城际轨道交通电能质量-董志杰

城市轨道交通电能质量研究汇报人：董志杰单位：铁道第三勘察设计院集团有限公司2013.082汇报提纲二城市轨道交通主要供用电设备分析电能质量与安全稳定问题四地铁系统与电力系统的交互作用五动态无功补偿装置简介一三城市轨道交通供电系统六城市轨道交通三种动补方案的比较城市轨道交通供电系统地铁轻轨有轨电车中低速磁浮城市轨道交通供电系统城市轨道交通供电系统城市轨道交通供电系统城市轨道交通供电系统构成城市轨道交通供电系统高压供电系统（主变电所）内部供电系统牵引供电系统动力照明供电系统城市轨道交通作为城市电网的一个用户，一般都直接从城市电网取得电能，无需单独建设电厂，城市电网对城市轨道交通进行供电，供电方式有集中供电、分散供电和混合供电。集中式供电由专门设置的主变电所集中为牵引变电所及降压变电所供电的外部电源供电方式，称为集中供电方式。主变电所应有两路独立的进线电源。集中式供电有利于城市轨道交通供电形成独立体系，便于管理和运营。上海、广州、南京、香港、德黑兰地铁等。牵引、降压主变电所主变电所110kV110kV110kV主变电所主变电所10/35kV10/35kV10/35kV城市轨道交通供电系统分散式供电在地铁沿线直接由城市电网引入多路电源构成供电系统。一般为10kV电压级。分散式供电要保证每座牵引变电所和降压变电所均获得双路电源，要求城市轨道交通沿线有足够的电源引入点及备用容量。建设中的长春轻轨、大连轻轨、北京城铁、北京八通线、北京地铁5号线等10kV牵引或降压变电所10kV10kV10kV10kV10kV10kV区域变电所城市轨道交通供电系统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、建设中的武汉轨道交通工程、青岛地铁南北线工程等即为混合式供电方案。城市轨道交通供电系统城市轨道交通牵引供电系统构成示意图高压供电系统城市电网牵引供电系统牵引变电所回流线馈线接触网轨道主变电所三相交流直流城市轨道交通供电系统供电系统问题提出接受并分配电能的功能故障保护功能降压整流及输送直流电能的功能安全操作连锁功能供电系统各级供电网络应具有在正常、事故、灾害运行情况下控制、测量、监视、计量、调整的功能123654供电系统的功能是向地铁各机电设备系统提供安全、可靠、优质的电力供应，满足各系统的供电要求。降压及动力配电的功能城市轨道交通供电系统存在的问题城市轨道交通电气化问题的提出功率因数问题电压波动与闪变谐波问题电缆充电无功问题轨道交通系统安全稳定运行问题轨道交通供电系统与电力系统的相互作用节能降耗问题技术的先进性问题城市轨道交通供电系统汇报提纲二城市轨道交通主要供用电设备分析电能质量与安全稳定问题四地铁系统与电力系统的交互作用五动态无功补偿装置简介一三城市轨道交通电气化概述六城市轨道交通三种动补方案的比较城市轨道交通主要供用电设备分析主变电所采用110kV油浸式变压器。每个主站采用两台型号相同的变压器并列运行。1.110KV主变压器a.采用35kV及以下电压等级的交联聚乙烯绝缘电力电缆。基本结构均由导电线芯、绝缘层和保护层三个部分组成。b.电缆线芯质地为高电导系数的金属材料铜或铝，为了减少电缆线芯损耗。电缆绝缘层绝缘材料一般可分为均匀质和纤维质两大类。2.高、低压电缆电缆型号截面积(mm2)长度(m)JKYJ18518592722JKYJ300300107300某地铁35kV高压电缆参数分布在各个降压所和跟随所，主要用于给动力、照明负荷供电。由于电压等级较低，而电容的无功功率与电压平方成正比，因此每1km低压电缆的无功相当于1km33kV电缆无功的0.01%，可以忽略不计。400V低压电缆城市轨道交通主要供用电设备分析地铁系统内分为两大类变压器：a.降压所内的普通变压器，电压等级35kV/400V;b.牵引所的整流变压器，为三绕组变压器，电压等级为35kV/1.18kV。3.35kV变压器事项描述一般称呼降压变压器；跟随变压器；综合楼变压器等结构型式户内；油浸式；三相；双绕组；无励磁调压；自然风冷或自然冷却。绕组数量双绕组额定容量630~2000kVA不等电压等级35kV/400V极性或联接组标号Yy中性点接地35kV不接地；400V不接地短路阻抗6%降压所普通变压器参数牵引所整流变压器事项描述一般称呼牵引变压器结构型式户内；油浸式；三相；双绕组；无励磁调压；自然风冷或自然冷却。绕组数量三绕组额定容量2200，3300kVA等电压等级35kV/1.18kV极性或联接组标号YyΔ中性点接地35kV不接地；400V不接地短路阻抗8%4.动照类负荷机电设备负荷分类与分级负荷分级负荷类型一级负荷主控系统、通信系统、信号系统、防灾报警系统、环境与设备监控系统、自动售检票、门禁、屏蔽门、防淹门、民用通信、自动扶梯（火灾时仍需运行才能满足疏散要求的自动扶梯）、自动灭火、消防泵、废水泵、雨水泵、所用电、站台站厅公共区照明、应急及疏散标志照明、二、三、四类导向灯箱、事故风机及其风阀、排烟风机及其风阀等二级负荷设备区和管理区照明、出入口通道照明、非事故风机及风阀、污水泵、自动扶梯（火灾时无需运行的自动扶梯）、楼梯升降机、维修电源等。三级负荷公共区及管理用房空调系统（包括冷冻水泵、冷却水泵、补水泵、空气幕、分体空调器）、广告照明、清扫机械、生活用电源等。注:车站动力照明负荷以一、二级负荷为主，平均占总负荷的75％左右。机电设备的系统划分机电设备照明类负荷站厅/站台照明、广告照明、应急照明、设备区和管理区照明、出入口通道照明电动机类负荷通风与空调系统冷冻水泵、冷却水泵、补水泵、空气幕、分体空调器、非事故风机及风阀、事故风机及其风阀、排烟风机及其风阀等给水与排水系统消防泵、废水泵、雨水泵、污水泵扶梯、电梯、楼梯升降机、防淹门电子与计算类负荷主控系统、通信系统、信号系统、防灾报警系统、环境与设备监控系统、自动售检票、门禁、民用通信、自动灭火、所用电城市轨道交通主要供用电设备分析4.动照类负荷分析小结1.分析了一些典型的降压所(跟随所)，各种动力变负荷种类基本相似，容量不完全一样。2.所有负荷按照重要程度划分:一级、二级和三级负荷。依据用电设备的类型可将机电设备分为照明类、电动机类和电子与计算机类（弱电类）等三类用电设备。3.目前变压器高峰时使用率只有10-30%，因为：一、大量负荷（如空调与通风负荷）并不运行在额定功率；二、水泵等负荷投入不到一半；三、扶梯、电梯等负载投入不到一半。4.晚上轻载时，折算之后负荷总计占动力变压器容量的1-3%，因为：站厅照明、自动扶梯、空调等约2/3的负荷都处于停运；另外AFC设备、车控室等1/3的负荷为热备用状态，耗电功率一般不超过额定功率的10%。城市轨道交通主要供用电设备分析5.机车牵引负荷城市轨道交通直流牵引供电系统包括：牵引变电所、牵引网和电动车组，其中牵引网由馈电线、接触网、走行轨及回流线等构成。直流牵引供电系统模型牵引机车负荷的特点为：1、启停频繁；2、有冲击；3、整流器可能导致谐波和三相不平衡。城市轨道交通主要供用电设备分析6.轨道交通供用电系统的特点1.电压等级为：110kV=35kV=400V和1.18kV；。2.35kV和400V大量使用电缆，必须充分考虑电缆的特点，尤其是充电无功。3.地铁系统所采用的电力牵引机车为整流型负荷，是一个典型的非线性冲击性负荷。4.动力和照明负荷较复杂，负荷种类较多，包括：照明、自动扶梯等常规负荷，以及给排水、空调和通风系统等使用的电动机负荷，还有一些对电能质量较为敏感的主控系统、控制系统、信号系统等。城市轨道交通主要供用电设备分析汇报提纲二城市轨道交通主要供用电设备分析电能质量与安全稳定问题四供电系统与电力系统的交互作用五动态无功补偿装置简介一三城市轨道交通电气化概述六地铁三种动补方案的比较电能质量与安全稳定问题—电能质量电能质量概述1.我国电能质量标准a.当前电网的复杂程度越来越高，各种特点迥异的负荷得到广泛使用使得供电系统故障或电能质量恶化；b.供电系统非线性负载的大量增加，会引起电网电流、电压波形畸变，引起电网的谐波“污染”；c.电压波动、闪变、三相不平衡的日趋严重。这些因素不仅会导致供用电设备本身的安全性降低，而且会严重削弱和干扰电网的经济运行。标准名称标准编号标准名称标准编号《供电电压允许偏差》GB12325《电力系统频率允许偏差》GB/T15945《电压允许波动和闪变》GB12326《电压波动和闪变》GB12326《公用电网谐波》GB/T14549《暂时过电压和瞬态过电压》GB/T18481《三相电压允许不平衡度》GB/T15543电能质量与安全稳定问题—电能质量2.国际电能质量标准标准名称标准编号电力系统谐波控制标准IEEEStd519敏感电子设备的供电及接地标准IEEEStd1100电能质量监测标准IEEEStd1159IEC标准IEC定义电能质量是指供电装置在正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性。最严重的电能质量问题是电压跌落和电压完全中断。IEEE标准其他国际标准制定了电能质量标准的其他国际组织：1.欧洲电工技术标准委员会（CENELEC）；2、国际供电会议（CIRED）；3、国际大电网会议（CIGRE）。电能质量与安全稳定问题—安全稳定问题1.地铁无功功率无功功率主要用于在电气设备中建立和维持磁场，完成电磁能量的相互转换，不对外做功，为系统提供电压支撑，在电源与负荷之间提供电压降落所需的势能。无功的冲击，将影响到电网的安全稳定运行。变压器的无功损耗负荷的无功功率a.空载损耗，根据有关资料变压器的空载损耗按照变压器额定功率的0.5%计算；b.变压器带载运行，漏抗产生的感性无功。其中，Q为漏抗产生无功，S为变压器复功率，PE为变压器额定容量，L%为变压器漏抗百分比。%*2LPSQE÷÷øöççèæ=负荷的无功功率和其自身的额定功率，运行功率以及功率因素有关系其中，S为负荷复功率，P是负荷有功功率，单位为瓦特（W），Q为负荷无功功率，单位为乏(Var)。CosΦ为功率因数。ffsincos**jVIVIjQPIVS+=+==无功功率概念电能质量与安全稳定问题—安全稳定问题1.电缆的充电无功影响较大。假设每个地铁主站下辖三个分区，35kV高压电缆100-200km，经PI型模型估算，充电无功基本上为主变压器容量的10%-30%。夜晚负荷较轻，系统存在无功倒送。此外，电缆产生的容性无功对电压有抬升的作用，抬升到一定程度，则会影响到设备的安全性。2.夜晚功率因素低。由于夜晚所有负荷基本停运，感性无功基本接近为零；数百公里35kV高压电缆的存在，产生几MVA的容性无功。无功倒送进电力系统，导致功率因素会很低，一般低于0.5。3.无功波动大。感性无功主要存在于:动力和照明负荷的无功功率，机车牵引负荷的无功功率，变压器的无功损耗以及漏抗产生的无功功率。地铁系统夜晚容性无功倒送，白天负荷较重有一定数量的感性无功，因而，地铁供电系统的无功波动较大。4.存在冲击性负荷。机车牵引负荷是一种典型的冲击性负荷，除了给系统带来有功冲击也会带来无功冲击。地铁无功功率特点电能质量与安全稳定问题—安全稳定问题引起无功损耗无功在线路中大量传输造成线路无功损耗；过升压(降压)变压器时，会引起变压器无功损耗。其中，P为有功，Q为无功，U为系统电压，X为线路阻抗或变压器阻抗。可见：无功损耗伴随有功的变化而成平方关系变化，当有功增大一倍时，无功损耗将增大数倍。XUQPXIP´+==22223损引起电压降落或电压抬升感性无功的大量存在会引起电压降落；容性无功的大量存在会引起电压抬升。电压过低或过高都会对设备安全带来隐患无功冲击引起电压波动与闪变冲击性负荷会带来有功冲击和无功冲击，严重时会导致电压波动和闪变。无功的危害电能质量与安全稳定问题—安全稳定问题2.电压波动与闪变电压波动是冲击性负荷引起的。冲击负荷有:三相基本平衡、三相不平衡的冲击负荷。有功功率负荷功率变化速率，冲击负荷出现