第二章外部供電系統(tǒng)

1、.第二章 城市軌道交通的外部供電系統(tǒng). 城市軌道交通供電系統(tǒng)的外部電源供電系統(tǒng)就是為城軌供電系統(tǒng)的主變電所或電源開閉所提供電能的外部城市電網(wǎng)電源供電系統(tǒng)。圖2-1為城市軌道交通外部電源和牽引供電系統(tǒng)的連接圖。 第一節(jié) 外部電源圖圖2-1 城市軌道交通外部電源與牽引供電系統(tǒng)的連接城市軌道交通外部電源與牽引供電系統(tǒng)的連接1-發(fā)電廠（站） 2-升壓變壓器 3-電力網(wǎng) 4-主降壓變電站 5-直流牽引變電所 6-饋電線 7-接觸網(wǎng) 8-走行軌 9-回流線.一、城市軌道交通對外部電源的要求 1）兩路獨(dú)立的進(jìn)線電源。這兩路電源可以來自城市電網(wǎng)的不同變電所，也可來自城市電網(wǎng)的同一變電所的不同母線。主變電所進(jìn)線

2、電源應(yīng)至少有一路為專線電源。 2）每路進(jìn)線電源的容量應(yīng)滿足所內(nèi)全部一、二級負(fù)荷的要求。 3）兩路電源應(yīng)分列運(yùn)行，互為備用，當(dāng)一路電源發(fā)生故障時(shí)，另一路電源不應(yīng)同時(shí)受到損壞，由另一路電源保證對城軌供電系統(tǒng)供電。 4）為了便于運(yùn)營管理和減少損耗，外部電源點(diǎn)應(yīng)盡可能地靠近城市軌道交通線路。第一節(jié) 外部電源.第一節(jié) 外部電源二、外部電源系統(tǒng)的組成 由發(fā)電廠、電力網(wǎng)組成，而電力網(wǎng)由各種電壓等級的輸、配電線路和變（配）電站（所）組成。圖圖2-2 采用集中供電方式的城市電網(wǎng)外部供電系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)采用集中供電方式的城市電網(wǎng)外部供電系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng).第一節(jié) 外部電源三、外部電源對城市軌道交通的供電方式 國

3、內(nèi)各城市對地鐵及城市軌道交通的供電一般有三種方式，即集中式供電方式、分散式電方式、分散與集中相結(jié)合的混合式供電方式。1.集中式供電方式 一條軌道交通線路配置少量的受電點(diǎn)（主變電所），通過受電點(diǎn)（主變電所）集中從城市電網(wǎng)受進(jìn)電力，經(jīng)主變電所降壓后再向軌道交通內(nèi)部電網(wǎng)供電。圖圖2-3 集中式供電方式示意圖集中式供電方式示意圖.第一節(jié) 外部電源2.分散式供電方式 分散供電方式是指沿地鐵線路的城市電網(wǎng)（通常是10KV電壓等級）分別向各沿線的地鐵牽引變電所和降壓變電所供電。10kV牽引或降壓變電所牽引或降壓變電所10kV10kV10kV10kV10kV10kV區(qū)域變電所區(qū)域變電所圖圖2-4 分散式供電方

4、式示意圖分散式供電方式示意圖.第一節(jié) 外部電源3.混合式供電方式 混合式供電方式是將分散式與集中式相結(jié)合的供電方式 。采用集中式供電方式時(shí)，在主變電所設(shè)置一定的情況下，若線路末端中壓網(wǎng)絡(luò)壓降不能滿足要求，則可從城市電網(wǎng)引入中壓電源作為補(bǔ)充，這就構(gòu)成了以集中式供電方式為主的混合式供電方式。 圖圖2-5 混合式供電方式示意圖混合式供電方式示意圖.第一節(jié) 外部電源四、外部電源對城市軌道交通供電的電壓等級 采用集中式供電方式的城市軌道交通供電系統(tǒng)，目前外部電源的電壓等級一般為AC110Kv或AC63Kv，其中AC63Kv電壓為東北電網(wǎng)所特有。 采用分散式供電方式的城市軌道交通供電系統(tǒng)，外部電源電壓等級

5、應(yīng)與城市電網(wǎng)電壓等級一致。目前根據(jù)城市電網(wǎng)的情況，外部電源的電壓等級有AC35Kv和AC10Kv兩種。由于AC35Kv這一電壓等級在各大城市電網(wǎng)中將逐漸被AC110Kv取代，所以一般都采用AC10Kv的電壓等級。.第一節(jié) 外部電源五、諧波及其治理 1.諧波及其產(chǎn)生 在理想的干凈供電系統(tǒng)中，電流和電壓都是正弦波的。在只含線性元件(電阻、電感及電容)的簡單電路里，流過的電流與施加的電壓成正比，流過的電流是正弦波。 在電力系統(tǒng)中，諧波產(chǎn)生的根本原因是由于電流流經(jīng)非線性負(fù)荷（如變壓器、電子開關(guān)等）時(shí)，電流與所加的電壓不呈線性關(guān)系而造成波形畸變，形成非正弦電流，即電路中有諧波產(chǎn)生。.第一節(jié) 外部電源 當(dāng)

6、電力系統(tǒng)向非線性負(fù)荷供電時(shí)，這些負(fù)荷在傳遞、變換、吸收系統(tǒng)發(fā)電機(jī)所供給的能量的同時(shí)，又把部分能量轉(zhuǎn)換為諧波能量，向電力系統(tǒng)倒送大量的高次諧波，使電力系統(tǒng)的正弦波形發(fā)生畸變，使電能質(zhì)量降低。 城市軌道交通供電系統(tǒng)中的諧波源主要為電子開關(guān)型，即城市軌道交通中廣泛使用的各種交直流換流裝置（整流器、逆變器）以及雙向晶閘管可控開關(guān)設(shè)備。 牽引供電系統(tǒng)是城市軌道交通供電系統(tǒng)的主要諧波源。其中采用的牽引整流機(jī)組的容量、整流相數(shù)、接線方式等對正弦波形的畸變程度有較大的影響。 除牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波外，動力照明系統(tǒng)也會產(chǎn)生諧波。動力照明系統(tǒng)的主要諧波源有變頻器、熒光燈、高壓氣體放電燈、計(jì)算機(jī)、軟啟動裝置、電容器

7、。.第一節(jié) 外部電源2.諧波的危害 諧波對公用電網(wǎng)和其他系統(tǒng)的危害大致有以下幾個(gè)方面： 1）諧波對供電線路產(chǎn)生了附加損耗，加大了電力運(yùn)行成本； 2）諧波降低了供電可靠性，影響各種電氣設(shè)備的正常工作； 3）諧波使電網(wǎng)中的電容器產(chǎn)生諧振，容易引發(fā)供電事故； 4）諧波對附近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，影響通信系統(tǒng)的正常工作。.第一節(jié) 外部電源3.諧波的治理 諧波治理屬于綜合性工程。首先限制諧波源頭，采取必要的技術(shù)措施將諧波含量降到最小，其次采取輔助措施，降低諧波的影響。 1）限制電網(wǎng)諧波源頭 限制電網(wǎng)諧波源頭的主要措施有增加牽引整流機(jī)組的脈波數(shù)和安裝濾波裝置或諧波補(bǔ)償裝置等。 2）其他輔助措施 除了對諧波源

8、的限制以外還可以采取選用D，Y11接線組別的三相配電變壓器、將產(chǎn)生諧波的供電線路和對諧波敏感的供電線路分開的方法來降低諧波的影響。.第一節(jié) 外部電源六、無功功率及其補(bǔ)償 城市軌道交通中包含了大量的自然功率因數(shù)較低的用電設(shè)備，如動力設(shè)備的功率因數(shù)一般為0.8左右，熒光燈等氣體放電燈的功率因數(shù)則只有0.5。這些設(shè)備的存在使得供電系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，就會增大供電線路和設(shè)備的能量損耗，使供電設(shè)備的利用率較低，因此必需進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒o功補(bǔ)償。 城軌供電系統(tǒng)中無功功率主要來源于感性負(fù)載（如異步電動機(jī)、變壓器、熒光燈等）。另外，電力系統(tǒng)中的電抗器和架空線等也消耗一定無功功率；電力電子裝置等非線性裝置也要消耗無功

9、功率，這些裝置工作時(shí)也會產(chǎn)生大量的諧波電流，諧波源都是要消耗無功功率的。.第一節(jié) 外部電源無功功率危害主要表現(xiàn)在以下幾方面： 1）供電線路中增加了無功功率的有功損耗，導(dǎo)致變送電設(shè)備、供電線路、用電設(shè)備發(fā)熱程度加重。 2）無功電流在供電線路上產(chǎn)生的電壓降，導(dǎo)致線路末端的輸出電壓降低，致使用電設(shè)備的實(shí)際輸出功率降低。 3）變送電設(shè)備的負(fù)荷容量一定，增加了無功容量Q，則有功輸出容量P降低。 4）電網(wǎng)中的電流與電壓的相位不同相，產(chǎn)生較為嚴(yán)重的諧波分量，導(dǎo)致供電網(wǎng)絡(luò)電壓不穩(wěn)定和諧波干擾增大。.第一節(jié) 外部電源 城市軌道交通供電系統(tǒng)對無功功率補(bǔ)償?shù)姆绞桨雌溲a(bǔ)償裝置的安裝地點(diǎn)不同，可以分為以下幾種： 1.就

10、地補(bǔ)償 就是將低壓電容器組與電動機(jī)并聯(lián)，通過控制、保護(hù)裝置與電機(jī)同時(shí)投切。 對于熒光燈、氣體放電燈的無功補(bǔ)償也可采用就地補(bǔ)償方式，讓這些照明燈具自帶電容器，將它們與自帶電容器并聯(lián)來補(bǔ)償無功功率。 2.集中補(bǔ)償 集中補(bǔ)償又分為主變電所集中補(bǔ)償和低壓集中補(bǔ)償。 主變電所集中補(bǔ)償是針對中壓網(wǎng)絡(luò)的無功平衡，在主變電所中進(jìn)行集中補(bǔ)償。 低壓集中補(bǔ)償是以無功補(bǔ)償裝置作為控制保護(hù)裝置，將低壓電容器組設(shè)在變電所低壓0.4Kv母線上的補(bǔ)償方式。它能根據(jù)低壓側(cè)負(fù)荷水平的波動投入相應(yīng)數(shù)量的電容器來進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償。是目前補(bǔ)償無功最常見的手段之一。.第二節(jié) 主變電所 如果外部電源采用集中式供電方式，則應(yīng)建設(shè)城市軌道交通用

11、的主變電所。城軌主變電所的功能是接受城市電網(wǎng)提供的高壓電源，經(jīng)降壓后為牽引變電所、降壓變電所提供中壓電源。一、主變電所概述 城市軌道交通主變電所將城市電網(wǎng)的高壓110KV（或220KV）電能降壓后以35KV或10KV的電壓等級分別供給牽引變電所和降壓變電所。 根據(jù)城市軌道交通用電負(fù)荷的特點(diǎn)，城軌的主變電所一般沿線路布置。根據(jù)線路末端的電壓損失要求來確定主變電所的數(shù)量。為保證供電的可靠性，城軌供電系統(tǒng)通常設(shè)置兩座或兩座以上主變電所。.第二節(jié) 主變電所 主變電所按其降壓方式的不同可分為三級電壓制供電方式主變電所和兩級電壓制供電方式的主變電所。 110kV主變電所主變電所33kV110kV降壓主變電

12、所降壓主變電所33kV10kV10kV牽引主變電所牽引主變電所圖圖2-6 2-6 三級電壓制集中供電方式結(jié)構(gòu)示意圖三級電壓制集中供電方式結(jié)構(gòu)示意圖.第二節(jié) 主變電所主變電所主變電所110kV110kV110kV主變電所主變電所主變電所主變電所10kV10kV10kV牽引、降壓主變電所牽引、降壓主變電所圖圖2-7 2-7 兩級電壓制集中供電方式結(jié)構(gòu)示意圖兩級電壓制集中供電方式結(jié)構(gòu)示意圖.第二節(jié) 主變電所二、主變電所的主要設(shè)備 主變電所中主要的電氣設(shè)備是開關(guān)設(shè)備、主變壓器、直流電源設(shè)備、自動監(jiān)控設(shè)備。 1.主變壓器 主變壓器是城軌交通主變電所中的最主要的電氣設(shè)備，其作用是將從城網(wǎng)引入的高壓電源轉(zhuǎn)換

13、成城軌牽引供電系統(tǒng)所需要的中壓電源。 目前，國內(nèi)城市軌道交通主變電所均設(shè)置兩臺主變壓器，互為備用。正常情況下，兩臺變壓器并列運(yùn)行，各負(fù)擔(dān)50%的用電負(fù)荷。.第二節(jié) 主變電所 每臺變壓器容量大約在20MVA40MVA范圍，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)滿足如下條件： 1）當(dāng)一臺主變壓器發(fā)生故障時(shí)，另一臺主變壓器應(yīng)能滿足該供電區(qū)域高峰小時(shí)牽引負(fù)荷和動力及照明一、二級負(fù)荷的供電。 2）當(dāng)一座變電所因故解列時(shí)，剩余主變電所應(yīng)能承擔(dān)全線的動力和照明一、二級負(fù)荷及牽引負(fù)荷。 為了減少城網(wǎng)電壓波動和負(fù)荷變化對城軌中壓系統(tǒng)的電壓質(zhì)量影響，主變壓器多采用有載調(diào)壓型電力變壓器。有載調(diào)壓開關(guān)具有就地、遠(yuǎn)方操作功能，安裝在高壓側(cè)。

14、由于油浸式變壓器價(jià)格低，應(yīng)用成熟，國內(nèi)城軌供電系統(tǒng)主變電所中大多采用三相、自冷油浸式、有載調(diào)壓變壓器，主變壓器一般采用Y,d接線，主要有110/35kV、110/33kV和110/10kV三種形式。.第二節(jié) 主變電所圖圖2-8 變電所中的主變壓器外形圖變電所中的主變壓器外形圖.第二節(jié) 主變電所 我國有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，主變壓器的110kv側(cè)應(yīng)采取中性點(diǎn)直接接地方式。但實(shí)際運(yùn)行中主變壓器高壓側(cè)是否直接接地，則根據(jù)地區(qū)電網(wǎng)具體運(yùn)行情況確定。有時(shí)一個(gè)主變電所的兩臺主變壓器，其高壓側(cè)一臺接地而另一臺不接地。 由于城軌供電系統(tǒng)中壓網(wǎng)絡(luò)的電容電流較大，因此其主變壓器的中性點(diǎn)應(yīng)經(jīng)過消弧線圈接地或小電阻接地。 對于

15、采用Y,d接線的主變壓器，當(dāng)主變壓器無中性點(diǎn)或中性點(diǎn)未引出時(shí)。應(yīng)裝設(shè)專用的接地變壓器。接地變壓器采用曲折形接法，并具有零序阻抗低，空載阻抗高，損失小的特性。 主變壓器一般有重瓦斯保護(hù)、差動保護(hù)和主變壓器過流保護(hù)等。 .第二節(jié) 主變電所2.開關(guān)設(shè)備 主變電所中的開關(guān)設(shè)備分為高壓側(cè)（110kv側(cè)）開關(guān)設(shè)備和中壓側(cè)（35Kv或10kv側(cè)）開關(guān)設(shè)備。它們都是通斷電路的重要設(shè)備。110kv側(cè)開關(guān)設(shè)備采用戶內(nèi)安裝的110KV全封閉六氟化硫組合電器設(shè)備，SF6氣體絕緣的金屬封閉開關(guān)設(shè)備,簡稱GIS。 圖圖2-9 主變電所中的開關(guān)設(shè)備主變電所中的開關(guān)設(shè)備.第二節(jié) 開關(guān)設(shè)備 GIS是由各種開關(guān)電器：斷路器GCB

16、、隔離開關(guān)DS、接地開關(guān)ES、母線、現(xiàn)地匯控柜LCP以及電流互感器CT、電壓互感器VT和避雷器LA等組成的電力設(shè)備,具有結(jié)構(gòu)緊湊、抗污染能力強(qiáng)、運(yùn)行安全、外型美觀、設(shè)備占用空間小等特點(diǎn)。除母線為三相共箱式外，其余均為三相分箱式。110kv側(cè)GIS一般采用FS6斷路器、液壓操作機(jī)構(gòu)。 中壓側(cè)電壓為35kV的中壓開關(guān)設(shè)備多采用GIS，以減小變電所的土建規(guī)模，但均為三相分箱式，采用真空斷路器，操作機(jī)構(gòu)為彈簧儲能式或液壓彈簧式，采用三工位隔離開關(guān)和接地刀閘 。 中壓側(cè)電壓為10kV的開關(guān)設(shè)備，則可采用空氣絕緣的金屬鎧裝開關(guān)柜，內(nèi)部設(shè)有不同功能隔室，手車可為落地式或中置式。 .第二節(jié) 主變電所3.直流電

17、源設(shè)備 作用:為監(jiān)控設(shè)備、車站應(yīng)急照明及緊急疏散標(biāo)志等提供不間斷直流電源。 線路正常時(shí)，直流電源設(shè)備為它的服務(wù)對象提供穩(wěn)定的直流電源，并對蓄電池進(jìn)行充電。故障時(shí)由蓄電池提供12小時(shí)的直流供電。圖圖2-10 2-10 主變電所中的直流電源設(shè)備主變電所中的直流電源設(shè)備.第二節(jié) 主變電所4.自動監(jiān)控設(shè)備 自動監(jiān)控設(shè)備用于對變電所電氣設(shè)備的監(jiān)測和控制，并能對其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集。根據(jù)供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，自動切換電氣設(shè)備和設(shè)施故障自動切除，為城軌供電系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)行提供保障。 圖2-11 主變電所中的自動監(jiān)控設(shè)備.第二節(jié) 主變電所三、主變電所向牽引變電所供電的接線方式 供電系統(tǒng)的安全性、可靠性是

18、城市軌道交通正常運(yùn)行的重要保證。為此，牽引變電所均由兩個(gè)獨(dú)立的電源供電，考慮到地鐵線路分布范圍廣，通常需要在沿線設(shè)置多個(gè)牽引變電所。向牽引變電所供電的接線方式有多種方式，現(xiàn)歸納成以下幾種典型形式： 1.環(huán)形供電接線方式圖圖2-12 2-12 環(huán)形供電示意圖環(huán)形供電示意圖 圖圖2-13 2-13 雙邊供電示意圖雙邊供電示意圖圖中a-牽引變電所 b-主變電所 c-一路三相輸電線 d-軌道.第二節(jié) 主變電所2.雙邊供電接線3.單邊供電接線4.輻射形供電接線 圖圖2-14 2-14 單邊供電示意圖單邊供電示意圖 圖圖2-15 2-15 輻射形供電示意圖輻射形供電示意圖圖中a-牽引變電所 b-主變電所

19、c-一路三相輸電線 d-軌道.第二節(jié) 主變電所圖圖2-16 2-16 上海地鐵一號線供電系統(tǒng)接線圖上海地鐵一號線供電系統(tǒng)接線圖.第三節(jié) 中壓網(wǎng)絡(luò) 通過中壓電纜，縱向把上級主變電所和下級牽引變電所、降壓變電所連接起來，橫向把全線的各個(gè)牽引變電所、降壓變電所連接起來，便形成了中壓網(wǎng)絡(luò)，其功能類似于電力系統(tǒng)中的輸電線路。 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)功能的不同，把為牽引變電所供電的中壓網(wǎng)絡(luò)，稱為牽引網(wǎng)絡(luò)；同樣，把為降壓變電所供電的中壓網(wǎng)絡(luò)稱為動力照明網(wǎng)絡(luò)。 中壓網(wǎng)絡(luò)有兩大屬性：電壓等級和構(gòu)成形式。 一、中壓供電網(wǎng)絡(luò)的電壓等級 1.國家中壓配電現(xiàn)狀及發(fā)展方向 我國現(xiàn)行中壓配電標(biāo)準(zhǔn)電壓等級有：66kV、35kV、10kV。

20、 .第三節(jié) 中壓網(wǎng)絡(luò)2.國內(nèi)城市軌道交通中壓網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及發(fā)展思路 國內(nèi)既有城市軌道交通的中壓網(wǎng)絡(luò)電壓等級采用了35kV (若采用國外設(shè)備則是33kV)或10kV。 近年已頒布的國家標(biāo)準(zhǔn)GB15693中表明，20kV也是可使用的電壓級。另外，已經(jīng)完成送審稿的地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定：地鐵中壓網(wǎng)絡(luò)的電壓等級可采用35kV(33kV)、20kV、10kV。 3.不同電壓等級的中壓網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及比較 .第三節(jié) 中壓網(wǎng)絡(luò)序號項(xiàng)目35kv33kv20kv10kv1輸電容量較大較大中小2輸電距離較長較長中小3電能損耗小小較小大4設(shè)備價(jià)格高最高中低5設(shè)備國產(chǎn)化國產(chǎn)國外國產(chǎn)國產(chǎn)6設(shè)備體積及占地面積較大較小中小7環(huán)網(wǎng)柜情況

21、無有有有8國內(nèi)城市電網(wǎng)應(yīng)用擬取消有有，很少廣泛應(yīng)用9城市軌道交通應(yīng)用國內(nèi)采用國內(nèi)外采用國外采用國內(nèi)外采用10適用標(biāo)準(zhǔn)國家標(biāo)準(zhǔn)國際標(biāo)準(zhǔn)國際標(biāo)準(zhǔn)國家、國際標(biāo)準(zhǔn)表2-1 不同電壓等級中壓網(wǎng)絡(luò)的綜合比較 由于電費(fèi)在地鐵和城軌交通的運(yùn)營成本中占很大比例，從長遠(yuǎn)的角度考慮，中壓供電網(wǎng)絡(luò)宜選擇較高的電壓等級，亦即35KV或20KV為優(yōu)選方案。 .第三節(jié) 中壓網(wǎng)絡(luò)三、中壓網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成 1.中壓網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成原則 1)滿足安全可靠的供電要求； 2)滿足潮流計(jì)算要求，即設(shè)備容量及電壓降要滿足要求； 3)滿足負(fù)荷分配平衡的要求； 4)滿足繼電保護(hù)的要求； 5)滿足運(yùn)行治理、倒閘操縱的要求； 6)每一個(gè)牽引變電所、降壓變電所均應(yīng)有兩路電源； 7)系統(tǒng)接線方式盡量簡單； 8)供電分區(qū)