第六章 城市轨道交通供电

第六章城市轨道交通供电系统结构及其运行主编李建民第一节城市轨道交通供电系统结构与要求一、供电系统结构城市轨道交通供电系统主要由以下三部分构成：中压环网系统、牵引供电系统和低压供配电系统。中压环网系统：城市轨道交通电力能量来源于所在城市的国家电力系统，它直接取自城市或区域电力网。城市轨道交通电力网供电系统就是指国家电力网以何种方式向城市轨道交通供电，结构是如何构成的。因此，城市电网或区域电力网的结构必将对城市轨道交通供电系统起着决定作用。牵引供电系统：城市轨道交通供电系统的核心，负责向城市轨道交通车辆提供电能。主要作用是降压、整流和传输电能。低压供配电系统：负责向信号设备、照明、通风、排水、制冷设备馈送电能。主要作用是降压、分配和传输电能。一般而言，它主要是负责向安全、保障设备供电。二、供电系统具体要求1)供电系统应满足经济、可靠、接线简单、运营管理及维护方便的要求。2)目前，城市轨道交通供电系统一般采用集中供电，110/35kV两级电压供电方式。3)对于集中供电模式，主变电所应从市区电网引入两回路110kV独立电源供电，以保证供电可靠性和供电质量。4)主变电所110kV侧采用线路变压器组，也可采用内桥接线方式；主变电所35kV侧采用单母线分段接线。5)供电系统按远期高峰小时负荷设计，并预留一定裕度。二、供电系统具体要求6)供电系统应满足下列运行方式负荷的要求：①主变电所一台主变压器解列退出运行时，由另一台主变压器向该主变电所供电范围内的用电负荷供电，每台主变压器容量应满足该所供电区域高峰小时牵引负荷和动力照明一、二级负荷的需求。7)对于集中供电模式，不考虑在一座主变电所故障解列，同时35kV环网电缆故障的情况。8)正常运行方式下，系统的电能损失最小。9)牵引降压混合变电所或降压变电所正常时由两回路35kV电源供电，当任一回路35kV进线电缆故障或失压时，另一回路35kV电源向该所供电范围内一、二、三级负荷供电。二、供电系统具体要求10)根据车站和车辆段设备负荷分布情况，各设1～2座降压变电所，当设置两座降压变电所时，一所为35kV侧单母线分段接线方式，另一所为跟随式。11)牵引变电所设两套整流机组，两套机组并联运行构成等效24脉波整流对牵引网供电，以减少注入城市电网的谐波。12)全线任何顺序相邻的三座牵引变电所(线路端头两牵引变电所除外)，当中间一座牵引变电所故障时，其相邻的牵引变电所采取大双边供电方式，担负起该段的牵引供电负荷。13)牵引变电所供电效率不低于96%。14)接触网供电电压采用直流1500V或者750V，允许电压波动范围为1000～1800V或者500～900V。二、供电系统具体要求15)供电系统通过主变电所送入电力系统的谐波含量应满足国家标准的规定。16)各车站设置综合接地网，接地电阻不大于0.5Ω，根据各地的情况不一样，有时选0.8Ω，还有的选1.5Ω。17)当接地系统设计与杂散电流防护设计发生矛盾时，应优先考虑接地安全。18)继电保护装置应满足可靠性、速动性、选择性和灵敏性的要求。19)为保证旅客安全，每个车站应设钢轨电位限制装置。20)供电系统应尽可能采用优质的国产化设备，便于维护和管理。三、变电所主接线选择原则1.变电所主接线方案研究2.减少生产房屋面积的措施减少生产房屋的面积，不仅可以减少变电所房屋的投资，而且可以方便车站的建筑布置，减少环控负荷和照明负荷以及其他辅助设施的配置，意义重大，更重要的是可以减少一次性投资。3.继电保护的配置合理地设置继电保护可以提高供电系统的可靠性，提高运行的经济水平，方便于运行管理。4.绝缘配合及接地合理地设置过电压保护装置、正确选取各设备的绝缘水平，采用恰当的接地方法，能够确保人员和设备的安全，提高供电的可靠性，延长设备的使用寿命。四、变电所建设原则1.电源设置原则一般从最近的220kV变电站引入两路电源，而且要选择至少两个220kV变电站，主变电所110kV电源从两站引入比较理想。220kV变电站要具有足够的容量，最好预留110kV出线间隔，以满足城市轨道交通供电发展的需要。设计新的供电系统时，既要充分利用现有城市轨道交通供电资源；同时，还要兼顾城市轨道交通远期规划，以便提高整个城市轨道交通供电系统的效率。2.主变电所选址原则我国城市轨道交通供电系统多选择35kV等级环网供电，而考虑到35kV电缆末端的电压质量，35kV供电半径不宜过长，因此主变电所应尽可能处在供电线路的中间。同时，主变电所所址还应考虑使接入系统方案可行，尽量节省投资。四、变电所建设原则1)城市轨道交通供电系统一般采用集中供电方式，全线牵引、低压配电系统由110/35kV(/10kV)主变电所供电。2)新建主变电所应结合城市轨道交通网规划、城市电网发展规划及现有情况做统一规划、合理布局、分步实施。3)尽可能利用现有轨道交通主变电所，以实现主变电所资源共享，避免重复配置造成的浪费。3.牵引变电所选址原则牵引变电所的设置首先要满足供电质量的要求，GB10411—2005《城市轨道交通直流牵引供电系统》规定：牵引供电系统直流电压及波动范围应符合如下的标准：标称值1500V，最低值1000V，最高值1800V。第二节电气主接线形式一、电气主接线及其要求1)因该类变电所一般设在地下(如上海地铁)或地面的城市闹市区街道两侧(轻轨系统)，受环境条件和空间的制约及安全保障的需要，其特殊性不同于一般的变电所。2)列车牵引、通信信号电源、站厅事故照明和必要的安全、环卫设施(通风、排水、防灾、消防和自动扶梯等)都属于一级负荷，它们对不间断供电的要求基本相同，因此必须综合考虑，不可偏颇，此外还有二、三级动力和照明负荷。一、电气主接线及其要求1.可靠性可靠性指保证在各种运行方式下，牵引负荷以及其他动力负荷供电的连续性，即保证不间断供电。牵引负荷是一级负荷，中断供电将造成重大的社会影响，对整个城市交通都会造成压力。因此连续的供电是对电气主接线的首要要求。不但如此，还要为用户提供符合要求的高质量的电能。除此之外，可靠性还体现在能够适应一定的环境变化，即要求在较恶劣的环境下，仍然能够正常工作。一、电气主接线及其要求2.灵活性灵活性指系统在故障或变电设备故障和检修时，能适应调度的要求，能够灵活、简便、迅速地改变运行方式，而且要使故障影响的范围最小。这就要求主接线力求简捷、明了，操作简便，避免误操作。除此之外，灵活性还体现在具有一定的适应发展的可能性，即要有一定预留。3.安全性电气主接线保证在进行操作时，工作人员和设备的安全以及能在安全的条件下进行维护和作业。当然也要保证进入变电所的非工作人员的安全。电气主接线的安全性是有等级的，首先保证工作人员的安全。这是最基本的要求。一、电气主接线及其要求4.经济性电气主接线的经济性主要取决于以下几个方面：一是母线的结构类型与组数；二是变压器的容量、结构形式和数量；三是高压断路器的数量；四是配电结构类型；五是占地面积等。设计时要进行综合考虑，以达到电气主接线的投资和运行费用的经济、合理。在确定主接线时，一般都要在满足安全可靠、运行灵活的前提下，尽量降低投资和运行费用。二、常用的主接线形式1.单母线不分段接线单母线不分段接线是比较简单的接线形式，如图6⁃1所示。电源回路和用电回路通过断路器和隔离开关分别与母线相连。根据电源的数量，该接线形式又分为双电源形式和单电源形式。单电源形式一般适用于10kV以下的一般用户。图6-1单母线不分段接线二、常用的主接线形式2.单母线分段接线单母线分段接线是在克服单母线不分段接线工作不够可靠、灵活性较差的基础上，改进后而形成的一种接线方式，如图6⁃2所示。它又分为双电源单母线分段接线和单电源单母线分段接线。图6-2单母线分段接线二、常用的主接线形式3.具有代旁路母线的单母线接线单母线分段接线虽能提高运行的可靠性和灵活性，但线路断路器检修或故障时，将使该回路停电。而实际运行中，断路器故障率高，检修频繁，是配电装置中的薄弱环节。为克服这一缺点，可采用具有代旁路母线的单母线接线，如图6⁃3所示。图6-3代旁路母线的单母线接线二、常用的主接线形式4.双母线接线变电所设有两套母线，即工作母线和备用母线，两套母线通过母联断路器连接起来，这种接线方式称为双母线接线，如图6⁃􀰊4所示。每条电源线和馈线回路经断路器后用两只隔离开关分别与两条母线相连。正常运行时，1M、2M都是工作母线，并通过母联断路器MD（合闸）并联运行。图6-􀰊4双母线接线二、常用的主接线形式5.线路变压器组接线图6-5线路变压器组接线二、常用的主接线形式1)在正常情况下，两路电源线路各接一台变压器。2)当变压器负荷率较高时，T1或T2出现故障，或者线路发生故障，此时需要相邻的变电所联络转移部分重要负荷。3)当变压器负荷率较低时，T1或T2出现故障，或者线路发生故障，造成一台主变压器退出运行，此时仅仅需要对变电所二次侧的负荷进行转移，由另一台主变压器承担起本所全部负荷即可，对其他相邻的变电所没有影响。图6-􀰊6内桥形接线二、常用的主接线形式6.桥形接线1)内桥形接线仅需3台断路器，且线路操作方便。2)在正常情况下，QDL断开，就变成线路变压器组接线方式。3)变压器故障和进行合、分操作时，影响其他回路，操作较为繁琐。图6-7外桥形接线二、常用的主接线形式1)与内桥形接线一样，外桥形接线仅需3台断路器。2)在正常情况下，外桥形接线QDL断开，就变成线路变压器组接线方式。3)桥断路器检修时，两变压器需要解列运行。4)变压器故障和进行合、分操作时，不影响其他回路。第三节中压环网系统结构及其运行一、中压环网系统概述1.系统结构该系统包括从上一级电源进线开始到各变电所进线之前的所有电气设备及线路，其核心是主变电所，此外就是负责向牵引系统和低压变配电系统供电的输电线路。图6-􀰊8中压环网供电系统示意图——集中式+联合式+链式(又称双回路环网)一、中压环网系统概述图6-9中压环网供电系统示意图——集中式+独立式+链式+T形连接一、中压环网系统概述2.主变电所的设置城市轨道交通外部供电系统采用110kV集中供电方式，并根据轨道交通整体规划进行供电网络优化和资源共享，其内部电网主要供牵引、低压配电系统等负荷。一般一条长的轨道交通线路，需配置两座110kV主变电站。1)位置：集中受电点的确定，也就是主变电所位置的确定，是一项非常重要的工作，对今后的线网、运营影响非常大。2)数量：设置几个主变电所以及与未来线路的关系，都必须综合考虑。3)容量大小：考虑不同时期的线网结构及运量。一、中压环网系统概述3.供电分区的设置中压环网供电系统要根据实际情况进行合理分区。并在分别来自两个电源的分区之间建立联络，35kV电源形成手拉手环网结构，提高了系统的可靠性。正常运行情况下，环网分段开关打开；当一个主变电站故障退出运行时，合上相应的环网分段开关，主变电站之间实现供电相互支援。二、城市轨道交通供电系统主变电所1.主变电所110kV进线模式(1)线路变压器组接线模式该接线模式比较简单，如图6-10所示。(2)环入环出接线模式该模式如图6-11所示，适用于中心城区两条线路交叉或接近处。图6-10线路变压器组接线模式二、城市轨道交通供电系统主变电所图6-12环入环出接线模式2二、城市轨道交通供电系统主变电所(3)双环网接线模式该接线模式适用于中心城区多条线路交叉或接近，轨道交通用电负荷较集中的场所，如图6-13所示。图6-13双环网接线模式二、城市轨道交通供电系统主变电所2.主变电所电气主接线及运行主变电所的作用是将城市电网的高压（110kV或220kV）电能降压后以相应的电压等级（35kV或10kV）分别供给牵引变电所和降压变电所。为保证供电的可靠性，一般设置两座或两座以上主变电所，主变电所由两路独立的电源进线供电，内部设置两台相同的主变压器。根据牵引负荷容量和动力负荷容量的大小不同，主变压器可采用三相三绕组的有载调压变压器，也可用双绕组的变压器。采用两台相同的主变压器可以使35kV电压和10kV电压来自不同的变压器。采用有载调压变