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城市轨道交通系统概论 教学PPT 作者 李建国 第6章 城市轨道交通系统构成供电与牵引
收录时间:2022-11-24 19:36:27  浏览:0
第6章城市轨道交通系统的构成供电与牵引/第6章城市轨道交通系统的构成供电与牵引/【学习目标】【教学建议】6/1城市轨道交通供电系统6/2城市轨道交通牵引系统/【学习目标】/1/能掌握城市轨道交通供电系统的组成。2/能说出直流牵引变电所的核心设备整流装置的工作原理。3/能掌握电力牵引的制式、电力车辆牵引供电系统的组成。4/了解城市轨道交通常用的电力电子器件。/【教学建议】/1/教学场地:在教室和牵引供电模拟实训室中进行,课后可实地参观。2/设备要求:至少具有接触网或接触轨及操作模拟演示软件1套,仿真受电***、受电靴等教具1套。3/课时要求:共6课时,其中课堂讲授4课时,模拟操作2课时。/6/1城市轨道交通供电系统/1/供电系统概述2/供电系统的组成(1)发电厂发电厂将其他形式的能源转换为电能。1)火电厂。2)水电厂。3)核电厂。/水力发电站/三峡水电站/三峡水电站/长江三峡水电站的有关资料:/三峡水电站又称三峡工程、三峡大坝,处于重庆市和湖北省宜昌市之间的长江干流上,具***于宜昌市上游不远处的三斗坪。它是世界上规模最大的水电站,也是中国有史以来所建设的最大型的工程项目。三峡水电站的功能有航运、发电、种植等等。三峡水电站1992年获全国人民代表大会批准,1994年正式动工兴建,2003年开始蓄水发电,于2009年全部完工。/长江三峡水电站的有关资料:/三峡水电站大坝高程185米,蓄水高程175米,水库长600多公里,安装32台单机容量为70万千瓦的水电机组,现为全世界最大的水力发电站。三峡电站初期规划是26台70万千瓦的机组,即总装机容量为1820万千瓦,年发电量847亿度,后又在右岸大坝“白石尖”山体内建设地下电站,建6台70万千瓦的水轮发电机,再加上三峡电站自身的两台5万千瓦的电源电站,总装机容量达到了2250万千瓦,年发电量约1000亿度(5倍于葛洲坝,10倍于大亚湾核电,约占全国年发电总量的3%,水力发电的20%)。/火力发电站/原子能发电站(核电站)/原子能发电站/太阳能发电站/秦山核电站/秦山核电站/大亚湾核电站/切尔诺贝利核电站/事故发生后的切尔诺贝利核电站/切尔诺贝利核电站事故简介/1986年4月26日,世界上最严重的核事故在苏联切尔诺贝利核电站发生。乌克兰基辅市以北130公里的切尔诺贝利核电站放射性物质泄漏,污染了欧洲的大部分地区。此事故列为核事故的第七级(***)。切尔诺贝利核电站是前苏联最大的核电站,共有4台机组。4月,在按计划对第4机组进行停机检查时,由于电站人员多次违反操作规程,导致反应堆能量增加。26日凌晨,反应堆熔化燃烧,引起***,冲破保护壳,厂房起火,放射性物质源源泄出。用水和化学剂灭火,瞬间即被蒸发,消防员的靴子陷没在熔化的沥青中。1、2、3号机组暂停运转,电站周围30公里宣布为危险区,撤走居民。事故发生时当场死亡2人,遭辐射受伤204人。5月8日,反应堆停止燃烧,温度仍高达300;当地辐射强度最高为每小时15毫伦琴,基辅市为0/2毫伦琴,而正常值允许量是0/01毫伦琴。瑞典检测到放射性尘埃,超过正常数的100倍。西方各国赶忙从基辅地区撤出各自的侨民和游客,拒绝接受白俄罗斯和乌克兰的进口食品。原苏联官方4个月后公布,共死亡31人,主要是抢险人员,其中包括一名少将;得放射病203人;从危险区撤出13/5万人。1992年乌克兰官方公布,已有7000多人死亡于本事故的***。/日本福岛核电站/日本福岛核电站/日本福岛核电站事故简介/2011年3月11日,日本发生9/0级***,导致东京电力公司下属的福岛核电站1、2、3号机组紧急停运。但仍有余热产生。在后续事故过程当中,因***导致其失去场外交流电源,因海啸导致其内部应急交流电源(柴油发电机组)失效,从而导致反应堆***系统的功能全部丧失并引发事故。/水轮机中的叶轮/金沙江向家坝水电站1号机组安装/2011年11月12日,世界单机容量最大(容量达80万千瓦)的水轮发电机组金沙江向家坝水电站1号机组转子顺利吊装就位,转子直径18/97米,总重2100吨。/水轮机吊装现场/发电机转子吊装现场/6/1城市轨道交通供电系统/ZW/tif/(2)电力网和电网电压电力网简称电网,由输电线路、配电线路和变电所组成。(3)变电所变电所除具有变换电压的作用外,还具有集中电能、分配电能、控制电能以及调整电压的作用。1)枢纽变电所。2)地区变电所。3)用户变电所。(4)一次供电网络一次供电网络是指直接向牵引变电所供电的地区变电所(或发电厂)及高压输电线路。/6/1城市轨道交通供电系统/(5)牵引变电所牵引变电所的作用是降压,并将三相电源转换成两个单相电源,然后通过馈电线分别供电给牵引变电所两侧的接触网。1)桥接线方式。/图6-1牵引变电所的引入线方式/2)双T接线方式。3)单母线分段方式。/6/1城市轨道交通供电系统/(6)牵引网牵引网是由馈电线、接触网、钢轨和回流线组成的双导线供电系统。/ZW/tif/1)单线区段的供电。单边供电:即接触网的每个分段由牵引变电所从一边供应电能。每个牵引变电所的两个臂供两个接触网区段,相邻两个变电所之间的两段接触网相互绝缘。但为了在必要时实行越区供电,在接触网分界点设有柱上隔离开关,且照惯例,此两段接触网供同相电()。/6/1城市轨道交通供电系统/图6-2单线区段单边供电方式/双边供电:当相邻两牵引变电所之间的两段接触网用分区亭中的断路器连接,并从两变电所同时供电,这种供电方式称单线双边供电。分区亭的作用是缩小接触网故障停电范围和检修时的停电范围。/6/1城市轨道交通供电系统/2)复线区段的供电。/图6-3复线区段的供电方式/单边末端并联供电:由于复线区段牵引变电所同一侧的上、下行接触网均供同相电,故可在接触网供电分段的末端用分区亭中的断路器连接起来,形成单边末端并联供电()。/6/1城市轨道交通供电系统/图6-4复线单边末端并联供电/单边全并联供电:单边全并联供电是近年来采用的一项新技术。单边全并联供电是在每个车站利用柱上负荷开关将上、下行接触网并联,形成并联网络。并联负荷开关可以自动投切,也可以经设于车站的远动终端RTU由电力调度控制(见图6-5)。/6/1城市轨道交通供电系统/图6-5复线单边全并联供电/(7)分区亭为了增加供电的灵活性,提高运行的可靠性,在两个相邻牵引变电所供电的接触网区段通常加设分区亭。1)可以使相邻两供电区段实行并联供电或分开供电,也可使复线区段的上、下行实行并联或分开供电。2)相邻牵引变电所发生故障而不能继续供电时,可以闭合分区亭内的断路器由非故障牵引变电所实行越区供电。/6/1城市轨道交通供电系统/(8)开闭所电气化铁道的枢钮站场(如编组站、客站和机车整备线等)均由接触网供电。3/供电制式(1)直流制直流制是世界上早期电气化铁道普遍采用的方式。(2)低频单相交流制为了克服直流制的缺点,在20世纪初,西欧一些国家采用了低频单相交流制,并使该技术得到了较大的发展。(3)三相交流制在牵引电流制的发展过程中,个别国家(如瑞士、法国等)还采用了3/6kV的三相交流制,电力机车牵引电动机采用三相交流异步电动机。(4)工频单相交流制工频单相交流制是电气化铁道发展中的一项先进的供电制式,该技术最早出现在匈牙利,电压为16kV。1)工频单相交流制的主要优点如下:/6/1城市轨道交通供电系统/牵引供电系统结构简单。牵引变电所从电力系统获得电能并经过电压变换后,直接供给牵引网,不需要在变电所设置整流和变频设备,变电所结构大为简化。牵引供电电压增高,既可保证大功率机车的供电,提高机车的牵引定数和运行速度,又可使变电所之间的距离延长,导线截面积减少,建设投资和运营费用显著降低。交流电力机车的粘着性能和牵引性能良好。通过机车上变压器的调压,牵引电动机可以在全并联状态下工作,牵引电动机并联运转可以防止轮对空转的恶性发展,从而提高了运用粘着系数。和直流制比较,交流制的地中电流对地下金属的腐蚀作用小,一般可不设专门的防护装置。2)工频单相交流制存在的主要问题如下:/6/1城市轨道交通供电系统/单相牵引负荷将会在电力系统中形成负序电流,当电力系统容量较小时,负序电流的影响尤为突出。电力牵引负荷是感性负荷,功率因数低,特别是采用相控整流后,牵引电流变为非正弦波,出现较大的谐波电流,将使功率因数更低。牵引网中的单相工频电流将对沿线通信线路造成较大的电磁干扰。4/外部供电方式(1)环形供电环形供电即电力系统将牵引变电所联成环形网。/6/1城市轨道交通供电系统/图6-6外部供电方式环形供电/(2)双侧供电双侧供电即电源来自电力系统的两个地区变电所,给铁路供电的输电线是联络这两个地区变电所的线路。/6/1城市轨道交通供电系统/图6-7外部供电方式双侧供电/(3)单侧供电单侧供电即由一个地区变电所给数个牵引变电所供电。/6/1城市轨道交通供电系统/图6-8外部供电方式单侧供电/(4)放射式供电当各牵引变电所离开电源差不多等距并且比单侧供电更经济时,可采用放射供电方式(见图6-9)。/6/1城市轨道交通供电系统/图6-9外部供电方式放射式供电/电力牵引系统electrictractionsystem:1、电力牵引供电系统electrictractionsupplysystem保证实现电力牵引方式且能够安全可靠的、不间断工作的电力供应系统(1)牵引变电所tractionsubstation(2)牵引网tractionnetwork馈电线feederline接触网overheadcontactline钢轨及回流线rail/negativefeeder2、电力机车electriclocomotive/交流电力牵引系统概述/钢轨、地/3、电力牵引系统组成原理图/电力牵引系统/直流牵引供电系统概述基本结构/电力/地铁/或者表示为:/电力系统与电力牵引供电系统一、构成1/电力系统是一个包括发电厂、输电(线)、变电、配电、用电装置的完整工作系统。/2、电力牵引供电系统的组成部分与作用(1)牵引变电所/把电力系统供应的电能变换成适合电力机车牵引要求的电能。(2)馈电线/连接牵引变电所和接触网的导线。它将牵引变电所变换后的电能送到接触网。(3)接触网/是一种悬挂在轨道上方,沿轨道铺设的和铁路钢轨保持一定高度,牵引电能就由接触网进入电动车组,从而驱动牵引电动机使列车运行。(4)轨道/在非电牵引情形下只作为列车的导轨。在电力牵引时,轨道除仍具有导轨功能外,还需要完成导通回流的任务。因此,电力牵引的轨道,需要具有良好的导电性能。/(5)回流线/是连接轨道和牵引变电所的导线。通过回流线把轨道中的回路电流导入牵引变电所的主变压器。牵引网/通常将接触网、馈电线、钢轨回路(包括大地)和回流线称为牵引网。牵引变电所和牵引网构成牵引供电系统。专用高压输电线路和牵引供电系统称为电气铁路供电系统。/3、牵引供电系统的其他供电设备/(1)、开闭所sub-feederswitchingpost:指不进行电压变换而用开关设备实现电路开闭的配电所。位置:设在车站、货场附近、电力机务段、枢纽站等大宗负荷处。作用:将供电臂分段,事故时缩小事故范围,提高供电的可靠性、灵活性;减少变电所的复杂性;不改变电压大小,只扩大馈线回路数,相当于配电所。(2)、分区亭(SP,分区所)sectionpost:设置于两个牵引变电所的中间,可使两相邻的接触网供电区段实现并联或单独工作。位置:设在两个牵引变电所中间,增加供电的灵活性、可靠性作用:分相;越区供电;缩小事故的范围(3)、自耦变压器站(AT所)autotransformerpost/二、牵引变电所一次侧的供电方式(1)单边供电:电能由一个方向送来/(2)两边供电:就是牵引变电所的电能由电力系统中两个方向的发电厂送来。/(3)环形供电:若干个发电厂、地方变电所通过高压输电线连接成环形的电力系统,牵引变电所处于环形电力系统的一段环路之中。/三、牵引供电系统的构成方式(1)牵引供电系统向接触网的供电方式、单线区段一边供电两边供电、双线区段同相一边并联供电同相一边分开供电双边纽结供电/(2)牵引供电系统向电力机车的供电方式直接供电方式(DF)Directfeed带回流线的直接供电方式(DN供电方式)自耦变压器供电方式(AT供电方式)Auto-Transformer吸流变压器供电方式(BT供电方式)Booster-Transformer同轴电力电缆供电方式(CC)Coaxialcable(3)牵引变电所主变压器的主结线型式YN/d11三相接线广泛应用于DF和BT方式单相V/V接线斯科特(Scott)广泛应用于AT方式阻抗匹配平衡变压器接线非阻抗匹配平衡变压器接线/1-6牵引变电所一、概述我国现行的牵引变电所供电方式绝大多数为三相-两相制式。对于三相YN/d11或V/v接线的牵引变电所,次边两相电压的相别是原边三个相(或线)电压三中取二的某种组合;而对于平衡变压器,经变压器的变换,次边形成大小相等而相位相互垂直的两相电压。从广义角度上讲,牵引变压器原次边之间除了有电压的变换外,还有电流和阻抗变换,可称为系统变换。通过这种变换,可以获得变换到一次侧的牵引变压器、牵引负荷的等值电路模型,或变换到二次侧的电力系统、牵引变压器的等值电路模型。/6/2城市轨道交通牵引系统/图6-10城市轨道交通电力牵引系统/1/牵引概念/6/2城市轨道交通牵引系统/(1)牵引变电所牵引变电所的作用是将城市电网的交流电压(一般为110kV、35kV或10kV)降压并整流成为直流电压。/图6-11牵引变电所主接线/6/2城市轨道交通牵引系统/(2)牵引网牵引网由馈电线、接触网、轨道和回流线组成。1)接触轨式是沿走行轨道一侧平行铺设第三轨,电动车组从侧面伸出受电器接触靴与其滑动接触而取得电能。2)架空式接触网是架设在走行轨道上部的接触导线和承力索系统。2/电力牵引供电的发展(1)世界电力牵引供电的发展电力牵引最早始于19世纪90年代。(2)我国电力牵引的发展我国铁路牵引动力电气化起步于20世纪50年代末,当时即确定采用先进的25kV单相工频交流电流制。(3)城市轨道交通电力牵引的发展城市地下铁道是最早采用直流制电力牵引的领域,该技术的应用范围原先主要集中在若干发达国家的少数城市。3/电力牵引的技术特性/6/2城市轨道交通牵引系统/(1)电力牵引的优点1)电力牵引为非自给式牵引动力。2)电力牵引的总功效(做功效率)最高,可显著节省能源并降低运营成本。3)电力牵引列车和车辆噪声小,不排出废气和有害气体,有利于环境保护。4)电力牵引各主要组成环节均为***的电气系统,且又连成整体,它们与电子技术和计算机控制手段相结合,易于实现全面自动化和信息化,为铁路和城市交通的技术进步、劳动生产率的提高,提供了广阔的发展前景。(2)电力牵引存在的***电力牵引增加供电系统装置,使其一次投资费用比其他牵引动力形式要高些。/6/2城市轨道交通牵引系统/(3)电力机车电力牵引在现实生活中最好的体现就是电力机车。4/牵引变电所容量的计算和确定(1)确定牵引变压器的容量1)确定计算容量。2)确定校核容量。3)确定安装容量。(2)牵引变压器的安装容量牵引变压器的安装容量是在计算容量和校核容量的基础上,再考虑备用方式,最后按变压器的产品规格所确定的变压器台数与容量。1)移动备用。2)固定备用。5/电力牵引的远动监控装置/6/2城市轨道交通牵引系统/(1)地下迷流在直流牵引供电中,牵引电流并非全部由钢轨直接流回牵引变电所,而是有一部分由钢轨杂散泄漏流入大地,再由大地流回钢轨和牵引变电所,这种地下杂散电流被称为地下迷流。(2)谐波由于牵引变电所大功率整流设备和其他变流装置等的非线性负荷特性,使牵引供电系统成了城市电网的一个重要谐波源。(3)电动车组由牵引供电系统供给电能,驱动车辆上的电动机,产生牵引力牵引在轨道上行驶的列车组。(4)车辆电气车辆电气包括车辆上各种电气设备及其连接导线。6/牵引网(1)牵引网的种类按电力机车集电方式的不同,牵引网可分为架空单线式、架空复线式和第三轨式三种方式(见图6-12)。/6/2城市轨道交通牵引系统/图6-12牵引网形式分类示意图/(2)牵引网的构成牵引网由四部分组成(见图6-13),一般常将除回流系统外的其余三部分统称为接触网。/6/2城市轨道交通牵引系统/图6-13牵引网构成/6/2城市轨道交通牵引系统/图6-14接触线横截面/6/2城市轨道交通牵引系统/图6-15一般牵引网分区供电示意图/7/牵引电机与发展趋向(1)牵引电机牵引电机包括牵引电动机、牵引发电机和辅助电机等。/6/2城市轨道交通牵引系统/1)牵引电动机。2)牵引发电机。3)辅助电机。(2)发展趋向。1/操作练习1)通过供电与牵引实训室的接触网模型,了解接触网是如何给电力机车提供电能的,并了解接触轨的给电方式。2)根据自己对牵引的了解,自己画出在机车内部电能的转化过程,并且标出交直流的制式变化分界线。2/书面练习1)简要回答城市轨道交通供电系统的概念与构成。2)简要回答城市轨道交通牵引系统的组成与工作原理。/1/城市轨道供电系统的构成/牵引供电系统/电能从牵引变电所经馈电线、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***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。/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***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***负荷。/3/城市轨道供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/城市轨道交通的供电电源一般取自城市电网,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)。城市轨道交通是一个重要的用电部门,按规定须由两路***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***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)。/1/中压网络的功能及其两大属性/6/2/2中压网络/通过中压电缆,纵向把上级主变电所和下级牵引变电所、降压变电所连接起来,横向把全线的各个牵引变电所、降压变电所连接起来,便形成了中压网络,其功能类似于电力系统中的输电线路。中压网络不是供电系统中***的子系统,但它是供电系统设计的核心内容,设计外部电源方案、主变电所的位置和数量、牵引变电所及降压变电所的数量、牵引变电所与降压变电所的主接线等。中压网络的两大属性是电压等级和构成形式。根据中压网络功能的不同,为牵引变电所供电的中压网络称为牵引供电网络(简称牵引网络);为降压变电所供电的中压网络称为动力照明供电网络(简称动力照明网络);目前,国内城市轨道交通工程经常采用的形式有牵引动力照明混合网络与牵引动力照明***网络。/2/中压网络的电压等级/我国现行中压配电标准电压等级有:35kV、20kV、10kV、6kV和3kV;目前,国内城市轨道交通普遍采用牵引动力照明混合网络,电压为10kV或10kV。牵引动力照明混合网络采用同一电压等级,并通过公用电源电缆同时向牵引变电所、降压变电所提供中压电能,供电系统的整体性较好。牵引动力照明***网络既可以采用不同的电压等级,也可以采用同一电压等级,牵引网络与动力照明网络相对***,彼此相互影响较小。对于集中式供电系统,牵引网络和动力照明网络可以采用相对***的形式,即牵引动力照明网络***网络,也可以共用混合网络;对于分散式供电系统,则采用牵引动力照明混合网络。中压网络内部结构形式涉及中压网络供电安全准则及其运行方式。/3/中压网络的构成形式/在城轨供电系统中压网络设计中,应根据中压网络优化准则,结合外部电源的实际情况,通过对供电分区的用电性质、负荷密度的分析研究,确定安全可靠、经济实用的中压网络接线方式。中压网络的重要指标是供电可靠性。中压网络的构成原则:(1)满足安全可靠的供电要求;(2)每一个变电所均应有两个***电源;(3)满足潮流计算要求,即设备容量及电压降满足要求;(4)满足负荷分配平衡的要求;(5)供电分区应就近引入电源,尽量避免反送电;(6)具有良好的经济指标;(7)满足继电保护的要求;(8)系统接线方式尽量简单;(9)全线牵引变电所、降压变电所的主接线尽量一致;(10)满足运行管理、倒闸操作的要求;(11)满足设备选型要求。/1/牵引供电计算的条件/6/2/3牵引供电计算的条件及需用参数/城市轨道交通列车(车辆)是以变化的速度沿区间运行的,因此牵引负荷是变化的;此外,牵引负荷也随时间而变化,当线路上列车(车辆)密集则负荷大,反之负荷小,甚至为零。线路的技术条件(包括纵断面和限坡要求):(1)线路年输送能力;(2)信号的闭塞方式;(3)电动列车(车辆)类型;(4)电动列车(车辆)载客量;(5)线路行车间隔时间和每天最多开行列车对数。/2/牵引供电计算需用的参数/牵引供电计算需用的参数:(1)电牵引年用电量(应分别计算年总用电量和电力系统所需增加的功率);(2)列车电流的平均值和有效值;(3)供电臂电流的平均值和有效值(与线路的供电方式有关);(4)供电臂瞬时最大电流和短路电流(与主变压器接线方式有关);(5)牵引网阻抗;(6)电牵引供电系统能耗(应包括牵引变电站内主变压器和牵引网的电能损失)。由于电动列车(车辆)的工作电压要求有一定范围,我国直流牵引供电系统巳经规定采用IEC标准。/1/变电所分类/6/2/4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***电压供电)。(2)牵引变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***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。/2/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)***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***电压供电方式。/3/变电所的主要电气设备/主要设备包括:变压器、断路器、隔离开关、母线、熔断器、电压互感器、电流互感器、避雷器、整流器等。变压器:一种传递和变换交流电能的静止变换器。按应用功能分升压变压器和降压变压器;按相数分单相、三相、多相变压器;按线圈数分单相线圈(自耦变压器)、双线圈、三线圈变压器;按调压方式分空载调压(不带负载调压)、有载调压变压器;按绝缘方式分干式、浇注式、油浸式变压器。断路器:一种对电路进行控制(开断、关合)和保护的高压电器开关,用于自动切断负载电流和短路电流。按绝缘方式和熄弧介质分为:油断路器、六***化硫断路器、真空断路器、空气断路器等。隔离开关:一种没有熄弧装置的高压电器开关。不能切断负载电流和短路电流,但可在无负荷电流时接通和断开电路。在断开状态,能起到隔离电压作用。为运行、操作和检修提供方便和安全条件,电路停电时应断开断路器,后拉开隔离开关;送电时则先合上隔离开关,再闭合断路器。/母线:一种汇合和分配电能的导线。室外常用软质母线,如蕊芯铝绞线;室内则采用硬质母线,如铝排。母线常用颜色标记识别,在三相交流系统中:***A相,绿色B相,红色C相;在直流系统中:红色正极,蓝色负极,黑色零线及接地线。熔断器:一种利用过负荷或短路电流导致熔体发热熔断原理设计的保护电器设备,低压熔断器一般采用插入式纤维管瓷管熔断器。高压熔断器有充石英砂瓷管熔断器、室外用角式和跌落式熔断器。熔断器在电流超过最小熔断电流时,熔断时间随电流增大而缩短,一旦熔体熔断,须停电更换熔体。电压互感器:一种用于测量、控制和保护回路用的变压器。其一次绕组并联在一次电路中,二次绕组则并联仪表、继电器的电压线圈。由于二次仪表、继电器的电压线圈阻抗很大,所以电压互感器工作时二次回路接近于空载状态。二次绕组的电压一般为10V。电压互感器分为双绕和三绕组;单相和三相;干式、油浸式和浇注式,屋内和屋外等分区。电流互感器:是一种电气测量、控制和保护回路用的变流器。将其一次线圈串连在一次回路中,二次绕组与仪表、继电器等的电流线圈串连,形成闭合回路。电流互感器有单匝和多匝式,干式、油浸式和浇注式,屋内和屋外等分区。/避雷器:一种防止从线路浸入的雷电波损坏电器设备绝缘的保护电器,一般有保护间隙型(角型)、管型、阀型等。整流器:一种与牵引变压器组合成变压整流机组的电流变换设备。通过整流器,将牵引变压器输出的交流电变为一定电压等级的直流电流,当牵引变压器是多相变压器时,整流器变换成的直流电较为平滑,即直流电中含有的交流成分少。/4/变电所附属设备/保护装置计量仪表(电压、电流等)蓄电池:事故照明和开关设备操作的电源(在交流电失去时)阻燃性导线;灭火设备。/5/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***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低变电所的投资。/(4)辐射形供电每个牵引变电所用两路***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。/6/直流牵引变电所/直流牵引变电所的主要功能是,将其交流进线电压通过整流变压器降压,然后经整流器将交流电变为直流电供给电动车辆的直流牵引电机使用。直流牵引变电所从双电源受电,经整流机组变压器降压、分相后,按一定的整流接线方式由大功率硅整流器把三相交流电变换成与直流牵引网相应电压等级的直流电,向电动电机供电。/整流机组是直流牵引变电所的关键设备,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12相脉动的整流接线方式。现代整流机组的单机功率可达到3500kV以上。直流牵引变电所间距离仅几千米,一般不设分区所和开闭所。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,但其投资较大。/6/2/5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/2/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、***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。***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/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安全电压,其余均采用交流220V电压。/6/2/6供电系统的保护/(1)35kV进、出线;(2)35kV母联;(3)35kV整流机组馈线;(4)35kV动力变压器馈线;(5)直流1500V进线;(6)直流1500V馈线;(7)1500V直流设备。/1/牵引网与接触网/6/2/7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***(或受流器)和接触网的滑动接触,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/(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/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/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。/5/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***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。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***的相对位置在规定范围内,包括***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***。此外隧道架空式接触网的支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
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