城市轨道交通供电系统-项目一

项目导入

近年来，我国城市轨道交通建设快速、稳定发展。截至2017年12月31日，中国大陆包括北京、上海、广州等35座城市开通运营轨道交通线路共171条，总里程高达5083.45km，车站3269座。城市轨道交通供电系统（以下简称供电系统）担负着城市轨道交通运行所需的一切电力供应，通过电能的变换与传输，满足城市轨道交通系统所有用电设备的用电需求，是城市轨道交通安全、可靠、便捷、舒适运行的重要保证。项目目标掌握供电系统的主要功能和基本要求了解供电系统的基础结构了解供电系统的主要设备掌握供电制式的概念及其选择原则了解供电制式的主要特点掌握供电负荷的等级项目一城市轨道交通供电系统概述任务一

认识供电系统的基础结构任务二

认识供电制式及供电负荷任务一

认识供电系统的基础结构任务设计

城市轨道交通供电系统的设置需严格遵循行业标准和国家相关规定。在学习供电系统专业知识前，应对供电系统的总体布置和基础结构进行初步了解。本任务通过介绍基础知识，配合沙盘模型将所学知识加以应用和巩固，并结合在现实环境中对所在城市轨道交通供电系统的调查，全局认识供电系统，为后续的学习奠定基础。知识储备城市轨道交通供电系统主要由外部供电系统、牵引供电系统、动力照明供电系统、电气安全与防护系统及电力监控系统等部分组成。供电系统的电源由发电厂经国家电网提供，属于高压供电网络。通常将发电厂至主变电所部分称为外部供电系统，也称作一次供电系统，而将主变电所至牵引变电所、降压变电所部分称为中压供电网络。城市轨道交通供电系统的组成如图1-1所示。一、供电系统的结构图1-1城市轨道交通供电系统的组成任务一

认识供电系统的基础结构

外部供电系统：包括外部电源和主变电所，一般从城市电网10kV，110kV，220kV系统接口接入。知识加油站我国规定的电网标称电压有3kV，6kV，10kV，20kV，35kV，110kV，220kV，330kV，500kV，750kV，1000kV，其中3～220kV为高压，330～750kV为超高压，1000kV为特高压。城市电网主要由10kV，110kV，220kV，500kV供电网络构成。任务一

认识供电系统的基础结构

牵引供电系统：中压网络输送的电能经牵引变电所降压、整流后，通过牵引网为机车提供直流电源的系统。在区段内为机车供给牵引电能的变电所称为牵引变电所；牵引网包括架空接触网和接触轨（也称第三轨）等形式，主要由接触网、馈电线、走行轨（又称钢轨）和回流线等部件构成，机车通过受流器与接触网的直接接触来获得电能，再通过走行轨和回流线将电能引回牵引变电所。架空接触网、接触轨分别如图1-2和图1-3所示。任务一

认识供电系统的基础结构

图1-2架空接触网

图1-3接触轨任务一

认识供电系统的基础结构读一读城市轨道交通供电系统是嫁接在城市电网上的一个相对独立的子系统，主变电所将城市电网的高压电转换为城市轨道交通所需的中压电，通过中压电缆，在纵向上与下级牵引变电所、降压变电所连接，并在横向上将全线各牵引变电所、降压变电所连接起来，便形成了中压网络。

动力照明供电系统：中压网络输送的电能经降压变电所降压后，通过低压配电系统为场站和区间各类照明设备，扶梯、风机、水泵等动力机械设备，以及通信、信号、自动化等设备提供低压电源。部分工程动力照明供电与牵引供电共用一个中压供电网络，归属牵引供电系统，而低压配电系统则与动力照明供电系统相对独立。任务一

认识供电系统的基础结构

电气安全与防护系统：主要指电气安全、杂散电流防护、防雷等系统。电力监控系统：在控制中心通过调度端、通道、执行端对整个城市轨道交通系统的主要设备进行控制、监视和测量。任务一

认识供电系统的基础结构任务一

认识供电系统的基础结构城市轨道交通供电系统从城市电网引入中高压电源，并将引入的电源进行变压、整流或直接分配至各牵引变电所和降压变电所，为机车和辅助设备提供电能，是城市轨道交通系统的重要组成部分。城市轨道交通供电系统示意图如图1-4所示。二、供电系统的功能和特点图1-4城市轨道交通供电系统示意图1供电系统的概况图1-4中的发电厂F1与F2，升压变电所B1与B2，以及区域变电所B3与B4均属于城市电网中的一次供电系统，由国家电力部门统一建造和管理。发电厂一般可分为火电厂、水电厂和核电厂等，发电厂的发电机产生的电能需先经过升压变压器升压至110kV，220kV甚至更高的电压后，通过三相传输线输送至主变电所B5与B6。任务一

认识供电系统的基础结构主变电所将接收到的高压电降压至35kV或10kV后，经过三相传输线输送至本区域内的牵引变电所B7与B8及降压变电所B9，通过牵引变电所或降压变电所降压至各供电负荷所需的电压等级（1500V或380V等）。在地铁供电系统中，可根据实际需要设立专门的高压主变电所，以通过不同的电压等级对牵引变电所和降压变电所供电。任务一

认识供电系统的基础结构注意我国各大城市的轨道交通供电系统中，主变电所的电源电压以110kV电压级为主，原有35kV电压级已逐渐被取代，而63kV电压级则为东北电网所特有。任务一

认识供电系统的基础结构城市轨道交通供电系统主要具有以下功能。2供电系统的主要功能

（1）全方位的供电服务功能：供电系统应能满足城市轨道交通系统所有用电设备的用电需求。

（2）高效便捷的调度功能：供电系统应能在控制中心进行远程控制、监视和测量，并在运行时可根据实际需要进行方便快捷的调度操作。

（3）完善的控制、显示和计算功能：供电系统应具有完善的控制功能，并能明确显示系统中各个环节的运行状态，对电量的测量和电能的计算应高效、准确。任务一

认识供电系统的基础结构

（4）电磁兼容功能：供电系统中的各种电气、电子设备应做到良好的兼容。

（5）自我保护功能：供电系统应具备完善的保护措施，在发生故障时可自动切除故障设备、线路，以确保其他非故障部分的正常运行，最大限度地缩小故障范围。

（6）防止误操作功能：对供电系统中各个环节的操作都应设置相应的连锁条件，避免因误操作引发供电系统故障。

（7）故障自救功能：供电系统应具有备用应急措施（接触网除外），在系统发生故障时能够保证城市轨道交通的正常运行。任务一

认识供电系统的基础结构城市轨道交通供电系统的设置与运行应满足以下条件。3供电系统的基本要求(1)安全性供电系统应具备完善的电气安全防护措施，以确保各用电设备、线路及操作人员的安全，亦不能对周边环境和过往行人带来安全隐患。(2)可靠性供电系统应具备稳定可靠的对机车和各用电设备的持续供电的能力。任务一

认识供电系统的基础结构(3)经济性供电系统的设置应综合考虑城市轨道交通项目全生命周期各种因素，全面、科学地核算施工、运营成本，确保经济实用。(4)适用性供电系统应满足城市轨道交通项目的建设目的和性能要求。(5)先进性供电系统应在设计理念、系统方案设计、设备选型、工艺处理、管理运营等方面充分考虑社会发展形势和科技发展趋势，保证供电系统具备足够的先进性和升级改造潜力。任务实施任务一

认识供电系统的基础结构教师将学生按5～7人为一组进行分组，通过城市轨道交通供电系统的沙盘模型（见图1-5）或综合实验室完成以下任务。图1-5城市轨道交通供电系统沙盘模型任务一

认识供电系统的基础结构一、认识供电系统的主要设备在沙盘模型中分别找出以下设备。（1）主变电所或区域变电所。（2）牵引变电所或牵引降压混合变电所。（3）降压变电所。（4）接触网。（5）电力控制室及相关控制设备。任务一

认识供电系统的基础结构二、认识供电系统的结构特点观察主变电所、牵引变电所、降压变电所的分布和线路连接，并绘制线路连接示意图。任务自测任务一

认识供电系统的基础结构查询你所在城市的城市轨道交通系统的运营情况，调查城市轨道交通系统的供电网络和牵引方式，并回答以下问题。（1）城市人口分布和交通形式有什么特点，交通状况是否良好？（2）城市轨道交通是否发生过系统故障？如发生过系统故障，故障的原因是什么？（3）主变电所、牵引变电所和降压变电所是如何分布的？项目一城市轨道交通供电系统概述任务一

认识供电系统的基础结构任务二

认识供电制式及供电负荷任务二认识供电制式及供电负荷任务设计供电制式的选择是供电方案设计的重要环节，不同的供电制式决定了不同的系统设备和运行方案，对项目施工安装和后期运营管理都会有影响，应根据实际情况综合多种因素做出科学合理的选择。本任务通过对供电制式的学习，结合对全国各大城市轨道交通系统供电制式的调查分析，全面掌握供电制式的选择方法。任务二认识供电制式及供电负荷知识储备城市轨道交通供电系统通过牵引网向电力机车或电动车组供电时所选用的电流制式、电压等级和馈电方式统称为供电系统的供电制式。一、供电制式的选择1供电制式的概念

电流制式：分为直流和交流两种制式。直流供电相对于交流供电在调速范围、可控性、启制动平稳性、成本和电压质量等方面均有优势。目前，无论是由直流牵引电动机、交流牵引电动机还是由线性电动机来驱动的机车（电动车组），基本上都采用直流供电制式。任务二认识供电制式及供电负荷

电压等级：国际上城市轨道交通直流牵引供电有600V，700V，750V，900V，1000V，1500V等多种电压等级，我国国家标准规定为750V，1500V两种。

馈电方式：有架空接触网和接触轨两种，架空接触网适用于直流和交流制式，接触轨仅适用于直流制式。在我国，供电系统的馈电方式结合不同的电压等级，可组成直流1500V架空接触网、直流1500V接触轨、直流750V架空接触网、直流750V接触轨，共4种形式。任务二认识供电制式及供电负荷供电制式的选择应遵循以下原则。2供电制式的选择原则

（1）供电制式与客流量相适应：在轨道交通项目设计时应科学预测线路客流量的大小，据此选择合适的机车类型和列车编组数量，而机车类型决定了供电系统的供电制式。知识加油站大运量项目一般采用DC1500V架空接触网馈电，而中运量项目通常采用750V接触轨或架空接触网的形式。我国目前的接触轨以750V供电制式为主，但有逐渐向DC1500V供电制式发展的趋势。任务二认识供电制式及供电负荷

（2）供电安全可靠：供电系统正常供电是城市轨道交通顺利运行的先决条件，一旦供电系统发生供电故障，将会造成列车停运、线路瘫痪，容易引发城市交通混乱，严重影响市民出行。因此安全可靠是供电系统选择供电制式最重要的条件。任务二认识供电制式及供电负荷

（3）便于安装、维护和事故抢修：不同的供电制式决定了供电系统不同的施工方式和维护、维修方式。因此，应优先选择方便施工、维护的供电制式，在发生供电故障时应便于抢修，保证交通线路能够快速恢复运营。

（4）牵引网使用寿命长、维修工作量小：以降低城市轨道交通的运营成本。任务二认识供电制式及供电负荷

（5）注重城市环境和景观效果：城市轨道交通系统作为城市基础设施的重要组成部分，在设计、建造时应尽可能地融合当地的城市环境，优化城市景观。近年来，处于对工程造价和运营成本的综合考量，各国的城市轨道有向地面线和高架线发展的趋势，凭借城市环境保护和景观效果方面的优势，接触轨式馈电方式越来越多地被采用。任务二认识供电制式及供电负荷二、供电制式的比较分析根据馈电方式不同，供电制式主要有架空接触网供电制式和接触轨供电制式两种。部分国家城市轨道交通供电系统架空接触网、接触轨供电制式分别如表1-1和表1-2所示。在我国，北京、天津等城市采用DC750V的接触轨馈电方式，上海、南京等城市采用DC1500V的架空接触网馈电方式，广州、武汉、长沙、无锡等城市则采用DC1500V的接触轨馈电方式。随着馈电技术的发展，DC1500V的接触轨馈电已成为供电制式的发展趋势，而从柔性接触网发展而来的刚性接触网也得到了实际应用。表1-1部分国家城市轨道交通供电系统架空接触网供电制式电流

制式电压等级（V）国家电流

制式电压等级（V）国家电流

制式电压等级（V）国家DC250美国DC2400德国、法国50Hz6600德国500多数国家3500英国25Hz8k德国525瑞士16.7Hz5500德国10k新西兰550英国DC6000俄罗斯16.7Hz11k瑞士900瑞士50Hz6000德国50Hz法国1000匈牙利6250英国16.7Hz12k法国1100阿根廷25Hz6300德国25Hz，

60Hz12.5k美国1200西班牙、古巴、德国6500澳大利亚50Hz，

60Hz20k德国、法国、日本1350意大利、

瑞士6600挪威50k南非、

美国、

加拿大任务二认识供电制式及供电负荷表1-2部分国家城市轨道交通供电系统接触轨供电制式接触方式电压等级（V）国家接触

方式电压等级（V）国家接触

方式电压等级（V）国家走行轨50英国接触轨上部440英国接触轨下部850德国接触轨

上部110550阿根廷接触轨上部1000德国160660英国接触轨侧面1200新西兰走行轨180德国接触轨下部700美国1500法国接触轨

上部200瑞士800德国摩根架250美国825英国

架空接触网供电制式和接触轨供电制式在各方面的对比分析如下。任务二认识供电制式及供电负荷架空接触网需悬挂于走行轨轨面上方，主要由承力索、滑触线、馈电线、支架、绝缘子、支柱、电缆及下锚装置等组成，结构复杂且零部件较多，在安装施工时作业面较高，作业不便，安装调整较为困难，在施工时需要使用专业的架线车和大型机具，施工安装费用较高。如图1-6所示为接触网架线车。1设备安装施工便利性图1-6接触网架线车任务二认识供电制式及供电负荷接触轨安装在走行轨的外侧，与走行轨并行，主要由导电接触轨、绝缘子、支架、防护罩、电缆和隔离开关组成，结构较为简单且零部件少，安装施工均为地面作业，施工机具较为简单，施工相对便利，施工安装费用相对较低。任务二认识供电制式及供电负荷以重庆地铁为例，重庆地铁1号线朝沙段工程全长约16.5km，全部为地下线，共设14座车站、1座停车场，采用以110/35kV两级电压集中供电。除去两种供电制式的相同设备部分的投资（2座主变电所、车辆段的1座牵引降压混合变电所和2座降压变电所、电缆等），两种制式的可比部分的设备造价如下。2设备造价任务二认识供电制式及供电负荷

DC1500V架空接触网方案：重庆地铁1号线工程采用的是刚性接触网，在正线上设牵引降压混合变电所6座，降压变电所8座。按照牵引降压混合变电所每座造价1100万元、降压变电所每座400万元、刚性接触网每公里185万元计算，系统中可比部分的造价为15905万元。任务二认识供电制式及供电负荷

DC750V接触轨方案：重庆地铁1号线工程若采用接触轨方案，在正线上需设牵引降压混合变电所9座，降压变电所5座，其单价均与接触网方案相同，接触轨按每公里116万元计算，则系统中可比部分的造价为15728万元。从以上分析可以看出，架空接触网方案与接触轨方案设备造价基本持平。任务二认识供电制式及供电负荷轨道交通的土建费用与工程地质条件和施工方法有关，地下车站的明挖施工、区间隧道断面的盾构法施工等情况下，架空接触网和接触轨两种制式的费用均无差别。在区间隧道明挖施工时，由于两种供电制式所需的净空高度不同，其各自所需费用也不相同。3土建费用任务二认识供电制式及供电负荷我国地下铁道限界标准规定，DC1500V架空接触网所需的隧道净空高度为4.5m，而DC750V接触轨所需的隧道净空高度为4.2m，两者相差0.3m。因此，采用接触轨的区间隧道（双线）施工每延米可节约钢筋混凝土0.42m3，每公里可节约46万余元。采用矿山法施工的直墙拱形隧道，两种制式所需的隧道高度相差0.25m，采用接触轨的隧道每公里开挖量将比采用架空接触网减少2350m3，可节约成本约70万元。任务二认识供电制式及供电负荷以地铁为例，地铁每天需运营18h，期间必须保证不间断供电，因此，供电的可靠性是供电制式选择的重要依据。架空接触网结构复杂且零部件较多，零部件发生故障引发滑触线脱落等供电事故的隐患较大；架空接触网依靠其导线张力来维持正常工作，经长期磨损及电弧烧伤等因素影响，导线的截面变小，强度也随之降低，容易发生滑触线断线事故，而一旦发生断线事故，架空接触网的凌空作业也为事故抢修带来困难。4供电可靠性任务二认识供电制式及供电负荷接触轨的零部件较少且坚固耐用，不易发生断线、刮碰受流器等事故隐患，北京、天津等城市的地铁接触轨使用30余年，从未发生过因接触轨故障造成的列车停运事故。由此看出，接触轨的供电可靠性较高，且发生事故后抢修也较为便捷。任务二认识供电制式及供电负荷在列车功率相同的情况下，DC1500V架空接触网与DC750V接触轨的实际馈线电流之比约为1∶1.5，而两者的线路电阻之比约为3∶1，因此，接触轨的电能损耗要比接触网略小。5牵引网能量损耗任务二认识供电制式及供电负荷

架空接触网在实际运营过程中维修调整的工作量较大，通常需要组建专门的接触网维修工区。一个维修工区定员需25人，配备专用的接触网检查车，承担约10km左右的线路接触网维修工作。而一条20km左右的地铁则需要两个维修工区，定员需50人左右。由此产生的维修车辆、机具、设备等费用以及人员工资、福利等开支增加了系统运营成本。接触轨由于其结构简单且坚固耐用，维护、管理相对简单，不需要大型机具设备，在日常运营中几乎无需专人维护，因此，维修费用较少。如采用接触轨供电的北京地铁系统并未设置专职的接触轨维修人员，而是由线路维修人员兼任。6维修、管理费用任务二认识供电制式及供电负荷接触网在长期使用后，磨耗到限的滑触导线必须及时更换。国产架空接触网导线的使用寿命约为15年，进口导线的使用寿命可达20年。接触轨使用寿命则更长久，北京地铁对低碳钢接触轨磨耗状况的检测显示，经过20多年的运营，其磨耗量不足5%；而在伦敦，地铁接触轨的使用期限甚至已达100余年。因此，接触轨在使用寿命方面拥有较大的优势。7使用寿命任务二认识供电制式及供电负荷DC1500V架空接触网滑触线悬挂于轨面上方4m高处，不会对过往人员带来安全危害。而DC750V接触轨则安装在轨面走行轨一侧，高度较低，在接触轨带电情况下人员进出隧道容易引发触电危险，故接触轨通常需要安装绝缘防护罩，这也限制了其在部分多雨、积水多发地区的使用。8人身安全架空接触网对城市景观影响较大，部分城市为城市景观效果考虑，已逐步采用接触轨馈电。但接触轨在运营时受流靴与接触轨摩擦会产生较大的噪音，摩擦产生的金属粉尘也会对周边环境产生影响。9城市环境与景观效果任务二认识供电制式及供电负荷综上所述，通过对两种供电制式多方面的比较可以看出，架空接触网供电方案的一次投资、维修管理、后期改造等相关费用较高，但安全性较好，且DC1500V架空接触网技术已十分成熟，相对于DC750V接触轨而言，前者更适合客流量较大的线路；接触轨供电方案在安装施工与运营维护成本、供电可靠性和使用寿命方面具有优