城市轨道交通供电系统的组成与各部分功能.ppt

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1、城市轨道交通供电系统的组成与各部分功能,一、城市轨道交通供电系统的供电范围,机车牵引供电运营设施的其它设备供电照明、通风、空调、自动扶梯、给水排水、自动控制系统、通讯、信号、防灾报警。辅助性用电广告用电、商铺用电,二、城市轨道交通供电系统的组成形式,城市轨道交通供电电源一般取自城市电网，通过城市一次电力系统和城市轨道交通供电系统实现输送或变换，然后以适当的电压等级供给城市轨道交通各类用电设备。城市轨道交通供电系统一般包括外部电源、主变电站、牵引供电系统、动力照明供电系统、电力监控系统。牵引供电系统包括牵引变电所、牵引网。动力照明供电系统包括降压变电所、动力照明配电系统。,三、城市轨道交通供电的

2、负荷分类,城市轨道交通系统是一个重要的用电负荷，按规定定为一类负荷，即由两路电源供电，当一路电源发生故障中断供电时，另一路应能保证轨道交通重要负荷的全部用电需求。城市轨道交通系统中牵引用电负荷为一级负荷动力照明负荷根据其负荷性质分为三级：即一级、二级和三级负荷,四、城市轨道交通供电系统的方式,城市轨道交通供电系统的方式有如下三种：集中供电方式：设立独立的（110KV）主变电站，经降压并在沿线牵引变电所、降压变电所进线形成35KV或10KV中压环网，此后由环网沿线的牵引变电所经降压整流为直流电（1500V或750V）对列车供电。各车站的机电设备则由各站降压变电所将35KV或10KV电压降为380

3、/220V对动力、照明等供电.目前多数城市采用集中供电方式。,2.分散式供电方式:该方式是指地铁不设主变电站,而直接由城市电网沿线的区域变电站中的10KV(或35KV)中压线路直接向地铁沿线各站进行供电,并形成环网。该方式的环境必须是城市电网比较发达，在个车站附近有可靠的供电电源。其中中压电网的电压等级应与城市电网的电压等级相一致。混合供电方式即是上述两种供电方式的混合，即指一条轨道交通线路，一部分采用集中供电，另一部分采用分散供电。,五,中压环网供电系统,城市轨道交通中压交流环网系统供电系统的形式:牵引供电和动力照明系统采取相对独立的供电网络,电压等级可以相同也可以不同.(上海地铁采取本方式

4、供电,且动力照明供电网全线各站采取10KV电网供电,即各站都有一个10KV配电所.而牵引供电采取33KV(或35KV)电压进行供电.即各牵引变电所都是一个35KV变电所.牵引供电和动力照明系统采取混合的供电网络.目前大部分地铁采用基本上都是这种方式供电.即牵引变电所都是混合变电所,电压等级为35KV.轻轨的供电方式:由于轻轨是在地面上运行,动力和照明负荷很少,因此目前部分城市的轻轨线路采用10KV供电,如武汉1号线和重庆2号线.,六,变电所的运行方式,主变电站的运行110KV的进线通常为双回路,采用内(外)桥接线,或线路变压器组接线方式;正常运行时桥断路器是断开的，两台变压器各自从一路110K

5、V线路供电.33KV侧是单母线分段结构.正常运行时,母联断路器是断开的.也就是在正常运行时,地铁主所相当于两个独立的单回路单母线在各自独立供电运行.只是当一个回路电源出现故障,桥接断路器才投入运行,两台变压器从一路进线供电；或一路出线故障，一台变压器退出运行时,35KV母线自动合闸，一台主变为两段35KV母线供电。,地铁一期主所主结线,2.牵引降压混合变电所的运行方式,典型的 牵引降压混合变电所的主结线见图35KV侧和0.4KV均为单母线分段，牵引供电通常是由两组牵引整流机组并列运行。当其中一套机组因故退出运行时，另一套机组在如下三个条件的情况下可以不退出运行：牵引机组满足其过负荷要求；谐波含

6、量满足要求；不影响另一套机组的检修。在一套整流机组运行的情况下，可以降低能耗，降低轨电位，减少杂散电流的影响。但是增加谐波含量。,2.牵引降压混合变电所的结构,3.降压变电所的运行方式,典型降压变电所的主结线见图35KV侧为单母线分段。0.4KV除跟随所外降压所外，也都是单母线分段结构。每个降压变电所均设两台动力变压器，分别负责本所半个车站和半个区间的动力照明负荷的供电。正常运行时两台变压器独立运行同时供电。当任一 台动力变压器因故障退出时，母联断路器自动投入，由一台变压器承担全所的一、二级动力照明负荷供电。,3.降压变电所的结构,七、直流牵引供电,直流牵引供电的构成与要求城市轨道交通牵引供电

7、系统中 电能是从牵引变电所经馈电线、接触网、轨道回路及回流线组成的 供电网络称为牵引网。牵引供电系统是由牵引变电所和牵引网组成。接触网按其结构可分为架空式和接触轨。按其悬挂方式又分为柔性接触网和刚性接触网。此外还有第三轨的一种称呼，它是沿线路敷设的与轨道平行的 附加轨道，专门用于给机车送电。,七、直流牵引供电,接触网（轨）：馈电线：回流线：从钢轨返回牵引变电所的导线。电分段：为了便于检修和缩小事故范围、将接触网分成若干段。轨道：利用走行轨作为牵引电流回流的电路,2.牵引变电所的设计原则,正线任一个牵引变电所故障时，其相邻牵引变电所应采取越区供电方式，担负其该区段的全部牵引负荷。此负荷应满足远期

8、高峰小时负荷。牵引变电所的数量及其在线路上的位置，应满足在事故情况下越区或单边供电时接触网的电压水平。（对于1500V 直流系统：DC1000V1800V)在任何运行方式下，接触网最高电压不得高于最高电压，高峰小时负荷时，全线任一点的电压不得低于最低值。,牵引系统的供电方式,单边供电：城市轨道交通接触网在每个牵引变电所附近由电分段进行电气隔离，分成两个供电分区，每个供电分区称为一个供电臂。如果列车只从所在供电臂的一个牵引变电所获得电能，这种供电方式称为单边供电。双边供电：如果一个供电臂同时从相邻两个牵引变电所获得电能则称为双边供电。一般设计只在车辆段内采取单边供电，正线均采用双边供电方式。,牵

9、引双边供电示意图,牵引供电示意图,直流供电示意图,八、直流牵引供电的保护和自动装置,不同的 开关柜设不同的保护类型，地铁通常的保护配置方式如下：馈线柜：大电流脱扣保护、电流上升保护（i/t，di/dt),电流增量保护；进线柜：大电流脱扣保护，逆流保护负极柜：框架保护,电流上升保护（i/t，di/dt):保护装置在运行中不断检查运行中的电流，若电流上升率（i/t斜率）一旦高于保护设定的电流上升率，保护立即启动进入延时阶段，若延时超过设定的延时时间，在此延时段内电流的上升率一直高于保护设定的上升率，则保护立即动作。,2.I电流增量保护(也称I保护）当di/dt保护启动的同时，I保护也启动并进入保护

10、延时阶段，保护单元开始计算电流增量。当电流上升率一直维持在di/dt保护整定值之上，且电流增量在I保护的延时后到达或超过保护定值，则保护动作。当计算电流增量的过程中允许电流上升率在相对较短的时间内回落到di/dt保护整定值之下，只要这段时间不超过di/dt返回延时整定值，则保护不返回，反之保护返回。,3.接触网的过负荷保护,当设备长期处于过负荷运行下，会导致直流馈出电缆，架空接触网发热甚至瘫痪。因此在直流系统需要配置反时限过负荷的保护，即电流过载倍数越大，允许持续的时限越短。在保护单元中存储了许多不同大小的 动作曲线，对应不同的电流值有不同的 跳闸延时。该曲线是一条反时限特性曲线。电流值越大，

11、延时越短。,4.双边联跳保护,所谓双边联跳就像变压器本体发生故障之后，高、低压两侧断路器同时跳闸一样。当接触网发生故障时，由于采用双边供电方式，总是可以堪称一侧为近距离故障，另一侧为远距离故障，应该是近距离故障点的变电所先跳闸之后，远端变电所紧接着跳闸。也向光差保护一样，先收到故障信号的一端向另一端发联跳信号，一起跳闸。,5.逆流保护,在直流牵引供电系统中，整流机组把交流电经降压整流后转换称所需要的 直流电。在正常运行时，电流只能从整流机组经过直流进线断路器流向母排，不会从直流母排反向流向整流机组，否则将会导致整流机组烧坏。这点与交流供电机制不同。直流进线断路器的逆流保护，是防止故障时电流反向

12、流动而设置的 一种保护。,6.框架保护,为了防止直流牵引供电设备内部绝缘降低造成人身伤危险，每个牵引变电所内都设置了一套直流系统框架保护装置。该装置包含反映直流泄露电流的过电流保护和反映接触过电压的 过电压保护。而过电压保护还与车站的轨道电位限制装置配合，作为轨道电位限制装置的后备保护。框架泄露保护由一个电流元件和一个电压元件组成，电压元件可当地投入、切除，并可分别整定为报警和跳闸两端。框架保护动作跳闸后，将闭锁本所断路器合闸，只有当故障消失，当地复归框架保护后，断路器才能合闸。,框架保护动作后虽然保证了 人身及设备的安全，但是将中断4个供电接触网得得供电，影响范围很大。钢轨作为牵引回流媒介时

13、，钢轨对大地一定存在电位差，轨电位在限制动作前框架保护不要动作，以防扩大事故范围。为了能更好说明直流设备框架保护跳闸的 原因我们先介绍一下钢轨电位的概念。在地铁系统中，钢轨作为回流轨，钢轨存在电阻。在车辆取流时钢轨流过牵引电流，钢轨与大地之间出现电位差，一般为30V至50V，电位差数值与钢轨的绝缘水平关系不大。,关于钢轨绝缘水平,我国国家标准规定，新建线路钢轨绝缘电阻不小于15欧姆/公里香港地铁要求，新建线路钢轨绝缘电阻不小于100欧姆/公里欧洲标准规定，新建线路钢轨绝缘电阻不小于10欧姆/公里美国标准规定，新建线路钢轨绝缘电阻不小于40欧姆/公里既有工程中，新建线路钢轨绝缘电阻的测量值一般不

14、小于100欧姆/公里,框架保护动作分析 正常工况,框架保护动作分析正极对外壳短路,框架保护动作分析负极对外壳短路,框架保护动作分析小结,在正常工况下，正极对外壳、负极对外壳、外壳对地、钢轨对地绝缘正常，框架保护不动作外壳对地短路工况，正极对外壳、负极对外壳、钢轨对地绝缘正常，框架保护不动作正极对外壳短路工况，框架保护动作负极对外壳短路工况，当流过框架保护元件的电流大于40A时，框架保护动作外壳对地短路工况，且钢轨对地绝缘较差，流过框架保护元件的电流大于40A时，框架保护动作,7.自动重合闸,自动重合闸是处理瞬时性故障的一种较好的办法，但是对永久性故障只得靠保护来跳闸了。地铁的重合闸使用的特点：

15、(1).在正常操作断路器合闸时，对线路进行多次（一般是3次）测试，通过电流和电压的测量，计算线路残余电阻。线路正常则允许合闸，如线路存在持续性故障，则闭锁合闸；(2).当接触网发生故障时，断路器分闸，启动线路测试，并根据测试结果判断故障性质，如属于瞬时性故障，则重合闸启动合闸，如属于永久性的故障，断路器将不进行合闸。,九、杂散电流的形成和危害,杂散电流的形成牵引电流由牵引变电所的正极出发，经接触网、电动机车和回流轨返回到牵引变电所的负极。由于钢轨与道床和隧道等结构之间的绝缘不是无限大，这样势必造成流经牵引轨的电流不能全部经钢轨回到牵引变电所的负极，有一部分牵引电流泄露到轨道或道床的结构钢上，然

16、后经过结构钢和大地流回牵引变电所的负极，这部分泄露到隧道或道床结构钢上的电流就是杂散电流。见直流牵引杂散电流示意图,2，杂散电流的影响和危害,杂散电流会对地铁中的 电气设备、设施的正常运行造成不同程度的影响，以及对隧道、道床的 结构钢筋和附近的金属管线造成危害，这种危害主要表现在如下几个方面：（1）地下杂散电流流入电气接地装置，将引起过高的接地电位，是某些设备无法正常工作；（2）钢轨会局部或整体对地的绝缘变差，则此钢轨对大地的 泄流电流变大，地下杂散电流增大将有可能引起牵引变电所的框架保护 动作。将直接印影响到牵引的供电。（3）对沿线的金属结构管线造成电腐蚀，长期下去将严重破坏地铁附近的各种结

17、构钢筋和地下金属管线，降低其使用寿命。,3.杂散电流的防护,(1)减小轨道纵向电阻 轨道纵向电阻对轨道电压和泄漏杂散电流有很大影响，轨道纵向电阻越小，产生的杂散电流越少。钢轨本身具有电阻，当电流流过钢轨时在电阻上就产生电位差，因钢轨对地绝缘电阻不可能是无穷大，故产生有电位差和产生杂散电流。所以要降低杂散电流的数量就要减小钢轨压降，降低钢轨压降的方法有如下几点：增加单根走行轨的长度以减小钢轨的电阻钢轨接头之间应有畅通的电气连接以保证低阻值的回流路径 缩短变电所之间的距离，采用双边供电：从杂散电流的估算公式来看，杂散电流与供电距离的平方成正比，所以缩短供电距离是减少杂散电流数量非常有效的方法。,(

18、2).增加杂散电流流通路径的电阻轨地过渡电阻对杂散电流的影响最大，应采取措施使轨地过渡电阻保持在15km以上，从而使其对杂散电流的泄漏没有太大影响。可以通过钢轨绝缘安装，道床与结构钢筋间绝缘隔离等措施来提高轨地过渡电阻。,增加杂散电流流通路径的电阻具体的有三点措施：（a）增加轨道对地的过渡电阻：木质轨枕、枕木的端面和道钉必须经过绝缘处理或设置专门的绝缘层，轨道和接地回路之间应具有良好的绝缘，走行钢轨采用点支承等。（b）增加杂散电流泄漏路径电阻：轨道交通系统系统采用不接地或二极管接地策略。（c）在车辆段的检修库与停车库中，每一条线路的走行轨均应使用绝缘接头与车场线路的走行轨相隔离。,(3)减小变

19、电所之间的距离供电距离越短，轨道泄漏电流和轨道电压越低，杂散电流越小，对结构钢筋或金属管线产生的腐蚀也就越小。因此，在布置牵引变电所位置时应适当考虑减小变电所距离，接触网上采用双边供电，尽量不采用单边。(4)确保牵引回流系统的畅通，是牵引电流流回牵引变电所，从根本上减少杂散电流的产生。(5)减小机车取流电流机车取流电流对轨道电压和泄漏杂散电流有很大影响，机车取流电流越大，产生的杂散电流越多，因此，在允许范围内尽量减小机车取流电流。,(6).增加埋地金属管线的阻值敷设在轨道交通系统沿线的电力、通讯及控制测量电缆，应采用防水绝缘护套的双塑绝缘垫层；轨道交通系统中各种电缆，在隧洞中的电缆、水管等金属

20、结构应以绝缘方式敷设；所有通向隧洞外的管线，必须装有绝缘接头或绝缘法兰。(7).建立杂散电流收集网，收集由钢轨泄流出来的 杂散电流，在阴极区流回牵引变电所。利用整体道床内结构钢筋形成杂散电流收集网。,4.排流保护措施,所谓排流法就是将金属结构中的杂散电流人为地使之直接回流到钢轨或变电所负极，其连接导线称为排流线。排流法又可分为直接排流法、极性排流法、强制排流法3种.(a)直接排流法 直接排流法是将被保护金属导体与靠近变电所附近的回流走行轨直接用导线连接，如图3.1(a)所示。这种方法虽然简单，但只能在没有逆向电流时才能使用。实际杂散电流的方向随运行列车位置的移动而发生改变，因此直接排流法在工程

21、实际中实施的机会很少。,(b).极性排流法即在上述直流排流的连接线上加装半导体整流器，从而只允许埋设物电流流向钢轨，逆向不能流通。这是目前广泛采用的防护措施之一，如图(b)所示。(c).强制排流法当被保护金属的导体处于杂散电流交替干扰区时，采用直接或选择排流法都不能将干扰电流排回走行轨时就需要采用“强制排流法”，如图(c)。所示。这种排流措施具有较强的抗交变电流腐蚀的能力，但需要额外的整流电源，因此投资和运营费用较高，而且还可能使被保护的金属导体产生过负电位区，进而使走行轨发生电化学腐蚀。,监测系统采集功能,系统通过智能传感装置采集现场信号，参数有：1、实时监测钢轨对整体道床结构钢（主排流网）

22、电压；2、实时监测钢轨对隧道结构钢（辅助排流网）电压；3、实时监测道床结构钢的极化电位；4、实时监测隧道结构钢的极化电位；5、结构钢对参比电极的自然本体电位。,监测系统结构-集中式,监测系统结构-分布式,监测系统处理功能,1、供电区间内钢轨对整体道床结构钢（主排流网）电压分布情况；2、供电区间内钢轨对隧道结构钢（辅助排流网）电压分布情况；3、道床结构钢对参比电极的电位变化情况；4、隧道结构钢对参比电极的电位变化情况；5、每半小时结构钢极化电压正向偏移的平均值；6、整体道床和隧道结构钢极化电压最大值、钢轨与隧道结构钢,主要设备之一六氟化硫开关柜,优点：占地面积小，体积小故障率极低，可以20年免维

23、护对环境条件要求低欧洲普及率较高,六氟化硫开关柜的主要技术参数,主要设备之一直流开关柜,国际上用的直流开关柜有三种电压制式：750 V DC1500V DC2500V DC,主要设备之一直流开关柜,国际知名品牌的直流开关柜厂家:瑞士赛雪龙 德国西门子 庞巴迪英国威本邦国内（合资）厂家：大全赛雪龙 上海西门子上海成套（庞巴迪）上广电（GE)广州白云电气（FKI)沈阳成套,直 流 开 关 柜 的 组 成,直流系列开关设备按结构分类，可分为两大类：1.由断路器手车组成的抽出式开关柜；2.由隔离开关组成的固定式开关柜。直流开关柜主要由4大部件组成：1.断路器（主要由意大利Microelettrica Scientifica提供）2.隔离开关（主要由法国FerrzeShawmut提供）3.隔离器变送器（又称隔离器放大器，主要由德国KNICK公司提供）4.终端保护（又称继保,多数由原进口厂家提供）,直流开关柜的内部系统图,直流开关柜的内部系统图,直流开关柜主要参数,