轨道交通牵引供变电技术第1章第2节-城市轨道交通直流电力牵引供变电装置及其功能

第一章轨道交通牵引供变电装置与电气设备概论第二节城市轨道交通直流电力牵引供变电装置及其功能轨道交通牵引供变电技术第二节城市轨道交通直流电力牵引供变电装置及其功能轨道交通牵引供变电技术轨道交通牵引供变电技术

城市轨道交通直流电力牵引供变电系统是由从电力系统的区域变电站或城网降压变电站接受和输送电能的外部供电系统（包括主变电所、专用中压供电网）、直流牵引变电所和降压变电所等环节和装置组成的专用电气系统，如图1.11所示。它主要通过牵引变电所整流机组降压变流后，向城市轨道交通电动车组牵引负荷提供所需直流电压和电能。同时，经降压变电所变压器降压后，为车站与线路区间各种机电设备、照明负荷和通信信号提供低压380/220V电源。图1.11城市轨道交通直流电力牵引供变电系统组成图轨道交通牵引供变电技术世界上各国城市轨道交通的地铁与轻轨，大都采用直流牵引制，并具有一百多年的运营历史。由于城市轨道交通牵引的特点是，车站站间距离短（1～3km），列车启动和制动频繁，要求牵引网供电电压应相对维持稳定。最初采用直流电力牵引制的出发点有以下几方面：（1）电动车辆应用直流牵引电机调速方便且易于实现，借助传统的电阻调节控制，改变牵引电机端压或调节励磁即可调节速度。（2）直流串激电机具有适合于列车牵引性能的转矩-速度特性。（3）直流供电相对交流供电的牵引网电压损失和功率损失要小得多，有利于保持网压稳定，确保列车频繁启动下的电压质量，从而有利于保证列车的运行速度。轨道交通牵引供变电技术随着机车控制技术和电力电子技术的发展，出现了斩波调压控制的直流牵引电机驱动方式，直流牵引制的上述优势依然明显，即便是目前采用变频调压（VVVF）控制的交流牵引电机传动系统，直流牵引制对于保证网压质量和交流传动控制系统的稳定工作，以及简化电动车辆逆变器的器件与设备都是有利的，因此，至今仍然在城市轨道交通牵引中得到广泛的采用。国外城市轨道交通的直流牵引制供电电压等级，从570V、750V到1500V、3000V等有多种标准，但其发展趋势是向国际电工协会（IEC）制定的国际标准600V、750V和1500V等电压等级靠拢。轨道交通牵引供变电技术我国国家标准规定，城市轨道交通电力牵引供电电压为750V、1500V两种等级，其电压允许波动范围：750V电压级为500～900V；1500V电压级为1000～1800V。电压等级的选择是一项牵涉城市或地区近期与长远经济、社会发展的重大决策，它与牵引网结构形式、城市远期客流量、电动车辆容量与编组、线路断面开挖工程量，以及具体城市或地区的环境和地质条件等多种因素有关，应针对主要影响因素，通过综合技术经济全面比较予以确定。对于750V和1500V电压等级的牵引网结构形式，均分为架空接触网和接触轨两种。我国早期在北京、天津等地建成的地铁工程，都是采用直流750V上部取流低碳钢接触轨系统，轨道交通牵引供变电技术20世纪末和21世纪初，上海、广州等地投入运营的地铁线多数采用1500V柔性架空接触网结构，少数采用1500V刚性架空接触网结构，同时少数城市的轻轨线路也有分别采用750V柔性架空接触网和750V下部取流与上部取流钢铝复合接触轨结构的系统，其后一些城市的地铁工程则采用了1500V下部取流钢铝复合接触轨系统。这说明接触网结构形式及其使用的新材料，近年来得到了良好的发展和应用。

为了对城市轨道交通直流电力牵引供变电系统各主要组成环节和供电装置的功能与作用有全面的了解，下面分别给以简要介绍。轨道交通牵引供变电技术城市轨道交通需从城市电网或区域变电所取得电源，由于牵引负荷和为其服务的重要机械动力、行车信号和车站照明都属于一级负荷，从电源接受和输送电能并为其供电的外部供电方式必须有足够的可靠性、灵活性，并能保证供电质量。外部供电电源依靠中压供电网分别与沿线牵引变电所、降压变电所连接，构成后两者的电源进线。（一）外部供电方式外部供电方式有集中式供电、分散式供电和混合式供电3种，其构成和主要特点分述如下：

一、外部供电方式和中压供电网轨道交通牵引供变电技术集中式供电方式集中式供电方式是由专门设置的主变电所集中为沿线直流牵引变电所和降压变电所供电的一种供电方式，如图1.12所示。每个主变电所需有两路从区域或城网降压变电所馈出的独立电源进线，线路电压多采用110kV，经降压后输出35kV电压馈线，为牵引变电所和降压变电所供电。图中各主变电所的供电划分为若干供电分区，每两个供电分区间通过双环网电缆进行联络，并设有联络开关QF1、QF2等，正常时断开。若主变电所A退出工作，则QF1、QF2自动合闸，由相邻主变电所B向原主变电所A的供电分区供电。主变电所B退出时，上述程序类似。轨道交通牵引供变电技术图1.12集中式供电方式示意图集中式供电方式的主要特点：（1）专用主变电所从城网（或区域变）高等级的110

kV电压级引入，形成独立的供电系统，受城市其他电气负荷的干扰影响小，供电质量和可靠性较高。轨道交通牵引供变电技术（2）城轨交通外部供电与牵引、降压供电组成统一的独立系统，便于运营管理与维护，有利于集中调度监控，最终将有利于提高效益。（3）由于35

kV供电电压的集中式供电方式相对于分散供电的10

kV电网供电，在供电容量和输送距离方面具有较大优势，有利于城轨交通的长远发展和多条线路共用主变电所等资源，从而可极大地获取总体经济利益。我国多数大城市如上海、广州等地和国外某些大城市地铁工程都采用集中式供电方式。轨道交通牵引供变电技术2.分散式供电方式分散式供电方式是在城市轨道交通沿线就近从城市电网引入中压10

kV电源直接为牵引变电所和降压变电所供电的外部供电方式（因城网35

kV电压级趋于淘汰），如图1.13所示。一般从城网不同降压变电所引入的中压电源向若干个牵引、降压变电所供电，并各自形成供电分区，两供电分区通过双环网电缆进行联络，并设有联络开关，正常时联络开关断开，各供电分区分别由各自电源供电，如图

1.13

中所示。若某一中压电源进线故障或检修而退出工作，则通过联络开关自动合闸，转换由相邻电源进线为其供电分区供电，其过程与上述集中式供电方式相同。轨道交通牵引供变电技术图1.13分散式供电方式示意图分散式供电方式的主要特点：（1）城轨供电系统中压电源，如就近从城市电网引入，平均每4～5个车站（牵引、降压变电所）需引入两路电源进线，与城市电网接口明显较多，受城网负荷干扰影响较大，供电质量和可靠性相对降低。轨道交通牵引供变电技术（2）城轨供电系统的整体独立性较差，不利于运营管理和集中调度监控，致使供电系统效益受影响。我国仅在早期修建的北京地铁线路和个别其他城市轻轨线路采用分散式供电方式。3.混合式供电方式

混合式供电是介于集中式供电与分散式供电之间的一种组合供电方式。它根据城市电网的现实布局、规划和城轨交通近、远期发展的需要，因地制宜地充分融入集中式供电与分散式供电方式的优点，多数以集中式供电为主、分散式供电为辅构成，使城轨交通供电系统得到进一步完善和优化。这种供电方式的中压网络结构及其运行，和前述图1.12、图1.13相似，此处不再赘述。混合式供电方式在北京地铁近期工程和其他城市城轨交通工程中得到了应用。轨道交通牵引供变电技术（二）中压供电网中压供电网是城轨交通外部供电系统的主要组成部分。从对上述各种外部供电方式和图1.12、图1.13的分析可知，中压供电网是连接外部电源与城轨交通牵引、降压变电所的纽带，它采用何种电压等级与结构形式对整个城轨交通供电系统的安全、可靠供电和经济、高效运行将产生重大作用与影响。

1.中压供电网电压等级中压供电网电压等级的选择要综合外部电源情况、城轨交通站点设置、客流量等近期和远期发展趋势，通过全面的技术经济比较确定。我国现行中压配电标准电压等级与我国城市轨道交通通用的中压供电网络电压相适应的电压有35kV、20kV、10kV等几种。轨道交通牵引供变电技术其中20kV电压是国际标准电压级，无论从我国城乡电力消费增长的发展趋势还是城轨交通供电的技术指标来衡量，都是公认为具有发展前景的优越电压级。目前20kV配电设备、变压器系列设备已基本上实现了国产化。

为了从技术上对35kV、20kV、10kV中压供电网有进一步的全面了解，参考文献[6]对其主要技术指标进行了分析计算，并列出了有关综合比较指标，如表1.1所示，以供参考。轨道交通牵引供变电技术序号项

目35

kV电压网络20

kV电压网络10

kV电压网络1同一三相平衡负荷下的供电线路长度之比①12.5412供电线路电压损失之比②1412.53供电线路功率输送能力之比③3.5214线路功率损失小中大5配电设备尺寸及占用变电所面积较大适中小表1.1不同电压等级的中压供电网络主要技术指标和综合指标注：①设定电压损失、负荷P、Q（有功功率、无功功率）、导线截面等均相同。②设定线路距离、输送功率、导线截面相同。③线路计算电流相同。从表1.1中数据可知，城轨交通供电系统的中压供电网络，其电压越高，系统的输送能力越大，供电距离就越远，但变电所配电设备所占空间和面积有所增大，需增加一次投资。轨道交通牵引供变电技术（3）应能满足网络中负荷分配平衡和潮流计算的要求，后者是指设备和导线容量应能适应潮流计算的节点功率分布（数量）和电压水平规定值的要求。

按供电对象不同，中压供电网又区分为独立牵引供电网、独立动力照明供电网和牵引、动力混合供电网。从经济性考虑，牵引、动力混合供电网一次投资最省，但安全可靠性比牵引、动力独立供电网络要差些，但完全能满足需要，因而牵引、动力混合供电网得到广泛采用。各种中压供电网络多数采用同一电压级供电，但在技术经济条件满足时也可采用不同电压级供电。轨道交通牵引供变电技术

典型的牵引动力照明混合中压供电网双环网供电接线方式如图1.14所示。图1.14牵引动力照明混合供电网络轨道交通牵引供变电技术

典型的牵引动力照明混合中压供电网双环网供电接线方式如图1.14所示。图中每个供电分区均从主变电所的不同母线分段就近引入两路中压电源WL1、WL2，每路电源经由各牵引、降压变电所的一段母线及其进线断路器

QF1、QF2

等而连通，各牵引、降压变电所母线分段断路器QFD断开，正常运行时WL1、WL2同时为各牵引、降压变电所SS1～SS3各自分段母线供电，由于SS3的QFD断开，这时WL1、WL2构成的环网处于开环运行，当任一引入电源如WL2失压，则

QF1、QF2、QF5、QF6等自动跳闸，使各变电所母线分段断路器自动合闸，从而转换为由WL1电源向SS1～SS3牵引、降压变电所全部供电。图

1.14

所示仅为从一个主变电所引入双回路电源供电的供电分区的一部分，它与从另一主变电所引入双回路电源的其他供电分区通过联络开关相联系，构成双电源双环网中压供电网络。正常运行情况下，联络开关断开，双环网处于开环状态。轨道交通牵引供变电技术

另一种双回路辐射式中压供电网络如图1.15

所示。它适用于靠近主变电所的牵引、降压变电所。正常运行时，各牵引、降压变电所由主变电所两段母线分别引入两路电源进线，两路电源进线分别接于与前者不同的两段母线。正常情况下，母线分段断路器QFD处于分闸状态。两路进线电源分别对两段母线连接的负荷正常供电。当一路进线电源失电时，该牵引、降压变电所进线断路器跳闸，启动备用电源自投装置，将

QFD

合闸，由另一路进线电源承担该变电所全部一、二级用电负荷。轨道交通牵引供变电技术中压供电网的网络介质：对于地铁和轻轨交通的地下设施，普遍采用单芯铜电缆，只有在地面工程的少数情况下，采用三相架空供电线路。图1.15双回路辐射式中压供电网络轨道交通牵引供变电技术二、主变电所

城轨交通供电系统采用集中式外部供电方式的情况下，应设置专用主变电所。主变电所的功能是从电力系统的区域变电所或城网降压变电所接受馈出的高压电源，经主变压器降压后通过中压供电网向沿线直流牵引变电所、降压变电所集中供电。

根据城轨交通牵引、动力照明负荷的特点，为其供电的主变电所应设在沿轨道线路接近负荷中心的位置，并尽量贴近线路，以缩短主变电所至线路间的供电电力电缆长度。此外，还应满足中压供电网末端电压损失允许值的要求，规定应按列车运行的远期通过能力时，对互为备用的供电线路，当一回路退出运行，另一回路承担其一、二级负荷供电的情况下，该线路末端电压损失不宜超过

5%，据此以确定主变电所的数量，为保证供电的可靠性，一条线路应设置两座或更多主变电所。轨道交通牵引供变电技术

由于特大城市轨道交通建设的进一步网络化发展和扩张，主变电所的位置和容量应考虑资源共享的需要，即一个主变电所同时为多条轨道交通线路供电服务。同时主变电所的具体定位，还要与城市规划部门和城市电网规划与电网管理部门协调落实。

主变电所设有

110

kV

高压两路专用独立电源进线，或一回路为专用进线，另一回路进线在城网110

kV联络线上用“T”连接方式引入，高压侧多数采用线路-变压器组或内桥接线的电气主接线。采用内桥接线的主变电所电气主接线如图

1.16所示轨道交通牵引供变电技术图1.16主变电所电气主接线图轨道交通牵引供变电技术

经主变压器降压后，二次电压为35

kV，均输出至带分段断路器QFD的35

kV中压分段母线，用多路馈电线馈送至中压供电网和有关牵引、降压变电所。

主变电所的结构形式，按照城市规划要求和城市建筑条件的制约，城轨交通主变电所多数采用户内式、半户外式和地下式等结构形式。对于户内和地下主变电所，电气设备应尽量无油化、小型化，采用全封闭绝缘组合电器（GIS）或成套配电设备，以减小占地面积和建筑的体积，并需考虑良好的消防设施和隔音装置，提高变电所建筑的防火等级，妥善地处理和解决防火、防爆、防毒及环保等重大问题。轨道交通牵引供变电技术三、直流牵引变电所

直流牵引变电所从环网供电线路的双电源受电，经整流机组整流变压器降压、分相后，按一定整流接线方式由大功率硅整流器（或可控硅整流器）把三相交流电变换为直流牵引网相应电压等级的直流电，并向电动车组或电动车辆供电，如图1.17所示。整流机组是直流牵引变电所的重要环节，为降低整流直流中的脉动分量和整流变压器一次侧的谐波含量，一般应采用等效24脉波或12脉波的整流接线方式。现代整流机组的单机功率可达3

500

kW以上。

直流牵引变电所的容量和布点位置应根据线路牵引供电计算的结果，并按牵引网电压等级、牵引网电压损失允许值，同时兼顾对牵引电流导致的杂散电流防护、牵引网能耗等多种因素全面综合考虑后确定。一般设置在沿线与车站合建，以及设在车辆段内，对于地面轨道线路或条件许可的少数地下线路，也可在地面单独设所。牵引变电所间距离一般在1～4

km。轨道交通牵引供变电技术

如图1.17所示为直流牵引变电所主接线，两回路10～35

kV进线电源，从主变电所或区域变电所引来，在35

kV单母线上汇流，由两台三绕组多相整流变压器

T1、T2

和两台基于两组并联三相桥式整流电路构成的大功率硅流器

RCT1、RCT2

分别组成两套

12

脉波整流装置，并在直流输出侧并联。由于两台整流变压器原边绕组电压分别移相±7.5

，两套12脉波整流器的两组桥式整流电路为并联输出，从而形成四组三相整流桥并联工作的等效

24

脉波整流电路装置（其构成原理将在本书第三章第三节中讲述）。轨道交通牵引供变电技术两套整流器的共阴极输出端，分别经由保护其过载和外部短路的直流快速断路器DQF1、DQF2与整流电压正母线（＋1

500

V）相连接，其共阳极输出端则与负母线（－1

500

V）连接。然后通过接触网馈线F1～F4

和保护接触网短路或过载用的馈线直流快速断路器

DQF3～DQF6

等分别为牵引变电所两侧区间的上、下行接触网供电，负母线经回流导线与线路走行轨相连，形成向电动车辆供电的直流牵引供电回路系统。轨道交通牵引供变电技术图1.17直流牵引变电所主接线轨道交通牵引供变电技术

由于直流牵引电流流经具有内阻的走行轨时，将在走行轨上产生纵向电位，其电位大小与直流牵引电流数值、走行轨单位电阻和供电区长度有关，如其他条件不变，牵引变电所的供电分区长度越长，走行轨上形成的纵向电位差就越大，则由其产生的杂散电流泄漏越多，对杂散电流的防护越不利，因此确定牵引变电所间距时需兼顾这方面的需求。（有关杂散电流形成及其对金属物的腐蚀机理将在本书第八章第九节讲述。）

直流牵引变电所多数设置在地下车站内，对其电气设备的要求与地下式主变电所对电气设备的要求相同，应做到无油化、小型化。

轨道交通牵引供变电技术

整流变压器采用环氧树脂绝缘、干式空气冷却（可预留强迫风冷），整流器采用箱式结构、空气冷却，配电设备采用无油化成套装置，并应加强全所防火、防爆、防毒等有效措施。

地铁、城市轻轨交通直流牵引变电所通常与向车站、区间供电的降压电力变电所合并，形成牵引、降压混合变电所。此时，主电路结构和电气设备与一般直流牵引所相比有所不同。

在有再生电能需向交流电网返送的情况下，直流牵引变电所必须增设可控硅逆变机组（包括交流侧的自耦变压器），其功能和设备也相应增加，运行、技术都较复杂。直流牵引变电所间距离较短，一般不设分区所和开闭所。轨道交通牵引供变电技术四、降压变电所

降压变电所从中压供电网取得电源，将

10～35

kV

电压变换为城轨交通低压设备需要的380

V/220

V低压电能，向车站列车运输的通信、信号系统，各种消防、灭火、排水等安全系统，生活和营业设施，区间安全设施，车辆段作业设施，线路控制中心和变电所操作电源等动