《城市轨道交通供电》学习包

1《城市轨道交通供电》学习包第一章电力牵引供电系统综述一、电力牵引的制式对牵引列车的电动车辆或电力机车特性的基本要求：1、起动加速性能要求起动加速力大而且平稳，即恒定的大的起动力矩，便于列车快速平稳起动。2、动力设备容量利用对列车的主要动力设备——牵引电动机的基本性能要求为，列车轻载时，运行速度可以高一些，而列车重载时运行速度可以低一些。这样无论列车重载或轻载都可以达到牵引电动机容量的充分利用，因为列车的牵引力与运行速度的乘积为其功率容量，这时近于常数。3、调速性能列车运输，特别是旅客运输，要求有不同的运行速度，即调速。在调速过程中既要达到变速，还要尽可能经济，不要有太大的能量损耗，同时还希望容易实现调速。低频单相交流制是交流供电方式，交流电可以通过变压器升降压，因此可以升高供电系统的电压，到了列车以后再经车上的变压器将电压降低到适合牵引电动机应用的电压等级。由于早期整流技术的关系，这种制式采用的牵引电动机在原理上与直流串激电动机相似的单相交流整流子电动机。这种电动机存在着整流换向问题，其困难程度随电源频率的升高而增大，因此采用了“低频”单相交流制，它的供电频率和电压有25HZ、6.5～11kV和1632HZ、12～15kV等类型。由于用了低频电源使供电系统复杂化，需由专用低频电厂供电，或由变频电站将国家统一工频电源转变成低频电源再送出，因此没有得到广泛应用，只在少量国家的工矿或干线上应用。“工频单相交流制”。这种制式既保留了交流制可以升高供电电压的长处，又仍旧采用直流串激电动机作为牵引电动机的优点，在电力机车上装设降压变压器和大功率整流设备，它们将高压电源降压，再整流成适合直流牵引电动机应用的低压直流电，电动机的调压调速可以通过改变降压变压器的抽头或可控制整流装置电压来达到。工频单相交流制是当前世界各国干线电气化铁路应用较普遍的牵引供电制式。我国干线电气化铁路即采用这种制式，其供电电压为25kV。在牵引制的发展过程中曾出现过“三相交流制”的形式，但由于供电网比较复杂，必须要有两根（两相）架空接触线和走行轨道构成三相交流电路，两根架空接触线之2间又要高压绝缘，造成的困难和投资更大，因此被淘汰。关于直流制式的电压等级应用情况大致如下：干线电气化铁路的供电电压有3kV的，电压没有再提高是因为受到直流牵引电动机端电压的限制，其值一般为l．5kV左右，用3kV供电，一般就需要将两台电动机串联联接，再提高供电电压其联接就更复杂，还涉及当时整流装置绝缘水平的问题。这种制式在原苏联和东欧一些国家应用最普遍。供电电压为1.2～1.5kV的直流制多用于工矿和部分国家的干线电力牵引，如日本等国家。城市轨道交通几乎毫无例外地都采用直流供电制式，这是因为城市轨道交通运输的列车功率并不是很大，其供电半径（范围）也不大，因此供电电压不需要太高，还由于直流制比交流制的电压损失小（同样电压等级下），因为没有电抗压降。另外由于城市内的轨道交通，供电线路都处在城市建筑群之间，供电电压不宜太高，以确保安全。基于以上原因，世界各国城市轨道交通的供电电压都在直流550～1500V之间，但其档级很多，这是由各种不同交通形式，不同发展历史时期造成的。现在国际电工委员会拟定的电压标准为：600V、750V和1500V三种。后两种为推荐值。我国国标也规定为750V和1500V，不推荐现有的600V。我国北京地铁采用的是750V直流供电电压，上海地铁采用的是1500V直流供电电压。必须根据各城市的具体条件和要求，综合论证决定。二、电力牵引供电系统的组成我国和大多数国家一样，电力生产由国家经营管理，因此无论是干线电气化铁路，还是工矿电力牵引和城市轨道交通电力牵引用电均由国家统一电网供给。为了说明电力牵引供电系统各个组成部分的关系和作用，下面以城市轨道交通直流电力牵引供电系统为例，用示意图1-1表示之。电厂可能与其用户相距甚远，为了能得到经济输电，必须将输电电压升高，以减少线路的电压损失和能量损耗，因此在发电厂的输出端接入升压变压器以提高输电电压。目前我国用得最普遍的输电电3压等级为110～220kV。通常国家供电系统总是把在同一个区域（或大区）的许多发电厂通过高压输电线和变电所联结起来成为一个大的统一的供电系统，向该区域的负荷供电，这样由各级电压输电线将发电厂、变电所和电力用户联结起来的一个发电、输电、变电、配电和用户的统一体被称为电力系统。组成统一的电力系统有如下的一些优越性。1．可以充分利用动力资源。火力发电厂发出多少电能就需要相应地消耗多少燃料，而其他的某些类型发电厂，它能发出多少电能取决于当时该发电厂的动力资源情况，如水电站的水位高低，它随自然条件的变化而变化，因此，组成统一的电力系统以后，在任何时候，可以动态地调整各种动力资源，以求其发挥最大效益。2．减少燃料运输，降低发电成本。大容量火力发电厂所消耗的燃料是很可观的，如果不用高压远距离输电，则发电厂必然要建在负荷中心附近而不能建在燃料资源的生产地，这样就要大量运输燃料，造成发电成本升高。采用高压输电电力系统以后就可以解决以上问题，将发电厂建在动力资源丰富的地方。3．提高供电的可靠性。由于供电区域内的负荷是由多个发电厂组成的电力系统共同供电的，这样与单个发电厂独立向自己的负荷供电比较起来，对负荷的供电可靠性就可以提高很多，因为系统内发电厂之间可以起到互为后备的作用。与此同时，整个系统的发电设备容量也可以减少很多，降低了设备的投资费用。4．提高发电效率。没有组成电力系统之前，每个发电厂的容量是按照它的供电负荷大小来设计选择的，如果该地区负荷小，则发电设备单机容量必小。通常单机小容量的发电设备总是比大容量的设备运行效率低些，因此组成电力系统以后，不但各发电厂的单机容量可以尽可能选得大一些，以提高单机的运行效率，而且总机组数目也可减少，还不受各地区负荷大小的牵制，因为它们是由统一系统供电的，这就达到了提高发电效率的目的。通常高压输电线到了各城市或工业区以后通过区域变电所（站）将电能转配或降低一个等级，如35～10kV向附近各用电中心送电。城市轨道交通牵引用电既可从区域变电所高压线路得电，也可以从下一级电压的城市地方电网得电，这取决于系统和城市地方电网具体情况以及牵引用电容量大小。对于直接从系统高压电网获得电力的城市轨道交通系统，往往需要再设置一级主降压变电站，将系统输电电压如110～220kV降低到10～35kV以适应直流牵引变电所的需要。从管理的角度上看，主降压变电站可以由电力系统（电业部门）直接管理，也可以归属于城市轨道交通部门管理。4以上，从发电厂（站）经升压、高压输电网、区域变电站至主降压变电站部分通常被称为牵引供电系统的“外部（或一次）供电系统”。从主降压变电站（当它不属于电力部门时）及其以后部分统称为“牵引供电系统”。它应该包括：主降压变电站、直流牵引变电所、馈电线、接触网、走行轨及回流线等。直流牵引变电所将三相高压交流电变成适合电动车辆应用的低压直流电。馈电线是将牵引变电所的直流电送到接触网上。接触网是沿列车走行轨架设的特殊供电线路，电动车辆通过其受流器与接触网的直接接触而获得电力。走行轨道构成牵引供电回路的一部分。回流线将轨道回流引向牵引变电所。三、向牵引变电所供电的接线图1．环行供电接线（图1-2）以下各图符号意义相同。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行。环行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。2．双边供电接线（图1－3）由两个主降压变电站向沿线牵引变电所供电，通往牵引变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行供电。当引入线数目较多时，开关设备多，投资增加。3．单边供电接线（图l－4）当轨道沿线附近只有一侧有电源时，则采用单边供电。单边供电较环行供电和双边供电的可靠性差，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，投资也少些。54．辐射形供电接线（图l－5）每个牵引变电所用两路独立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，将全线停电。应当指出，实际情况常常是以上某些典型接线方式的综合。变配电接线图的选择应该是这样的，当供电系统的一个元件故障损坏时，它应能自动解列而不致破坏牵引供电。四、直流牵引变电所的整流装置直流牵引变电所的主要功能为，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成直流电供电动车辆的直流牵引电动机用。为了提高直流电的供电质量，降低直流电源的脉动（波动）量，通常采用多相整流的方法，它可以是六相、十二相整流，还可以增加到二十四相整流。为此，整流变压器不仅起降压作用，还要将三相交流电变成多相交流电供整流器整流，整流变压器与整流器合称为整流装置。下面就直流牵引变电所应用的多相整流基本工作原理加以叙述。1、最简单的三相半波整流电路（图l－7）图中（a）表示整流变压器的二次侧三相绕组a、b、c成星形联结，a、b、c三相分别接大功率半导体整流管D1、D2、D3，R为负载电阻，三相交流电压（Ua、Ub、Uc）波形如图(b)所示。在任何时刻，相电压最高的一相的整流管导通，此时整流电压（加在负载R上的电压）即为该相的瞬时电压，如图中ωt1～ωt2时，为a相D1管导通，此时整流电压为Ua，同理依次为D2、D3导通，整流电压依次为Ub、Uc波形。这种线路的特点为：1)．变压器副边每相绕组只导通1/3周期，即相差120°利用率较差。62)．整流管承受的反向电压高。当一个整流管导通时，另外两个管必承受反向电压，其值为副边绕组线电压。如D1导通时，D2、D3分别承受反电压Uab、Uac。3)．变压器绕组总是通过单方向电流，引起直流磁化，造成铁心饱和，必要求加大铁心尺寸，且阻抗增大，损耗增大。以上电路属共阴极接线，即三相整流管的阴极连接在一起。要改善以上整流电路，首先可以设想有两组负荷相近的整流电路（都是三相半被整流电路），但是一组为共阴极接线，另一组则为共阳极接线，即a、b、c三相绕组连接的三个整流管的阳极连接在一起。如图1-8（a）所示。此时整流电路的工作情况就有所改善。图（a）为两组半波共阴、阳极串联电路，如其负荷电流Id1、Id2相等，则零线电流I0为零，零线可以取消，同时两组整流器共用一组三相副边绕组，对每相绕组其通过的电流方向依次相反，各占1／3周期，这样就提高了各绕组的通电时间（加倍），提高了利用率，而且先后的电流方向是相反的，又消除了直流磁化的问题。2、三相桥式整流电路以上接线中两组半波整流的负荷电流数值相等，即Id1=Id2，则Id1-Id2=0，零线可以取消，将两组负载用抗叠加为一个，则成为图1-8（b）所示的三相桥式整流电路。桥式整流电路对同样变压器绕组电压来说，其整流电压升高一倍。反之，如整流电压保持一定，则变压器绕组电压可以降低，因而整流元件承受的反电压可以低些。三相桥式整流变压器无直流磁化问题。整流电压Ud的彼形为六相脉动波形，其整流电压的次序依次为线电压Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb、Uab、……。如图1-9所示。3、大功率供电整流电路对于化工、冶金和电力牵引用的大功率整流设备，由于其直7流电压不太高，而电流很大，为了避免整流支路的整流元件（管）并联数目不致太多，而造成元件之间电流分布不均的问题，可以用两组整流器并联工作的方法。同时可以使两组整流器相互之间有相位移（相差），以求得多相整流，减少整流电压脉动的目的。下面介绍两种这样的电路；1)．带平衡电抗器的双反星形整流电路（图1-10）所谓双反星形是整流变压器的次边每相有两个匝数相同的绕组，分别接成两组三相半波整流电路，即a、b、c和a′、b′、c′两组。a与a′、b与b′、c与c′分别绕在同一个铁芯上，其极性相反，或者说电压的相位差180°。如图1-10中表示同名端的“●”符号所示，故称双反星形