第三章 城市轨道交通供电系统

1、3.2 牵引变电所牵引变电所 3.3 降压变电所降压变电所3.4 接触网接触网3.5地下杂散电流及其防护地下杂散电流及其防护3.1 概述概述 第三章第三章 城市轨道交通供电系统城市轨道交通供电系统1. 城市轨道供电系统的构成城市轨道供电系统的构成 3.1 概述概述 城市轨道交通供电系统外部电源主变电所牵引供电系统动力照明供电系统电力监控系统牵引变电所牵引网系统降压变电所动力照明1. 电力牵引系统工作原理及能量传递过程电力牵引系统工作原理及能量传递过程3.1 概述概述 车上受电弓牵引变压器牵引整流器转向架牵引电机机车车辆27.5KV单相接触网交流直流机械能电能牵引供电系统牵引供电系统电能从牵引变

2、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、回流线流回牵引变电所。牵引负荷为一级负荷，规定有两路独立的电源双边供电，当任何一路电源发生故障中断供电时，另一路应能保证一级负荷的全部用电。牵引变电所接触网馈电线回流线电分段电动车组轨道受电器动力照明系统动力照明系统动力照明供电系统由降压变电所及动力照明组成。每个车站应设降压变电所，若地下车站负荷较大，一般设于站台两端，其中一端可以和牵引变电所合建成混合变电所；若地面车站负荷较小，可设一个降压变电所。2. 城市电网对轨道交通的供电方式及负荷等级城市电网对轨道交通的供电方式及负荷等级 城市轨道交通系统的外部电源方案，根据城市电网构成的不同特

3、点，可采用集中式、分散式、混合式等不同形式。究竟采用何种方式，应通过计算确定需要负荷之后，根据城市轨道交通路网规划、城市电网构成特点、工程实际情况综合分析确定。 （1）集中式供电：在城市轨道交通沿线，根据用电容量和线路长短，建设专用的主变电所，这种由主变电所构成的供电方案，称为集中式供电。上海、广州、南京、香港、德黑兰 （2）分散式供电 ：不设主变电所，而直接由城市电网区域变电所的35（33）kV或10kV中压输电线直接向城市轨道交通沿线设置的牵引变电所、降压变电所供电并形成环网。沈阳地铁、长春轻轨、大连轻轨、北京城铁、北京八通线、北京地铁5号线 （3）混合式供电：将前两种供电方式结合起来，一

4、般以集中式供电为主，个别地段引入城市电网电源作为集中式供电的补充，使供电系统更加完善和可靠。北京地铁一线和环线 城市轨道交通供电系统的负荷等级共分为三个： （1）地下铁道重要的电力用户如车站站厅和站台层的事故救援及照明、电动车辆、通信、信号、防灾装置为一级负荷；一级负荷规定有两路独立的电源双边供电，当任何一路电源发生故障中断供电时，另一路应能保证一级负荷的全部用电； （2）车站站厅和站台层的一般照明、设备及管理用房照明、出入口照明、一般风机、直升电梯、自动扶梯为二级负荷； （3）车站内广告照明、冷水机组及配套设备、电热设备、清洁机械设备等为三级负荷。3. 城市轨道供电系统的功能和作用城市轨道供

5、电系统的功能和作用 城市轨道交通的用电负荷按其功能不同可分为两大用电群体。 一是电动客车运行所需要的牵引负荷； 二是车站、区间、车辆段、控制中心等其他建筑物所需要的动力照明用电，诸如：通风机、空调、自动扶梯、电梯、水泵、照明、AFC系统、FAS、BAS、通信系统、信号系统等。 在上述用电群体中，有不同电压等级直流负荷、不同电压等级交流负荷；有固定负荷、有时刻在变化的运动负荷。每种用电设备都有自己的用电要求和技术标准，而且这种要求和标准又相差甚远。城市轨道供电系统就是要满足这些不同用户对电能的不同需求，以使其发挥各自的功能与作用。4. 城市轨道供电原理城市轨道供电原理 城市轨道交通的供电电源一般

6、取自城市电网，通过城市电网一次电力系统和轨道交通供电系统实现输送或变换，最后以适当的电流形成（直流或交流电）和电压等级供给用电设备。 城市电网一次电力系统 轨道交通供电系统 城市电网一次电力系统由国家电力部门建造与管理，包括发电厂（站）、传输线路及区域变电所。 发电厂（站）：分为火力、水力、核动力等各种能源发电厂（站）。 传输线路：需升压为超高电压（110kV或220kV），通过三相传输线输送到区域变电所。 区域变电所：将超高压电能降压为所需电压等级（如10kV或35kV），再经过三相输送电线输送到本区域内的牵引变电所和降压变电所，并再降压为所需的电压等级（如1500V或380V等）。 城市轨

7、道交通是一个重要的用电部门，按规定须由两路独立的电源供电，当其中任何一路电源发生故障时，另一路应能保证一级负荷的全部用电的需要。因此，城市轨道牵引变电所的电源进线来自两个区域变电所或来自一个区域变电所的两路独立电源，当一路电源失压时，另一路电源自动切入，使轨道交通系统能获得不间断的电源。 轨道交通供电制式是指供电系统向电动车辆或电力机车供电所采用的电流和电压制式。 电压制由低压到高压，有600V、750V、825V、1000V、1200V和1500V等，其发展趋向是国际IEC电压标准，为600V、750V、1500V，而我国国标电压标准为750V和1500V两种。所以，目前国内各城市的地铁和轻

8、轨采用的电压制均为750V和1500V之间进行选择。 电流制有直流、交流两类，国际电力牵引设备委员会建议采用下列数值： 直流：600，750，1500，3000V（标称值）； 交流：6250，15000，25000V（标称值）。动力牵引方式直流牵引系统交流牵引系统直-直流牵引系统交-直流牵引系统交交变频器交直交变频器1. 变电所分类变电所分类3.2 牵引变电所牵引变电所 根据变电所的功能不同，可分为以下三类： （1）高压主变电所 由发电厂或区域变电所直接供电。在主变电所降压后，分别以不同电压等级向牵引变电所和降压变电所供电，是城市轨道交通供电系统的集中变电所（用于三级电压供电）。 （2）牵引变

9、电所 城市轨道交通供电系统的主要用电对象是电动车组，即牵引用电。为确保牵引供电的质量，牵引变电所的设置（数量、位置）和容量应该按远期列车编组，运行密度进行牵引供电计算后确定。牵引变电所引入两个独立的中压交流电源，并将交流电能转换为直流电能，承担着向电动列车提供直流牵引电能的功能。 根据制式的不同牵引变电所又分为直流牵引变电所和交流牵引变电所。根据不同的牵引制式，变电所内完成相应的变压、变相、变流作用。目前我国的牵引变电所主要有电气化铁路的单相工频交流制牵引变电所和城市轨道交通系统（地铁和轻轨）的直流牵引变电所。 （3）降压（动力）变电所 降压（动力）变电所根据动力用电量确定其设置数量和容量。

10、2. 变电所的供电方式变电所的供电方式 （1）二级电压供电：由区域变电所输出中高压等级（10kV或35kV），直接向牵引变电所和降压变电所供电。由牵引变电所降压和整流为直流牵引电压等级（如750V或1500V）；由降压变电所降为380V动力电压等级。再分别向接触网、电动车组供电或向动力用电设备供电。 （2）三级电压供电：需设置轨道交通系统高压变电所，即由区域变电所输出高压等级（如110kV或220kV）对主变电所供电。再由主变电所将高压等级降为中高压等级，分别向牵引变电所和降压变电所供电。 我国北京、天津地下铁道采用二级电压供电方式，上海地铁则采用三级电压供电方式。3. 向牵引变电所供电的形式

11、向牵引变电所供电的形式 由于交通运输的重要性，所有轨道交通的牵引供电都属于电力部门供电的一级负荷，即要确保向它供电的可靠性。为此，牵引变电所均由两个独立的电源供电。又由于轨道交通线路分布范围较广，通常需要在轨道沿线设置多个牵引变电所向它供电，再加上电源线路的具体分布情况不同，因此，造成向牵引变电所供电的形式复杂多样，但可以将它归纳成以下几种典型的形式。 （1）环形供电 由两个或两个以上主降压变电站和所有的牵引变电所用输电线联成一个环形，环形供电是很可靠的供电线路，因为在这种情况下，一路输电线和一个主降压变电站同时停止工作时，只要其母线仍保持通电，就不致中断任何一个牵引变电所的正常供电，但其投资

12、较大。a-牵引变电所；b-主降压变电所；c-线条表示一路三相输电线；d-轨道线 （2）双边供电 由两个主降压变电站向沿线牵引变电所供电，通往牵引供电所的输电线都经过其母线联接，为了增加供电的可靠性，用双路输电线供电，而每路按输送功率计算。这种接线可靠性稍低于环线供电。当引入线数目较多时，开关设备多，投资增加。 （3）单边供电 当轨道沿线附近只有一侧有电源时，则采用单边供电。单边供电较环形供电的可靠性差，为了提高可靠性，应用双回路输电线供电，单边供电设备较少，投资也少。 在双边供电和单边供电的情况下，每路输电线可以不必都进入所有的牵引变电所，而是轮流地每隔一个进入一个，这样可以减少进线的数目而降

13、低变电所的投资。 （4）辐射形供电 每个牵引变电所用两路独立输电线与主降压变电站联接。这种接线方式适合于轨道线路成弧形的情况，这种接线简单，但当主降压变电所停电时，全线将停电。 d a b 3.3 降压变电所降压变电所 城市轨道交通的正常运行中，除了牵引用电之外，在环境控制和系统服务等方面还有众多用电设备，如通风机、给排水泵、自动扶梯等动力设备，以及照明、通信信号设备等。这些设备一般均使用三相380V或单相220V交流电。降压变电所即是将区域变电所或诸变电所输入的中压等级电压降压变成低压交流电，并通过配电（所）室分配各种设备用电。 降压变电所一般设在车站附近，即可对车站较集中的电气设备供电，也

14、方便向车站两侧区间用电设备供电。此外，车辆基地、系统调度控制中心需要专门设置的降压变电所供电。1. 降压变电所降压变电所2. 降压变电所负荷分类降压变电所负荷分类 一级负荷：消防用电、防灾报警、设备监控、通信、信号、售检票、排风/排烟机以及相关风阀、事故照明（含疏散指示照明）、废水泵和降压变所自用电、屏蔽门系统、交直流屏。 二级负荷：一般照明、节电照明、设备及管理用房照明、出入口照明、标志灯箱、污水泵、直升电梯、自动扶梯等。由降压变电所任一段低压母线供电，必要时可切除。 三级负荷：广告照明、冷水机组及配套设备、电热设备、清洁机械等。由降压变电所的任一段低压母线供电，当变电所只有一路电源时自动切

15、除。 一级负荷中的事故照明由交、直流屏供电，消防泵、喷淋泵、废水泵、防灾报警、设备监控、通信、信号、售检票采用双电源末端自切，双电源引自降压变电所的两端低压母线；其他一级负荷均接在环控室低压母线上，该母线由降压变电所双路供电，在环控电控柜自切。3. 动力照明系统动力照明系统 车站动力照明采用380/220V三相五线制系统配电。 照明电源引自降压变电所0.4kV两段母线，照明配电箱分别设于站台层、设备层及站厅层的配电室内，按不同照明种类分别设置照明配电箱。 事故照明（包括诱导照明）由降压变电所交直流屏供电。站台下安全照明，折返线检查坑和车辆段检查坑内的安全照明或携带式照明用插座采用交流36V安全

16、电压，其余均采用交流220V电压。1. 牵引网与接触网牵引网与接触网3.4 接触网接触网 接触网即经过电动列车的受电器向电动列车供给电能的导电网（有接触轨方式和架空接触网两种方式）。城市轨道交通系统的牵引网是沿线路敷设的专为电动车辆供给电源的装置，是轨道交通供电系统中电动车组供电的直接环节，它由两部分组成，正极接触网供电，负极走行轨回流。牵引网包括接触网、钢轨回路（包括大地）、馈电线和回流线等，馈电线是连接牵引变电所和接触网的导线，把牵引变电所电能变换成牵引制式用电能并馈送给接触网。 接触网是一种悬挂在轨道上方沿轨道敷设的、与铁路顶轨保持一定距离的输电网。通过电动车组的受电弓（或受流器）和接触

17、网的滑动接触，牵引电能就由接触网进入电动车组，驱动牵引电动机使列车运行。接触网可分为接触轨和架空接触网两种类型。接触轨的主要优点是：使用寿命长，维修量小，在地面对城市景观没有影响，适应于电压较低的制式。接触网的主要优点是：安全性较好，适应于电压较高的制式。 接触轨和接触网两种供电方式，目前在世界上许多国家同时并存，到底用哪种方式要根据城市自身的特点决定。2. 接触网应满足的要求接触网应满足的要求 （1）由于接触网在工作中无备用网，因而要求接触网强度高、且安全可靠； （2）要求在各种气候条件下均应受流良好； （3）因接触网部件更换困难，因此要求接触网性能好、运行寿命长； （4）因其维修是利用行车

18、中的间隔时间进行的，故要求结构轻巧，零部件互换性强，便于施工、维护和抢修； （5）因接触网无法避开腐蚀强、污秽严重等异常环境，应采用耐腐蚀和防污秽技术措施； （6）因采用与受电器摩擦接触的受流方式，因此要求接触网有较均匀的弹性，接触线等部位要有良好的耐磨性。3. 接触网的电分段接触网的电分段 电分段是为了便于检修和缩小事故范围而将接触网分为若干段。电分段根据设置位置分为纵向电分段和横向电分段，纵向电分段指的是沿线路方向进行分段，横向电分段式在线路之间的分段，如在车辆段的各股道之间进行的分段等。 电分段通常用分段绝缘器来实现。分段绝缘器是用以实现电分段的专用绝缘装置。目前，广泛采用环氧树脂分段绝

19、缘器，其结构主要由环氧树脂绝缘板、铝合金导流滑板等组成。 接触网在正常工作状态下，从牵引变电所直接得到馈电，并构成双边供电。接触网的电分段设在下列各处： （1）车辆出行处（进站端）； （2）辅助线与正线的衔接处； （3）车辆段与正线的衔接处； （4）车辆段库线入口处。4. 接触网的供电原理及方式接触网的供电原理及方式 牵引供电所向接触网供电有两种方式：单边供电和双边供电。 接触网通常在相邻两牵引变电所间的中央断开，将两牵引变电所之间两供电臂的接触网分为两个供电分区。每一供电分区的接触网只从一端的牵引变电所获得电流，称为单边供电。 如果在中央断开处设置开关设备时，可将两供电分区连通，此处称为分区

20、亭。经分区亭的断路器闭合，则相邻牵引变电所间的两个接触网供电分区均可同时从两个变电所获得电流，则称为双边供电。 类似第三轨的架空刚性接触网（又称刚性悬挂）用于刚性悬挂的型材5. 接触网的类型接触网的类型 牵引供电所向接触网供电有两种方式：单边供电和双边供电。 接触网分为架空式接触网和接触轨(也称第三轨)式接触网。接触轨式接触网仅用于地铁与封闭的城市铁路和轻轨，架空式接触网除此还可用于铁路干线、城市地面和工矿电机车电力牵引线路。 1.架空式接触网 架空式接触网是架设在走行轨道上部的接触网，由电动列车顶部伸出的受电弓与之接触取得电能。架空式接触网用于城市地面以及低下、铁路干线、工矿的电力牵引线路。

21、一般，牵引网电压较高时，为了安全和保证一定的绝缘距离，宜采用高架式接触网。架空接触网可分为地面架空式和隧道架空式两种。 （1）地面架空式 由以下几个部分组成。 接触悬挂：包括承力索、吊弦、接触线。支持装置：其作用是用以支持接触悬挂，并将其负荷传给支柱或其他建筑物的结构，包括腕臂、拉杆和绝缘子。定位装置：其作用是保证接触线与受电弓的相对位置在规定范围内，包括定位器与定位管。支柱与基础：其作用是用以支承接触悬挂和支持装置，并将接触悬挂固定在规定高度。 （2）隧道架空式 因为隧道内空间狭窄，所以隧道架空式接触网必须考虑隧道断面、净空高度、带电体对接地体的绝缘距离等因素的限制。此外隧道架空式接触网的支

22、持装置可直接设置在洞顶或洞壁上，而不需要专门立支柱。只有合理的选择和确定悬挂方式，才能充分地利用有效的净空高度，改善接触网的工作性能。 安装在绝缘子上的馈电线通过联接线与接触线联接，使接触线受电。接触线由调节臂固定，调节臂带棒式绝缘子，一端固定安装在隧道洞顶一侧的弹性支架上。调节臂可用来调整接触线与轨面之间的高度，弹性支架通过调节臂使接触线与受电弓之间保持足够的弹性，以保证它们之间的良好接触受流。 地面与隧道架空式悬挂均属柔性接触悬挂，还有一种悬挂方式为刚性架空式接触悬接，可适用于低净空隧道。在日本的东京、大阪等地的地铁中已有应用，但在弹性方面不如柔性接触悬挂。 10-10 隧道架空式接触网示

23、意图 注：该图视看方向为列车行进方向6. 接触轨接触轨 接触轨是沿线走行轨道一侧平行铺设的附加第三轨，故又称第三轨。在净空受到限制的线路和电压等级较低时多采用接触轨式接触网。 接触轨受电方式最早在伦敦城市轨道采用，由于接触轨构造简单，安装方便，可维修性好，并对隧道建筑结构等净空要求低，受流性能满足DC750V供电的需要，因而在标准电压DC750V供电系统中得到广泛的应用。接触轨系统允许电压波动范围为DC750VDC900V。第三轨接触网的电压据IEC标准为DC 600V和DC 750V，北京地铁采用了750V的接触轨供电的方式。但也有国家采用较高电压，如西班牙巴塞罗那地铁就采用了DC 1500V和1200 V。 接触轨可以有三种布置方式即，上磨式、下磨式以及侧磨式。上上磨磨式式 （1）上磨式 接触轨装在专用绝缘子上，底朝下。取流时，接触靴自上压向接触轨。上磨式的接触力不由受流器（集电靴）的重量和磨耗情况决定，而只受弹簧支座特性的控制，受流平稳，由于端部弯头的过渡作用，能够减少在断电区的电流冲击。 上磨式接触轨因接触靴在其上面滑动，所以固定方便，但不易加防护罩。上磨式接触轨施工作业简便，可以在轨头上部通过支架安装不同类型的防护板。北京地铁、纽约地铁都是采用上接触式第三轨。 （2）下磨式 下磨式轨头朝下，通过绝缘肩架、橡胶垫、扣板收紧螺栓、