除,為城市軌道交通供電系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)行提供保障。

電力系統(tǒng)中性點(diǎn)是指在三相電力系統(tǒng)中星形連接的發(fā)電機(jī)、變壓器接線中性點(diǎn)。電力系統(tǒng)中性點(diǎn)運(yùn)行方式有兩大類:一類是大電流接地系統(tǒng)或中性點(diǎn)接地系統(tǒng),包括中性點(diǎn)直接接地和中性點(diǎn)經(jīng)低阻抗接地系統(tǒng);另一類是小電流接地系統(tǒng)或中性點(diǎn)不接地系統(tǒng),包括中性點(diǎn)不接地和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈或高阻抗接地系統(tǒng)。

我國3~10kV供電系統(tǒng)大多采用中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式。根據(jù)相關(guān)規(guī)定,3~60kV供電系統(tǒng),當(dāng)單相接地電流>30A,或20kV以上電網(wǎng)中,接地電流>10A時(shí),則采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式。110kV及以上供電系統(tǒng),采用中性點(diǎn)直接接地方式。對于380V/220V低壓配電網(wǎng)絡(luò),為得到兩個(gè)不同的電壓等級,也采取中性點(diǎn)直接接地的三相四線制。五、電力系統(tǒng)中性點(diǎn)運(yùn)行方式1.中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)

電力線路存在分散電容,各相對地之間是空氣層,空氣是絕緣介質(zhì),組成分散電容。分散電容分為相對地電容和相間電容。通常相間電容不予考慮。(1)系統(tǒng)正常運(yùn)行:三相電壓對稱,各相對地電容電流對稱,大地中沒有電容電流流過,---------中性點(diǎn)對地電位為0。(2)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障(如C相接地):C相對地電壓變?yōu)?,對地電容電流變?yōu)?;中性點(diǎn)電位偏移,對地電位上升為相電壓,且與接地相的原相電壓相位相反;未發(fā)生接地故---------障的其他兩相,即A相、B相的對地電壓升高為相電壓的√3倍,變?yōu)榫€電壓。(3)當(dāng)發(fā)生單相不完全接地即通過一定的阻抗接地故障時(shí),接地相的對地電壓大于0而------小于相電壓;未接地兩相的對地電壓大于相電壓而小于線電壓;中性點(diǎn)對地電壓大于0而小于相電壓;線電壓保持不變,接地電流要小一些。2.中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中,單相接地電容電流超過允許值,電弧將不能自行熄滅。為了減小接地點(diǎn)的單相接地故障電流,一般使變壓器中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈后再與大地連接,構(gòu)成中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。3.中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)(1)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),三相系統(tǒng)對稱,中性點(diǎn)沒有電流流過。(2)發(fā)生單相接地故障時(shí),故障相對地電壓為0,中性點(diǎn)由于直接接地,其對地電壓也為0;非故障相對地電壓基本保持不變,仍為相電壓;接地相經(jīng)過地與電源之間構(gòu)成單相短接回路,流過接地點(diǎn)的電流為單相接地短路電流,其值很大,從而使繼電保護(hù)裝置能立即動(dòng)作于斷路器跳閘,迅速切除故障部分,防止短路電流造成更大的危害。4.中性點(diǎn)經(jīng)低阻抗接地系統(tǒng)(1)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),三相系統(tǒng)對稱,中性點(diǎn)沒有電流流過。(2)發(fā)生單相接地故障時(shí),故障相對地電壓為0,中性點(diǎn)由于低阻抗接地,其對地電壓很小;非故障相的對地電壓基本保持不變,仍為相電壓;接地相經(jīng)過系統(tǒng)電路原理圖低阻抗與地和電源之間構(gòu)成單相短接回路,流過接地點(diǎn)的電流限制為600~1000A,繼電保護(hù)裝置能立即動(dòng)作于斷路器跳閘。5.中性點(diǎn)經(jīng)高阻抗接地系統(tǒng)

一般可采用中性點(diǎn)經(jīng)接地變壓器接地或大電阻接地,應(yīng)用在發(fā)電機(jī)-變壓器組單元中性點(diǎn)經(jīng)高阻抗接地接線的200MW及以上的發(fā)電機(jī)、6kV和10kV配電系統(tǒng)、發(fā)電廠用電系統(tǒng)及較小城市的配電網(wǎng)。任務(wù)2中壓網(wǎng)絡(luò)供電方案的設(shè)計(jì)

城市軌道交通中壓網(wǎng)絡(luò)是主變電所(或電源開閉所)與內(nèi)部牽引供電系統(tǒng)、動(dòng)力照明供電系統(tǒng)的連接橋梁。通過完成本任務(wù),能介紹中壓網(wǎng)絡(luò)的兩大屬性,以及能分析不同類型的中壓網(wǎng)絡(luò)案例。一、認(rèn)知中壓網(wǎng)絡(luò)

交流中壓環(huán)網(wǎng)是城市軌道交通供電網(wǎng)絡(luò)的核心,是保證城市軌道交通供電可靠性的關(guān)鍵因素,這是因?yàn)楦邏汗╇娤到y(tǒng)受城市電網(wǎng)供電的控制,對城市軌道交通內(nèi)部而言是不可控因素,當(dāng)高壓供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),中壓環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性就成了城市軌道交通供電的關(guān)鍵因素。

中壓環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)不是供電系統(tǒng)中獨(dú)立的子系統(tǒng),但卻是供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。牽引供電和動(dòng)力照明等用電均通過中壓環(huán)網(wǎng)獲得電源。1.中壓網(wǎng)絡(luò)概述通過中壓電纜,縱向上把上級主變電所或電源開閉所和下級牽引變電所、降壓變電所連接起來,橫向上把全線的各個(gè)牽引變電所、降壓變電所連接起來,從而形成了中壓網(wǎng)絡(luò)。2.中壓網(wǎng)絡(luò)類型

根據(jù)功能的不同,中壓網(wǎng)絡(luò)可分為兩類:牽引供電網(wǎng)絡(luò)和動(dòng)力照明供電網(wǎng)絡(luò)。為牽引變電所供電的中壓網(wǎng)絡(luò)稱為牽引供電網(wǎng)絡(luò),簡稱牽引網(wǎng)絡(luò);為降壓變電所供電的中壓網(wǎng)絡(luò)稱為動(dòng)力照明供電網(wǎng)絡(luò),簡稱動(dòng)力照明網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)牽引網(wǎng)絡(luò)和動(dòng)力照明網(wǎng)絡(luò)是否獨(dú)立,中壓網(wǎng)絡(luò)可分為牽引動(dòng)力照明獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)和牽引動(dòng)力照明混合網(wǎng)絡(luò)兩種類型。外部電源為集中供電方式時(shí),中壓網(wǎng)絡(luò)可以采用牽引動(dòng)力照明獨(dú)立網(wǎng)絡(luò),也可以采用牽引動(dòng)力照明混合網(wǎng)絡(luò);外部電源為分散供電方式時(shí),中壓網(wǎng)絡(luò)采用牽引動(dòng)力照明混合網(wǎng)絡(luò)。兩種類型特點(diǎn)如下:牽引動(dòng)力照明獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn):牽引網(wǎng)絡(luò)和動(dòng)力照明網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立,相互影響小。牽引動(dòng)力照明混合網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn):供電系統(tǒng)整體性好,設(shè)備布置可以統(tǒng)籌考慮。3.主要設(shè)備中壓網(wǎng)絡(luò)功能類似于電力系統(tǒng)的輸電線路,其設(shè)備為單芯或三芯電力電纜,其中35kV電纜多采用單芯電纜(95~400mm2);10kV電纜多采用三芯電纜(150~300mm2)。4.中壓網(wǎng)絡(luò)屬性中壓網(wǎng)絡(luò)具有電壓等級和構(gòu)成形式兩大屬性。中壓網(wǎng)絡(luò)的屬性將決定外部電源方案、主變電所的位置及數(shù)目、牽引變電所及降壓變電所的位置與數(shù)目、牽引變電所與降壓變電所的主接線等選擇。二、中壓網(wǎng)絡(luò)電壓等級

1.國家中壓配電現(xiàn)狀及發(fā)展方向

我國現(xiàn)行中壓配電標(biāo)準(zhǔn)電壓等級有66kV、35kV和10kV。隨著城鄉(xiāng)電氣化事業(yè)的發(fā)展,若只有一種10kV作為中低電壓的分界,顯然已不能滿城鄉(xiāng)配電網(wǎng)發(fā)展的要求。我國第一個(gè)20kV一次配電的供電區(qū),已于1996年5月在蘇州產(chǎn)業(yè)園區(qū)投入運(yùn)行。從其運(yùn)行情況來看,其線損率大大低于10kV系統(tǒng)。由此可見,20kV電壓等級的這種特點(diǎn),也適合于高密度負(fù)荷地區(qū)的城市電網(wǎng)。2.國內(nèi)城市軌道交通中壓網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及發(fā)展思路

以往,因國家城鄉(xiāng)電網(wǎng)中沒有采用20kV這一電壓等級,相應(yīng)的開關(guān)柜等20kV設(shè)備也沒有跟上發(fā)展。在這樣的大環(huán)境下,要在城市軌道交通工程中使用20kV電壓等級,是比較困難和不現(xiàn)實(shí)的。因而,國內(nèi)既有城市軌道交通的中壓網(wǎng)絡(luò)電壓等級采用了35kV(若采用國外設(shè)備則是33kV)和10kV。

北京和天津的地鐵和城市軌道交通的中壓網(wǎng)絡(luò)采用了10kV電壓等級;上海地鐵1號線的中壓網(wǎng)絡(luò)中牽引供電網(wǎng)絡(luò)采用了33kV電壓等級,動(dòng)力照明供電網(wǎng)絡(luò)采用了10kV電壓等級;廣州地鐵1號線的中壓網(wǎng)絡(luò)采用了33kV電壓等級;深圳地鐵1、4號線和南京地鐵南北線的中壓網(wǎng)絡(luò)均采用了35kV電壓等級。我國電力系統(tǒng)并未推薦過使用33kV電壓等級,上海、廣州地鐵采用此電壓等級有其特殊歷史原因,其他城市很少采用。3.不同電壓等級中壓網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及比較1)35kV中壓網(wǎng)絡(luò)(1)國家標(biāo)準(zhǔn)電壓等級,輸電容量較大、距離較長、功率損耗小。(2)設(shè)備來源于國內(nèi),國產(chǎn)化程度高。(3)設(shè)備體積較大,占用變電所面積較大,不利于減小車站體量。(4)設(shè)備價(jià)格適中。(5)不能使用環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜構(gòu)成接線與保護(hù)簡單、操作靈活的環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)。2)33kV中壓網(wǎng)絡(luò)(1)國際標(biāo)準(zhǔn)電壓等級,輸電容量較大、距離較長、功率損耗較小,這一點(diǎn)基本與35kV一致。(2)設(shè)備來源于國外。(3)設(shè)備體積較小,占用變電所面積較小。(4)設(shè)備價(jià)格高。(5)有環(huán)網(wǎng)單元,能構(gòu)成接線與保護(hù)簡單、操作靈活的環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)。3)20kV中壓網(wǎng)絡(luò)(1)國際標(biāo)準(zhǔn)電壓等級,輸電容量及距離適中,功率損耗較小。(2)設(shè)備基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。(3)引進(jìn)國外技術(shù)的開關(guān)設(shè)備,體積較小,占用變電所面積遠(yuǎn)小于國產(chǎn)35kV設(shè)備,有利于減小車站體量,節(jié)省土建投資。(4)價(jià)格適中。(5)有環(huán)網(wǎng)單元,能構(gòu)成接線與保護(hù)簡單、操作靈活的環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)。

4)10kV中壓網(wǎng)絡(luò)(1)國家標(biāo)準(zhǔn)電壓等級,供電容量較小、距離較短、功率損耗大。(2)設(shè)備來源于國內(nèi)。(3)設(shè)備體積適中。(4)設(shè)備價(jià)格較低。(5)環(huán)網(wǎng)開關(guān)技術(shù)成熟、運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)豐富,可構(gòu)成保護(hù)簡單、操作靈活的環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)。三、中壓網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成形式

根據(jù)外部電源供電方式、中壓網(wǎng)絡(luò)的電壓等級,中壓網(wǎng)絡(luò)具有不同的構(gòu)成形式。1.集中供電方式的中壓網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)外部電源采用集中供電方式時(shí),若中壓網(wǎng)絡(luò)采用獨(dú)立牽引網(wǎng)絡(luò)和獨(dú)立動(dòng)力照明網(wǎng)絡(luò)類型,此時(shí)兩個(gè)中壓網(wǎng)絡(luò)可采用不同電壓等級,也可采用相同電壓等級。為適應(yīng)牽引負(fù)荷較重、動(dòng)力照明負(fù)荷相對較輕的特點(diǎn),一般應(yīng)采用不同電壓等級。牽引網(wǎng)絡(luò)電壓等級高,為35kV或33kV,動(dòng)力照明網(wǎng)絡(luò)電壓等級低,為10kV,此時(shí)構(gòu)成了獨(dú)立的35kV(33kV)牽引網(wǎng)絡(luò)+獨(dú)立的10kV動(dòng)力照明網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)中壓網(wǎng)絡(luò)采用牽引動(dòng)力照明混合網(wǎng)絡(luò)類型時(shí),其電壓等級只能采用相同電壓等級,可以選用35kV、33kV、10kV之一,此時(shí)構(gòu)成了35kV(或33kV10kV)牽引動(dòng)力照明混合網(wǎng)絡(luò)。1)獨(dú)立的35kV(33kV)牽引網(wǎng)絡(luò)+獨(dú)立的10kV動(dòng)力照明網(wǎng)絡(luò)2)牽引動(dòng)力照明混合網(wǎng)絡(luò)2.分散供電方式的中壓網(wǎng)絡(luò)外部電源采用分散供電方式,中壓網(wǎng)絡(luò)只能采用牽引動(dòng)力照明混合網(wǎng)絡(luò),電壓等級一般為10kV,構(gòu)成形式有A型、B型、C型。任務(wù)3牽引供電系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)任務(wù)描述

牽引供電系統(tǒng)是城市軌道交通供電系統(tǒng)的核心,擔(dān)負(fù)著為電動(dòng)車組不間斷提供電能的重要任務(wù)。通過完成本任務(wù),能準(zhǔn)確描述牽引網(wǎng)的供電方式與供電制式,并能正確分析牽引饋電方式與電動(dòng)車輛如何配合。一、主變電所向牽引變電所供電的接線方式

牽引變電所是從中壓網(wǎng)絡(luò)獲得電能,轉(zhuǎn)換后向牽引網(wǎng)饋電的變電所,即牽引變電所連接中壓網(wǎng)絡(luò)與牽引網(wǎng),從中壓網(wǎng)絡(luò)接收電能,將電能轉(zhuǎn)換為適合的電壓和種類,饋電給牽引網(wǎng),并向電動(dòng)車輛提供牽引電能。為滿足牽引網(wǎng)供電電壓的要求,需要在軌道交通沿線設(shè)置多個(gè)牽引變電所,每個(gè)牽引變電所均有兩個(gè)獨(dú)立的供電電源,由主變電所或電源開閉所通過中壓網(wǎng)絡(luò)提供。二、牽引網(wǎng)供電方式

牽引網(wǎng)的供電方式是指牽引變電所向牽引網(wǎng)的供電方式。在城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中,牽引網(wǎng)的供電方式有單邊供電、雙邊供電、大雙邊供電、越區(qū)供電等幾種形式,其中單邊供電、雙邊供電為正常運(yùn)行時(shí)的供電方式,大雙邊供電、越區(qū)供電為故障運(yùn)行時(shí)的供電-方式。

1.環(huán)形供電

環(huán)形供電是由兩個(gè)或兩個(gè)以上主降壓變電所和所有的牽引變電所用中壓輸電線連成一個(gè)環(huán)形來供電。環(huán)形供電是很可靠的供電線路,因?yàn)樵谶@種情況下,一路輸電線和一個(gè)主降壓變電站同時(shí)停止工作時(shí),只要其母線仍保持通電,就不致中斷任何一個(gè)牽引變電所的正常供電,但其投資較大。2.雙邊供電雙邊供電是由兩個(gè)主變電所向沿線牽引變電所供電,通往牽引變電所的中壓輸電線都通過其母線連接。為了增加供電的可靠性,用雙回路輸電線供電。這種接線方式的可靠性稍低于環(huán)形供電。當(dāng)引入線數(shù)目較多時(shí),開關(guān)設(shè)備較多,投資較大。3.單邊供電當(dāng)線路沿線只有一側(cè)有電源時(shí),采用雙回路進(jìn)行單邊供電。與環(huán)形供電和雙邊供電相比,單邊供電可靠性較差。為了提高其可靠性,宜采用雙回路輸電線供電。單邊供電所用的設(shè)備較少,投資較少。在雙邊供電和單邊供電的情況下,為了減少供電設(shè)備和降低變電所的投資規(guī)模,每路輸電線不必都進(jìn)入所有的牽引變電所,可以輪流地每隔一個(gè)變電所進(jìn)入一個(gè)。4.輻射供電輻射供電接線方式的每個(gè)牽引變電所用兩路獨(dú)立中壓輸電線與主變電所連接。這種接線方式適用于軌道線路成弧形、每個(gè)牽引變電所到主變電所的距離差不多一樣的情形。它的特點(diǎn)是接線簡單、投資少,但當(dāng)主變電所停電時(shí),將全線停電。三、牽引網(wǎng)供電制式

牽引網(wǎng)供電制式是指城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)向電力機(jī)車或電動(dòng)車輛供電所采用的方式,包括電流制式、電壓等級和饋電方式。

1.電流制式

電流制式是指牽引供電系統(tǒng)中牽引網(wǎng)的供電電流種類。牽引網(wǎng)的電流制式有直流制式和交流制式兩種形式,其中交流制式按相數(shù)又分為三相、單相;按頻率分為工頻、低頻、高頻。

1)交流制式與直流制式比較

牽引網(wǎng)采用交流制式時(shí),由于交流電壓可升高,故供電電壓高,供電電流小,線路損耗小,供電距離長,牽引變電所間距大;牽引網(wǎng)采用直流制式時(shí),電壓一般較低,供電電流較大,線路損耗大,供電距離短,牽引變電所間距小。城市軌道交通的牽引網(wǎng)采用直流制,我國電氣化鐵路牽引網(wǎng)采用單相工頻交流制,其主要不同點(diǎn)在于:

(1)供電對象不同:電氣化鐵路運(yùn)量大,車輛編組大,需要較大的功率;城市軌道交通運(yùn)量小,車輛編組小,需要的功率小。

(2)供電距離不同:電氣化鐵路線路長,供電距離大;城市軌道交通線路短,供電距離小。

(3)實(shí)施地點(diǎn)不同:電氣化鐵路跨越不同區(qū)域、省甚至國家;城市軌道交通分布在城市市域范圍內(nèi)或相鄰城市間。

2)城市軌道交通采用直流制式的原因

(1)城市軌道交通線路較短,運(yùn)行速度低,牽引網(wǎng)的供電范圍(距離)不長、電動(dòng)車輛的功率不大,不需要太高的供電電壓。

(2)城市軌道交通的供電線路都處在城市建筑群之間,供電電壓不宜過高,以確保安全。

(3)直流制式供電無電抗壓降,在相同的電壓等級下,與交流制式相比,直流制式供電的電壓損失小。

(4)直流制式供電的對象,包括早期使用的串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)和近期采用的變頻調(diào)速異-------步牽引電動(dòng)機(jī),均具有良好的啟動(dòng)和調(diào)速特性,可充分滿足電動(dòng)車輛牽引特性的要求。2.電壓等級

直流牽引供電電壓等級繁多,主要有:570V、600V、625V、650V、700V、750V、780V、825V、900V、1000V、1100V、1200V、1500V、3000V。1)電壓等級標(biāo)準(zhǔn)

為了規(guī)范各國城市軌道交通的電壓制式,國際電工委員會(huì)(IEC)、國際鐵路聯(lián)盟(UIC)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(EN),以及各國都提出了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。IEC、UIC、EN規(guī)定的與城市軌道交通牽引電壓(直流系統(tǒng))有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。2)電壓等級選用

(1)電壓等級的具體選用。IEC擬訂的電壓標(biāo)準(zhǔn)為600V、750V、1500V三種電壓等級;我國國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T999—2021),推薦使用750V、1500V兩種電壓等級。750V電壓等級允許波動(dòng)范圍為500~900V,1500V電壓等級允許波動(dòng)范圍為1000~1800V。

(2)750V、1500V兩種電壓等級的比較。3.饋電方式

城市軌道交通車輛的受流方式主要為受電弓式和集電靴式,因此向車輛饋電的牽引網(wǎng)的饋電方式有架空接觸網(wǎng)和接觸軌兩種方式。1)架空接觸網(wǎng)

架空接觸網(wǎng)是沿軌道線路,在鋼軌上空架設(shè),向電動(dòng)車輛供電的特殊形式的輸電線路,電動(dòng)車輛由頂部升起的受電弓在架空接觸網(wǎng)上滑動(dòng)接觸取得電能。2)接觸軌

接觸軌是沿軌道線路敷設(shè)的附加接觸軌,電動(dòng)客車由轉(zhuǎn)向架伸出的受流器通過滑靴與第三軌接觸而取得電能。4.牽引網(wǎng)供電制式的配置形式

結(jié)合牽引網(wǎng)的電流制式、電壓等級和饋電方式,我國城市軌道交通牽引網(wǎng)供電制式可以選擇以下四種配置方式:直流(DC)1500V架空接觸網(wǎng)、直流1500V接觸軌、直流750V架空接觸網(wǎng)、直流750V接觸軌。如北京地鐵7號線采用DC1500V接觸軌,其余大部分線路采用DC750V接觸軌;上海軌道交通線路主要采用DC1500V架空接觸網(wǎng);廣州軌道交通線路既有DC1500V架空接觸網(wǎng)、也有DC750V接觸軌。牽引網(wǎng)供電制式中,電壓等級與饋電方式是其關(guān)鍵點(diǎn),兩者密切相關(guān)。牽引網(wǎng)供電制式的選擇,涉及供電牽引系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、供電質(zhì)量、運(yùn)輸?shù)目土髅芏?、供電距離、車輛的選型等,需要根據(jù)各城市的具體條件和要求,通過綜合技術(shù)論證后決定。四、牽引變電所布置方案1.設(shè)置原則(1)影響牽引變電所設(shè)置的因素:①主要因素:牽引網(wǎng)電壓等級、牽引網(wǎng)電壓損失。②其他因素:雜散電流腐蝕防護(hù)、線路損耗、電纜敷設(shè)、土建造價(jià)。(2)牽引變電所設(shè)置的基本要求:①牽引變電所分布應(yīng)盡量均勻。②牽引整流機(jī)組規(guī)格應(yīng)盡量統(tǒng)一,以便于維護(hù)管理及降低維護(hù)成本。③應(yīng)具備足夠的容量,以滿足城市軌道交通供電發(fā)展的需要。2.布點(diǎn)與選址過程1)確定牽引變電所的數(shù)量及布點(diǎn)(1)確定供電分區(qū)長度。確定供電分區(qū)長度時(shí),需要綜合考慮牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行方式、牽引網(wǎng)最大電壓損失、雜散電流腐蝕防護(hù)、線路損耗,以及是否在區(qū)間設(shè)置牽引變電所等因素。

①牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行方式。牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行方式包括:單牽引整流機(jī)組雙邊供電、雙牽引整流機(jī)組雙邊供電和大雙邊供電。供電分區(qū)的長度,需滿足在牽引變電所故障解列時(shí)牽引網(wǎng)采用大雙邊供電運(yùn)行方式的要求。

②牽引網(wǎng)最大電壓損失。雙邊供電牽引網(wǎng)最大電壓損失發(fā)生在供電分區(qū)中部,單邊供電牽引網(wǎng)最大電壓損失發(fā)生在供電分區(qū)末端。因此,為保證供電分區(qū)最大電壓損失處電壓允許值滿足要求,并考慮牽引供電系統(tǒng)的運(yùn)行方式,需按照大雙邊供電進(jìn)行電壓損失核算。

③雜散電流腐蝕防護(hù)。直流牽引電流流經(jīng)走行軌時(shí),因走行軌存在內(nèi)部電阻,在走行軌上產(chǎn)生縱向電位??v向電位的大小與直流牽引電流、走行軌電阻、供電分區(qū)長度有關(guān)。

在相同條件下,牽引變電所的供電分區(qū)長度越短,走行軌上產(chǎn)生的縱向電位越小,雜散電流泄漏量則越少;供電分區(qū)長度越長,走行軌上產(chǎn)生的縱向電位越大,雜散電流泄漏量則越多。

可見,供電分區(qū)長,牽引變電所數(shù)量少,將不利于雜散電流腐蝕的防護(hù)。

④線路損耗。牽引網(wǎng)的單位電

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