轨道交通供电与牵引系统

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1、城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 第六章第六章 城市轨道交通供电与牵引系统城市轨道交通供电与牵引系统 要点要点:2.城市轨道交通供电系统；城市轨道交通供电系统；1.城市轨道交通电力牵引系统；城市轨道交通电力牵引系统；3.城市轨道交通牵引供电行业标准；城市轨道交通牵引供电行业标准；4.城市轨道交通牵引供电产业发展概况。城市轨道交通牵引供电产业发展概况。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 第六章第六章 城市轨道交通供电与牵引系统城市轨道交通供电与牵引系统 课程基础课程基础:2.电机与电力拖动；电机与电力拖动；1.工厂供电原理；工厂供电原理；3.电力拖动自动控制系统；电力拖动自动控制系

2、统；4.电力电子技术。电力电子技术。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 第六章第六章 城市轨道交通供电与牵引系统城市轨道交通供电与牵引系统 推荐相关教材推荐相关教材:2.郑瞳炽郑瞳炽,张明锐张明锐.城市轨道交通牵引供电系统城市轨道交通牵引供电系统M.北京北京:中国铁道出版社中国铁道出版社,2000.1.徐安徐安.城市轨道交通电力牵引城市轨道交通电力牵引M.北京北京:中国铁中国铁道出版社道出版社,2000.3.于松伟于松伟,杨兴山杨兴山,韩连祥韩连祥,等等.城市轨道交通供电系城市轨道交通供电系统设计原理与应用统设计原理与应用M.成都成都:西南交通大学出版西南交通大学出版社社,2008.城市

3、轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 6.1.2 直流电力牵引系统直流电力牵引系统 6.1.3 交流电力牵引系统交流电力牵引系统 6.1 城市轨道交通电力牵引系统城市轨道交通电力牵引系统6.1.4 城市轨道车辆用直流感应电机城市轨道车辆用直流感应电机6.1.1 概述概述 城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 1.电力牵引系统工作原理及能量传递过程电力牵引系统工作原理及能量传递过程6.1.1 概述概述 车上受电弓牵引变压器牵引整流器转向架牵引电机机车车辆27.5KV单相接触网交流直流机械能电能城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 车轴 车轮 牵引电机 齿轮传动箱 牵引传动装置牵引传动装置

4、接触网（第三轨）受流器 变流装置 牵引电机 齿轮传动箱 轮对 列车运行 城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 2.轨道交通电力牵引系统主要类型轨道交通电力牵引系统主要类型根据供电电压制式可分为：直流：600，750，1500，3000V(标称值)交流：6250，15000，25000V(标称值)根据牵引电机可分为：直流电力牵引系统 交流电力牵引系统城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 3.轨道交通车辆的结构与特性轨道交通车辆的结构与特性有轨电车 电动车组特种电动车 独轨电动车 轻轨车 磁浮列车城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 4.电动车

5、组牵引特性电动车组牵引特性 城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 6.1.2 直流电力牵引系统直流电力牵引系统 1.直流电动机 2.直流牵引调速系统 3.牵引电动机的电气制动 4.牵引主回路及其控制城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 1.直流电动机直流电动机 直流电动机由定子转子两部分构成。NS NS城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 直流电动机各部分的作用：定子的作用是用来产生磁场，提供磁路和作为电机的机械支撑 转子部分是用来产生感应电势和电磁转矩从而实现机电能量转换的主要部件转子通过轴承与定子保持相对位置，使两者之间有一个空气隙城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 直流

6、电动机工作原理：城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 直流电动机分类：根据励磁绕组与电枢绕组的联接方式主要分为他励、并励、串励和复励四种。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 直流电动机机械特性：电动机是用来拖动车辆运行的，而车辆运行对电动机提出的主要要求是转速和转矩。n0T串励电动机机械特性串励电动机机械特性他励电动机机械特性他励电动机机械特性城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 2.直流牵引调速系统直流牵引调速系统直流电机的基本调速方法 直流牵引电动机调速的基本形式城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 直流牵引调速系统-基本调速方法：dEUIRnC这里，CE是常数Id是由负

7、载决定的方法：调节电枢供电电压U 改变励磁磁通 改变电枢回路电阻R。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 直流牵引调速系统-基本形式（调节端电压）（1 1）变阻控制 调节电阻的方法又可分为两类，即采用有触点组合式凸轮开关调阻和无触点斩波调阻。有触点开关调阻有触点开关调阻 CH0R斩波调阻斩波调阻城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 直流牵引调速系统-基本形式（调压法）（2）斩波调压 onTTUTtUUonRL 直流斩波电路原理直流斩波电路原理直流斩波电压波形直流斩波电压波形t0LRUonToffTTLRuU 城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 （1）定频调宽控制（脉宽调制）：保持

8、斩波周期T 不变，改变斩波器导通时间，从而改变负载平均电压。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 （2）定频调宽控制（频率调制）保持斩波周期T 不变，改变斩波器导通时间，从而改变负载平均电压。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 （3）调频调宽混合控制：不但改变斩波器的工作频率，而且改变斩波器的导通时间。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 特点比较：（1）定频调宽控制：频率固定，易于设计消除高次谐波的滤波器（2）定宽调频控制：控制方便，易发生共振及干扰通信信号（3）调频调宽混合控制：常用在需要大幅度改变输入电压，同样带来滤波器设计困难等问题城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论

9、 直流牵引调速系统-基本形式（调节主极磁通）（a）（b）MM图图 5.15 串励电动机磁场削弱法串励电动机磁场削弱法 （a）短路匝数法）短路匝数法 （b）分路电流法）分路电流法 城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 3.电动机的电气制动电动机的电气制动电阻制动 他励式电阻制动 串励式电阻制动再生制动城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 电动机的电气制动（电阻制动）nEUdILIdERZnId+-ERZndIILIL(a)(b)(c)MMM电机牵引工况电机牵引工况他励电阻制动工况他励电阻制动工况城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 电动机的电气制动（再生制动）dUDPLSUMidiZ

10、+城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 4.牵引主回路及其控制牵引主回路及其控制主电路辅助电路控制电路机车电路城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 主电路功能：牵引和制动时，完成能量传递和转换；特点：大功率、高电压、大电流；主要包括：牵引变压器、整流器、牵引电机5.18 直直流流传传动动系系统统主主回回路路结结构构框框图图 1 受电弓2 主断路器（牵引断路器）3 电压检测环节4 接地开关5 负载接触器6 滤波电抗器7 滤波电容器8 凸轮调速变阻器9 牵引电动机10 信号发生器11 控制电子装置12 司机控制器城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 辅助电路（有两类）（1）交流辅助电路

11、功能：给主电路的通风、冷却辅助电机等；特点：三相380V交流供电,功率较小；包括：单三相变换器、通风电机、压缩电机等（2）直流辅助电路功能：给电器控制、电子控制及照明、空调设备供电；特点：直流110V供电，有蓄电池作后备电源；包括：DC110V交直流变换电源、蓄电池、车灯、空调等。此外，用于客车牵引的机车上有DC600V直流电源供客车车厢内空调、采暖、照明及旅客信息服务系统供电。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 控制电路（有两类）（1）电器控制功能：完成电路和气路的开关及逻辑互锁；特点：电动或气动的逻辑开关包括：继电器、电控阀、气动开关等。近年来生产机车上的逻辑联锁已由逻辑控制单元（L

12、CU)完成。（2）电子控制功能：配合主辅助电路完成机车的控制；特点：弱电控制、控制复杂；包括：给定积分器、特性控制、防空转防滑、移相控制、功率放大、脉冲变压器等控制单元。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 6.1.3 交流电力牵引系统交流电力牵引系统 1.交流牵引系统特点及发展概况 2.三相异步电机 3.交流电机调速系统 4.交流传动的脉宽调制技术城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 1.交流牵引系统特点及发展概况交流牵引系统特点及发展概况 直流电力传动优点直流电力传动优点：具有良好的调速性能 直流电力传动缺点直流电力传动缺点：防空转性能较差；换向器与电刷，因而带来了较大的体积与重量

13、，容易产生环火以及繁杂的维护问题交流电力传动特点交流电力传动特点：电机结构简单，成本较低；正作可靠，寿命长，维修、运行费用低；防空转能力好城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 第一阶段第一阶段：交流电动机数学模型复杂，初期，人们对其调速特点没有很好的掌握；第二阶段第二阶段：充分掌握其调速理论，受变流器本身限制，调速装置无法实现；第三阶段第三阶段：电力电子器件的发展促进了交流电机的应用。交流牵引系统已被世界各国公认为近代最优越的牵引调速系统，交流牵引也是今后世界各国轨道交通发展的总趋势。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 国家奥地利奥地利德国德国德国西班牙日本城市维也纳维也纳柏林慕尼黑

14、纽伦堡马德里大阪车辆型号F型B型系列电压制(V)DC 750DC 750DC 750DC 750DC 750DC 600DC 750受流方式第三轨第三轨第三轨第三轨第三轨架空线第三轨电机功率(kW)2001251331H0195120140电传动力方式交流变频调速交流变频调速交流变频凋速交流变频调速交流变频调速交流变频调速交流变频凋速开始时间1977198019801980198119821980国外部分城市使用交流牵引车辆概况国外部分城市使用交流牵引车辆概况 城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 2.三相异步电动机三相异步电动机1 轴承2 前端盖3 转轴4 接线盒5 吊环6 定子铁心7

15、转子8 定子绕组9 机座10 后端盖11 风罩12 风扇 封闭式三相笼型异步电动机结构 城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 定子铁心：由内周有槽 的硅钢片叠成。A-X B-Y C-Z三相绕组机座：铸钢或铸铁转子铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。(1)鼠笼式转子铁芯槽内放铜条，端部用短路环形成一体；或铸铝形成转子绕组。(2)绕线式转子同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。鼠笼转子城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 3.三相异步电机工作原理三相异步电机工作原理定子三相绕组通入三 相交流电(星形联接)BiAXBYCZAiCi 120sin120sinsinmCmBmAtIitIitIi

16、CiAiBiitmIo城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 0n i:“+”首端流入，尾端流出。首端流入，尾端流出。i:“”尾端流入，首端流出。尾端流入，首端流出。AYCBZX()电流出电流出()电流入电流入iCiAiBimIot城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 CiBiAiiAXYCBZAXYCBZAXYCBZNS0 t 60t 合成磁场方向向下合成磁场旋转600n60 90t 合成磁场旋转90600 SNSN tmIo城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 定子三相绕组通入三相交流电定子三相绕组通入三相交流电分分）转转/(6010pfn 方向方向:顺时针顺时针 切割转子导体切

17、割转子导体Blv右手定则右手定则感应电动势感应电动势 E E2020 旋转磁场旋转磁场感应电流感应电流 I I2 2 旋转磁场旋转磁场Bli左手定则左手定则电磁力电磁力F F电磁转矩电磁转矩T Tn AXYCBZv0nNSFF城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场 旋转的方向一致，但转子转速 n 不可能达到与旋转磁场的转速相等，即0nn 异步电动机异步电动机如果如果:0nn 无转子电动势和转子电流 转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切 割转子导条无转矩 城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。旋转磁场的

18、同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率。%10000nnns城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 maxTmSNSOTS曲线)(sfT 曲线)(Tfn stT1NTNnmaxTstTOnTNT0n城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 4.交流电动机调速系统交流电动机调速系统 三相交流异步电机调速方法可分为改变极对数、调节供电频率、调节转差三大类。变频调速是最为理想的调速方法。变频调速是把交、直流电变换为可调电压、可调频率的交流电，向交流电机供电。Mn增高1fMn增高1f城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 用 于 交 流 电 传 动 的 变 频 器 实 际

19、上 是 变 压(Variable Voltage，简称VV)、变频(Variable Frequency，简称VF)器，即所谓VVVF装置。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 6.1.4 城市轨道车辆用直线感应电机城市轨道车辆用直线感应电机 1.直线电机特点及发展概况2.直线感应电机的基本工作原理 3.直线感应电机控制及在地铁动车上的应用城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 优点：优点：LTM车辆有着断面小、爬坡能力强、转弯半径小、良好的牵引和制动性能、噪声小、寿命长等优点。缺点：缺点：与普通的旋转电机相比，它的效率和功率因数低。直线电机系统一次侧和二次侧的气隙对LIM的性能影响较大

20、，所以对轨道、反作用板、轨枕的尺寸精度及安装精度，LIM的安装精度及支撑结构都相应有较高的要求。加拿大加拿大的多伦多、温哥华，LIM驱动的轻轨车辆已运营多年 马来西亚马来西亚也计划建设同样的交通系统 在日本日本，LIM驱动方式也被用于地铁车辆牵引，如大阪地铁的鹤见绿地线电动车辆、东京地铁的都营12号线电动车辆，都采用了LIM驱动方式，1.直线电机特点及发展概况直线电机特点及发展概况城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 2.直线感应电机的基本工作原理直线感应电机的基本工作原理 转子(次级）定子（初级）a)b)转子(次级）定子（初级）城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 城市轨道交通系统概

21、论城市轨道交通系统概论 车辆用直线感应电机的牵引控制原理与旋转式异步电机的控制方法是一样的，都采用变频变压控制，由VVVF逆变器完成牵引控制功能。控制方法既可采用较为简单的转差频率控制，亦可采用高级的动态控制方法，如矢量控制、直接转矩控制等。但车辆用直线电机的控制还必须考虑当电机气隙变化时的频率问题和反应板材料变化的相应控制。3.直线感应电机控制及在地铁动车上的应用直线感应电机控制及在地铁动车上的应用城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 1.为了满足车辆运行需要，城市轨道动车组必须具备哪三种基本的牵引特性？2.直流电动机有哪些励磁方式？3.直流电动机调速有哪些基本形式？4.交流异步电机的工

22、作原理？5.直线感应电机在城市轨道电力牵引应用中具有哪些优点？思考题思考题城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 第六章第六章 城市轨道交通供电与牵引系统城市轨道交通供电与牵引系统 要点要点:2.城市轨道交通供电系统；城市轨道交通供电系统；1.城市轨道交通电力牵引系统；城市轨道交通电力牵引系统；3.城市轨道交通牵引供电行业标准；城市轨道交通牵引供电行业标准；4.城市轨道交通牵引供电产业发展概况。城市轨道交通牵引供电产业发展概况。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 6.2.2 中压网络中压网络 6.2.3 牵引供电计算的条件及需用参数牵引供电计算的条件及需用参数 6.2 城市轨道交通供电

23、系统城市轨道交通供电系统6.2.4 牵引变电所牵引变电所 6.2.5 降压变电所降压变电所6.2.6 供电系统的保护供电系统的保护 6.2.7 接触网接触网6.2.8 城轨供电城轨供电SCADA系统系统 6.2.9 地下杂散电流及其防护地下杂散电流及其防护6.2.1 概述概述 城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 1.城市轨道供电系统的构成城市轨道供电系统的构成 6.2.1 概述概述 城市轨道交通供电系统外部电源主变电所牵引供电系统动力照明供电系统电力监控系统牵引变电所牵引网系统降压变电所动力照明城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 牵引供电系统牵引供电系统电能从牵引变电所经馈电线、接

24、触网输送给电动列车，再从电动列车经钢轨、回流线流回牵引变电所。牵引负荷为一级负荷，规定有两路独立的电源双边供电，当任何一路电源发生故障中断供电时，另一路应能保证一级负荷的全部用电。牵引变电所接触网馈电线回流线电分段电动车组轨道受电器城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 动力照明系统动力照明系统动力照明供电系统由降压变电所及动力照明组成。每个车站应设降压变电所，若地下车站负荷较大，一般设于站台两端，其中一端可以和牵引变电所合建成混合变电所；若地面车站负荷较小，可设一个降压变电所。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 2.城市电网对轨道交通的供电方式及负荷等级城市电网对轨道交通的供电方式及

25、负荷等级 城市轨道交通系统的外部电源方案，根据城市电网构成的不同特点，可采用集中式、分散式、混合式等不同形式。究竟采用何种方式，应通过计算确定需要负荷之后，根据城市轨道交通路网规划、城市电网构成特点、工程实际情况综合分析确定。（1）集中式供电：在城市轨道交通沿线，根据用电容量和线路长短，建设专用的主变电所，这种由主变电所构成的供电方案，称为集中式供电。上海、广州、南京、香港、德黑兰 （2）分散式供电：不设主变电所，而直接由城市电网区域变电所的35（33）kV或10kV中压输电线直接向城市轨道交通沿线设置的牵引变电所、降压变电所供电并形成环网。沈阳地铁、长春轻轨、大连轻轨、北京城铁、北京八通线、

26、北京地铁5号线 （3）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城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 城市轨道交通供电系统的负荷等级共分为三个：（1）地下铁道重要的电力用户如车站站厅和站台层的事故救援及照明、电动车辆、通信、信号、防灾装置为一级负荷；一级负荷规定有两路独立的电源双边供电，当任何一路电源发生故障中断供电时，另一路应能保证一级负荷的全部用电；（2）车站站厅和站台层的一般照明、设备及管理用房照明、出入口照明、一般风机、直升电梯、自动扶梯为二级负荷；（3）车站内广告照明、冷水

27、机组及配套设备、电热设备、清洁机械设备等为三级负荷。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 3.城市轨道供电系统的功能和作用城市轨道供电系统的功能和作用 城市轨道交通的用电负荷按其功能不同可分为两大用电群体。一是电动客车运行所需要的牵引负荷；二是车站、区间、车辆段、控制中心等其他建筑物所需要的动力照明用电，诸如：通风机、空调、自动扶梯、电梯、水泵、照明、AFC系统、FAS、BAS、通信系统、信号系统等。在上述用电群体中，有不同电压等级直流负荷、不同电压等级交流负荷；有固定负荷、有时刻在变化的运动负荷。每种用电设备都有自己的用电要求和技术标准，而且这种要求和标准又相差甚远。城市轨道供电系统就是

28、要满足这些不同用户对电能的不同需求，以使其发挥各自的功能与作用。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 4.城市轨道供电原理城市轨道供电原理 城市轨道交通的供电电源一般取自城市电网，通过城市电网一次电力系统和轨道交通供电系统实现输送或变换，最后以适当的电流形成（直流或交流电）和电压等级供给用电设备。城市电网一次电力系统 轨道交通供电系统城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 城市电网一次电力系统由国家电力部门建造与管理，包括发电厂（站）、传输线路及区域变电所。发电厂（站）：分为火力、水力、核动力等各种能源发电厂（站）。传输线路：需升压为超高电压（110kV或220kV），通过三相传输线输送

29、到区域变电所。区域变电所：将超高压电能降压为所需电压等级（如10kV或35kV），再经过三相输送电线输送到本区域内的牵引变电所和降压变电所，并再降压为所需的电压等级（如1500V或380V等）。城市轨道交通是一个重要的用电部门，按规定须由两路独立的电源供电，当其中任何一路电源发生故障时，另一路应能保证一级负荷的全部用电的需要。因此，城市轨道牵引变电所的电源进线来自两个区域变电所或来自一个区域变电所的两路独立电源，当一路电源失压时，另一路电源自动切入，使轨道交通系统能获得不间断的电源。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 轨道交通供电制式是指供电系统向电动车辆或电力机车供电所采用的电流和电压

30、制式。电压制由低压到高压，有600V、750V、825V、1000V、1200V和1500V等，其发展趋向是国际IEC电压标准，为600V、750V、1500V，而我国国标电压标准为750V和1500V两种。所以，目前国内各城市的地铁和轻轨采用的电压制均为750V和1500V之间进行选择。电流制有直流、交流两类，国际电力牵引设备委员会建议采用下列数值：直流：600，750，1500，3000V（标称值）；交流：6250，15000，25000V（标称值）。动力牵引方式直流牵引系统交流牵引系统直-直流牵引系统交-直流牵引系统交交变频器交直交变频器城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 1.中压

31、网络的功能及其两大属性中压网络的功能及其两大属性 6.2.2 中压网络中压网络 通过中压电缆，纵向把上级主变电所和下级牵引变电所、降压变电所连接起来，横向把全线的各个牵引变电所、降压变电所连接起来，便形成了中压网络，其功能类似于电力系统中的输电线路。中压网络不是供电系统中独立的子系统，但它是供电系统设计的核心内容，设计外部电源方案、主变电所的位置和数量、牵引变电所及降压变电所的数量、牵引变电所与降压变电所的主接线等。中压网络的两大属性是电压等级和构成形式。根据中压网络功能的不同，为牵引变电所供电的中压网络称为牵引供电网络（简称牵引网络）；为降压变电所供电的中压网络称为动力照明供电网络（简称动力

32、照明网络）；目前，国内城市轨道交通工程经常采用的形式有牵引动力照明混合网络与牵引动力照明独立网络。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 2.中压网络的电压等级中压网络的电压等级 我国现行中压配电标准电压等级有：35kV、20kV、10kV、6kV和3kV；目前，国内城市轨道交通普遍采用牵引动力照明混合网络，电压为10kV或10kV。牵引动力照明混合网络采用同一电压等级，并通过公用电源电缆同时向牵引变电所、降压变电所提供中压电能，供电系统的整体性较好。牵引动力照明独立网络既可以采用不同的电压等级，也可以采用同一电压等级，牵引网络与动力照明网络相对独立，彼此相互影响较小。对于集中式供电系统，牵

33、引网络和动力照明网络可以采用相对独立的形式，即牵引动力照明网络独立网络，也可以共用混合网络；对于分散式供电系统，则采用牵引动力照明混合网络。中压网络内部结构形式涉及中压网络供电安全准则及其运行方式。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 3.中压网络的构成形式中压网络的构成形式 在城轨供电系统中压网络设计中，应根据中压网络优化准则，结合外部电源的实际情况，通过对供电分区的用电性质、负荷密度的分析研究，确定安全可靠、经济实用的中压网络接线方式。中压网络的重要指标是供电可靠性。中压网络的构成原则：（1）满足安全可靠的供电要求；（2）每一个变电所均应有两个独立电源；（3）满足潮流计算要求，即设备容

34、量及电压降满足要求；（4）满足负荷分配平衡的要求；（5）供电分区应就近引入电源，尽量避免反送电；（6）具有良好的经济指标；（7）满足继电保护的要求；（8）系统接线方式尽量简单；（9）全线牵引变电所、降压变电所的主接线尽量一致；（10）满足运行管理、倒闸操作的要求；（11）满足设备选型要求。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 1.牵引供电计算的条件牵引供电计算的条件6.2.3 牵引供电计算的条件及需用参数牵引供电计算的条件及需用参数 城市轨道交通列车（车辆）是以变化的速度沿区间运行的，因此牵引负荷是变化的；此外，牵引负荷也随时间而变化，当线路上列车（车辆）密集则负荷大，反之负荷小，甚至为零

35、。线路的技术条件（包括纵断面和限坡要求）：（1）线路年输送能力；（2）信号的闭塞方式；（3）电动列车(车辆)类型；（4）电动列车(车辆)载客量；（5）线路行车间隔时间和每天最多开行列车对数。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 2.牵引供电计算需用的参数牵引供电计算需用的参数 牵引供电计算需用的参数：（1）电牵引年用电量（应分别计算年总用电量和电力系统所需增加的功率）；（2）列车电流的平均值和有效值；（3）供电臂电流的平均值和有效值（与线路的供电方式有关）；（4）供电臂瞬时最大电流和短路电流（与主变压器接线方式有关）；（5）牵引网阻抗；（6）电牵引供电系统能耗（应包括牵引变电站内主变压器和

36、牵引网的电能损失）。由于电动列车（车辆）的工作电压要求有一定范围，我国直流牵引供电系统巳经规定采用IEC标准。直流系统电压（V）标准750最低500最高900150010001800300020003600城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 1.变电所分类变电所分类6.2.4 牵引变电所牵引变电所 根据变电所的功能不同，可分为以下三类：（1）高压主变电所 由发电厂或区域变电所直接供电。在主变电所降压后，分别以不同电压等级向牵引变电所和降压变电所供电，是城市轨道交通供电系统的集中变电所（用于三级电压供电）。（2）牵引变电所 城市轨道交通供电系统的主要用电对象是电动车组，即牵引用电。为确保牵

37、引供电的质量，牵引变电所的设置（数量、位置）和容量应该按远期列车编组，运行密度进行牵引供电计算后确定。牵引变电所引入两个独立的中压交流电源，并将交流电能转换为直流电能，承担着向电动列车提供直流牵引电能的功能。根据制式的不同牵引变电所又分为直流牵引变电所和交流牵引变电所。根据不同的牵引制式，变电所内完成相应的变压、变相、变流作用。目前我国的牵引变电所主要有电气化铁路的单相工频交流制牵引变电所和城市轨道交通系统（地铁和轻轨）的直流牵引变电所。（3）降压（动力）变电所 降压（动力）变电所根据动力用电量确定其设置数量和容量。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 2.变电所的供电方式变电所的供电方式

38、 （1）二级电压供电：由区域变电所输出中高压等级（10kV或35kV），直接向牵引变电所和降压变电所供电。由牵引变电所降压和整流为直流牵引电压等级（如750V或1500V）；由降压变电所降为380V动力电压等级。再分别向接触网、电动车组供电或向动力用电设备供电。（2）三级电压供电：需设置轨道交通系统高压变电所，即由区域变电所输出高压等级（如110kV或220kV）对主变电所供电。再由主变电所将高压等级降为中高压等级，分别向牵引变电所和降压变电所供电。我国北京、天津地下铁道采用二级电压供电方式，上海地铁则采用三级电压供电方式。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 3.变电所的主要电气设备变电

39、所的主要电气设备 主要设备包括：变压器、断路器、隔离开关、母线、熔断器、电压互感器、电流互感器、避雷器、整流器等。变压器：一种传递和变换交流电能的静止变换器。按应用功能分升压变压器和降压变压器；按相数分单相、三相、多相变压器；按线圈数分单相线圈（自耦变压器）、双线圈、三线圈变压器；按调压方式分空载调压（不带负载调压）、有载调压变压器；按绝缘方式分干式、浇注式、油浸式变压器。断路器：一种对电路进行控制（开断、关合）和保护的高压电器开关，用于自动切断负载电流和短路电流。按绝缘方式和熄弧介质分为：油断路器、六氟化硫断路器、真空断路器、空气断路器等。隔离开关：一种没有熄弧装置的高压电器开关。不能切断负

40、载电流和短路电流，但可在无负荷电流时接通和断开电路。在断开状态，能起到隔离电压作用。为运行、操作和检修提供方便和安全条件，电路停电时应断开断路器，后拉开隔离开关；送电时则先合上隔离开关，再闭合断路器。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 母线：一种汇合和分配电能的导线。室外常用软质母线，如蕊芯铝绞线；室内则采用硬质母线，如铝排。母线常用颜色标记识别，在三相交流系统中：黄色A相，绿色B相，红色C相；在直流系统中：红色正极，蓝色负极，黑色零线及接地线。熔断器：一种利用过负荷或短路电流导致熔体发热熔断原理设计的保护电器设备，低压熔断器一般采用插入式纤维管瓷管熔断器。高压熔断器有充石英砂瓷管熔断器

41、、室外用角式和跌落式熔断器。熔断器在电流超过最小熔断电流时，熔断时间随电流增大而缩短，一旦熔体熔断，须停电更换熔体。电压互感器：一种用于测量、控制和保护回路用的变压器。其一次绕组并联在一次电路中，二次绕组则并联仪表、继电器的电压线圈。由于二次仪表、继电器的电压线圈阻抗很大，所以电压互感器工作时二次回路接近于空载状态。二次绕组的电压一般为10 V。电压互感器分为双绕和三绕组；单相和三相；干式、油浸式和浇注式，屋内和屋外等分区。电流互感器：是一种电气测量、控制和保护回路用的变流器。将其一次线圈串连在一次回路中，二次绕组与仪表、继电器等的电流线圈串连，形成闭合回路。电流互感器有单匝和多匝式，干式、油

42、浸式和浇注式，屋内和屋外等分区。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 避雷器：一种防止从线路浸入的雷电波损坏电器设备绝缘的保护电器，一般有保护间隙型（角型）、管型、阀型等。整流器：一种与牵引变压器组合成变压整流机组的电流变换设备。通过整流器，将牵引变压器输出的交流电变为一定电压等级的直流电流，当牵引变压器是多相变压器时，整流器变换成的直流电较为平滑，即直流电中含有的交流成分少。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 4.变电所附属设备变电所附属设备 保护装置 计量仪表（电压、电流等）蓄电池：事故照明和开关设备操作的电源（在交流电失去时）阻燃性导线；灭火设备。城市轨道交通系统概论城市轨道交

43、通系统概论 5.向牵引变电所供电的形式向牵引变电所供电的形式 由于交通运输的重要性，所有轨道交通的牵引供电都属于电力部门供电的一级负荷，即要确保向它供电的可靠性。为此，牵引变电所均由两个独立的电源供电。又由于轨道交通线路分布范围较广，通常需要在轨道沿线设置多个牵引变电所向它供电，再加上电源线路的具体分布情况不同，因此，造成向牵引变电所供电的形式复杂多样，但可以将它归纳成以下几种典型的形式。（1）环形供电 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形，环形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

44、何一个牵引变电所的正常供电，但其投资较大。a-牵引变电所；b-主降压变电所；c-线条表示一路三相输电线；d-轨道线城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 （2）双边供电 由两个主降压变电站向沿线牵引变电所供电，通往牵引供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线供电。当引入线数目较多时，开关设备多，投资增加。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 （3）单边供电 当轨道沿线附近只有一侧有电源时，则采用单边供电。单边供电较环形供电的可靠性差，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。在双边供电和

45、单边供电的情况下，每路输电线可以不必都进入所有的牵引变电所，而是轮流地每隔一个进入一个，这样可以减少进线的数目而降低变电所的投资。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 （4）辐射形供电 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，全线将停电。d a b 城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 6.直流牵引变电所直流牵引变电所 直流牵引变电所的主要功能是，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为直流电供给电动车辆的直流牵引电机使用。直流牵引变电所从双电源受电，经整流机组变压器降压、分相后

46、，按一定的整流接线方式由大功率硅整流器把三相交流电变换成与直流牵引网相应电压等级的直流电，向电动电机供电。整流机组是直流牵引变电所的关键设备，为降低整流直流中的脉动分量和整流变压器一次侧的谐波含量，一般应采用12相脉动的整流接线方式。现代整流机组的单机功率可达到3500kV以上。直流牵引变电所间距离仅几千米，一般不设分区所和开闭所。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形，环形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。1 1 0k Vth1B2B1城

47、市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 6.2.5 降压变电所降压变电所 城市轨道交通的正常运行中，除了牵引用电之外，在环境控制和系统服务等方面还有众多用电设备，如通风机、给排水泵、自动扶梯等动力设备，以及照明、通信信号设备等。这些设备一般均使用三相380V或单相220V交流电。降压变电所即是将区域变电所或诸变电所输入的中压等级电压降压变成低压交流电，并通过配电（所）室分配各种设备用电。降压变电所一般设在车站附近，即可对车站较集中的电气设备供电，也方便向车站两侧区间用电设备供电。此外，车辆基地、系统调度控制中心需要专门设置的降压变电所供电。1.降压变电所降压变电所城市轨道交通系统概论城市轨道交

48、通系统概论 2.降压变电所负荷分类降压变电所负荷分类 一级负荷：消防用电、防灾报警、设备监控、通信、信号、售检票、排风/排烟机以及相关风阀、事故照明（含疏散指示照明）、废水泵和降压变所自用电、屏蔽门系统、交直流屏。二级负荷：一般照明、节电照明、设备及管理用房照明、出入口照明、标志灯箱、污水泵、直升电梯、自动扶梯等。由降压变电所任一段低压母线供电，必要时可切除。三级负荷：广告照明、冷水机组及配套设备、电热设备、清洁机械等。由降压变电所的任一段低压母线供电，当变电所只有一路电源时自动切除。一级负荷中的事故照明由交、直流屏供电，消防泵、喷淋泵、废水泵、防灾报警、设备监控、通信、信号、售检票采用双电源

49、末端自切，双电源引自降压变电所的两端低压母线；其他一级负荷均接在环控室低压母线上，该母线由降压变电所双路供电，在环控电控柜自切。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 3.动力照明系统动力照明系统 车站动力照明采用380/220V三相五线制系统配电。照明电源引自降压变电所0.4kV两段母线，照明配电箱分别设于站台层、设备层及站厅层的配电室内，按不同照明种类分别设置照明配电箱。事故照明（包括诱导照明）由降压变电所交直流屏供电。站台下安全照明，折返线检查坑和车辆段检查坑内的安全照明或携带式照明用插座采用交流36V安全电压，其余均采用交流220V电压。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 6.

50、2.6 供电系统的保护供电系统的保护 （1）35kV进、出线；（2）35kV母联；（3）35kV整流机组馈线；（4）35kV动力变压器馈线；（5）直流1500V进线；（6）直流1500V馈线；（7）1500V直流设备。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 1.牵引网与接触网牵引网与接触网6.2.7 接触网接触网 接触网即经过电动列车的受电器向电动列车供给电能的导电网（有接触轨方式和架空接触网两种方式）。城市轨道交通系统的牵引网是沿线路敷设的专为电动车辆供给电源的装置，是轨道交通供电系统中电动车组供电的直接环节，它由两部分组成，正极接触网供电，负极走行轨回流。牵引网包括接触网、钢轨回路（包括

51、大地）、馈电线和回流线等，馈电线是连接牵引变电所和接触网的导线，把牵引变电所电能变换成牵引制式用电能并馈送给接触网。接触网是一种悬挂在轨道上方沿轨道敷设的、与铁路顶轨保持一定距离的输电网。通过电动车组的受电弓（或受流器）和接触网的滑动接触，牵引电能就由接触网进入电动车组，驱动牵引电动机使列车运行。接触网可分为接触轨和架空接触网两种类型。接触轨的主要优点是：使用寿命长，维修量小，在地面对城市景观没有影响，适应于电压较低的制式。接触网的主要优点是：安全性较好，适应于电压较高的制式。接触轨和接触网两种供电方式，目前在世界上许多国家同时并存，到底用哪种方式要根据城市自身的特点决定。城市轨道交通系统概论

52、城市轨道交通系统概论 2.接触网应满足的要求接触网应满足的要求 （1）由于接触网在工作中无备用网，因而要求接触网强度高、且安全可靠；（2）要求在各种气候条件下均应受流良好；（3）因接触网部件更换困难，因此要求接触网性能好、运行寿命长；（4）因其维修是利用行车中的间隔时间进行的，故要求结构轻巧，零部件互换性强，便于施工、维护和抢修；（5）因接触网无法避开腐蚀强、污秽严重等异常环境，应采用耐腐蚀和防污秽技术措施；（6）因采用与受电器摩擦接触的受流方式，因此要求接触网有较均匀的弹性，接触线等部位要有良好的耐磨性。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 3.接触网的电分段接触网的电分段 电分段是为了

53、便于检修和缩小事故范围而将接触网分为若干段。电分段根据设置位置分为纵向电分段和横向电分段，纵向电分段指的是沿线路方向进行分段，横向电分段式在线路之间的分段，如在车辆段的各股道之间进行的分段等。电分段通常用分段绝缘器来实现。分段绝缘器是用以实现电分段的专用绝缘装置。目前，广泛采用环氧树脂分段绝缘器，其结构主要由环氧树脂绝缘板、铝合金导流滑板等组成。接触网在正常工作状态下，从牵引变电所直接得到馈电，并构成双边供电。接触网的电分段设在下列各处：（1）车辆出行处（进站端）；（2）辅助线与正线的衔接处；（3）车辆段与正线的衔接处；（4）车辆段库线入口处。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 4.接触

54、网的供电原理及方式接触网的供电原理及方式 牵引供电所向接触网供电有两种方式：单边供电和双边供电。接触网通常在相邻两牵引变电所间的中央断开，将两牵引变电所之间两供电臂的接触网分为两个供电分区。每一供电分区的接触网只从一端的牵引变电所获得电流，称为单边供电。如果在中央断开处设置开关设备时，可将两供电分区连通，此处称为分区亭。经分区亭的断路器闭合，则相邻牵引变电所间的两个接触网供电分区均可同时从两个变电所获得电流，则称为双边供电。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 5.接触网的类型接触网的类型 牵引供电所向接触网供电有两种方式：单边供电和双边供电。接触网分为架空式接触网和接触轨(也称第三轨)式

55、接触网。接触轨式接触网仅用于地铁与封闭的城市铁路和轻轨，架空式接触网除此还可用于铁路干线、城市地面和工矿电机车电力牵引线路。1.架空式接触网 架空式接触网是架设在走行轨道上部的接触网，由电动列车顶部伸出的受电弓与之接触取得电能。架空式接触网用于城市地面以及低下、铁路干线、工矿的电力牵引线路。一般，牵引网电压较高时，为了安全和保证一定的绝缘距离，宜采用高架式接触网。架空接触网可分为地面架空式和隧道架空式两种。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 （1）地面架空式 由以下几个部分组成。接触悬挂：包括承力索、吊弦、接触线。支持装置：其作用是用以支持接触悬挂，并将其负荷传给支柱或其他建筑物的结构，

56、包括腕臂、拉杆和绝缘子。定位装置：其作用是保证接触线与受电弓的相对位置在规定范围内，包括定位器与定位管。支柱与基础：其作用是用以支承接触悬挂和支持装置，并将接触悬挂固定在规定高度。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 （2）隧道架空式 因为隧道内空间狭窄，所以隧道架空式接触网必须考虑隧道断面、净空高度、带电体对接地体的绝缘距离等因素的限制。此外隧道架空式接触网的支持装置可直接设置在洞顶或洞壁上，而不需要专门立支柱。只有合理的选择和确定悬挂方式，才能充分地利用有效的净空高度，改善接触网的工作性能。安装在绝缘子上的馈电线通过联接线与接触线联接，使接触线受电。接触线由调节臂固定，调节臂带棒式绝缘

57、子，一端固定安装在隧道洞顶一侧的弹性支架上。调节臂可用来调整接触线与轨面之间的高度，弹性支架通过调节臂使接触线与受电弓之间保持足够的弹性，以保证它们之间的良好接触受流。地面与隧道架空式悬挂均属柔性接触悬挂，还有一种悬挂方式为刚性架空式接触悬接，可适用于低净空隧道。在日本的东京、大阪等地的地铁中已有应用，但在弹性方面不如柔性接触悬挂。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 10-10 隧道架空式接触网示意图 城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 6.接触轨接触轨 接触轨是沿线走行轨道一侧平行铺设的附加第三轨，故又称第三轨。在净空受到限制的线路和电压等级较低时多采用接触轨式接触网。接触轨受电

58、方式最早在伦敦城市轨道采用，由于接触轨构造简单，安装方便，可维修性好，并对隧道建筑结构等净空要求低，受流性能满足DC750V供电的需要，因而在标准电压DC750V供电系统中得到广泛的应用。接触轨系统允许电压波动范围为DC750VDC900V。第三轨接触网的电压据IEC标准为DC 600V和DC 750V，北京地铁采用了750V的接触轨供电的方式。但也有国家采用较高电压，如西班牙巴塞罗那地铁就采用了DC 1500V和1200 V。接触轨可以有三种布置方式即，上磨式、下磨式以及侧磨式。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 （1）上磨式 接触轨装在专用绝缘子上，底朝下。取流时，接触靴自上压向接触

59、轨。上磨式的接触力不由受流器（集电靴）的重量和磨耗情况决定，而只受弹簧支座特性的控制，受流平稳，由于端部弯头的过渡作用，能够减少在断电区的电流冲击。上磨式接触轨因接触靴在其上面滑动，所以固定方便，但不易加防护罩。上磨式接触轨施工作业简便，可以在轨头上部通过支架安装不同类型的防护板。北京地铁、纽约地铁都是采用上接触式第三轨。（2）下磨式 下磨式轨头朝下，通过绝缘肩架、橡胶垫、扣板收紧螺栓、支架等安装在底座上。下接触式的优点是防护罩从上部通过橡胶垫直接固定在接触轨周围，对人员安全性好。（3）侧磨式接触式 侧面接触式就是接触轨轨头端面朝向走行轨，集电靴从侧面受流。跨座式独轨车辆就采用侧面接触形式。其

60、受流器装在转向架下部，接触轨装在轨道梁上。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 6.2.8 城轨供电城轨供电SCADA系统系统 电力监控系统（简称SCADA系统）实现在控制中心（OCC）对供电系统的主变电所、牵引变电所和降压变电所的供电设备等的运行状态进行集中管理和调度、实施控制和数据采集。除利用“四遥”（遥控、遥信、遥测、遥调）功能监控供电系统设备的运行情况，及时掌握和处理供电系统的各种事故、报警事件功能外，利用该系统的后台工作站还可以对系统进行数据归档和统计报表功能，以便更好地管理供电系统。城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 1.杂散电流的产生杂散电流的产生6.2.9 地下杂散电

61、流及其防护地下杂散电流及其防护 直流牵引供电系统在理想的状况下，牵引电流由牵引变电所的正极出发，经由接触网、电动列车和走行轨返回牵引变电所的负极。但钢轨与隧道或道床等结构钢之间的绝缘电阻不是很大，这样势必造成流经牵引轨的牵引电流不能全部经由钢轨流回牵引变电所的负极，有一部分的牵引电流会泄露到隧道或道床等结构钢上，然后经过结构钢和大地流回牵引变电所的负极，这部分泄露的电流就是杂散电流，又称迷流。接触网 地铁列车 牵 引 变电所 钢轨 I I 城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 2.杂散电流的危害杂散电流的危害 （1）杂散电流会造成地下金属结构的电腐蚀。如果这种电腐蚀长期存在，将会严重损坏地

62、铁附近的各种结构钢筋和地下金属管线、破坏了结构钢的强度，影响其使用寿命。当轨道沿线地下有金属管道或建筑物钢筋等导电物时，地中杂散电流必多沿金属导体流动，到了回流点附近再流向钢轨回变电所，因此在回流点附近的金属管道形成了阳极区（对大地为正）。对“正”接触导线情况，阳极区总是在回流点处不动，这就使阳极区内的金属物正离子流向大地，发生电解腐蚀现象，损坏了金属。迷流。电 旁 泄阴 极 区阳 极 区直 流 电 源接 地阳 极阳 极 区阴 极 保 护 城市轨道交通系统概论城市轨道交通系统概论 （2）若杂散电流流入电气接地装置，又将引起过高的接地点位，导致某些设备无法正常工作。（3）若钢轨（走行轨）局部或整体的绝缘变差，则此钢轨对大地的泄漏电流增大，地下杂散电流增大，这时就有可能引起牵引变电所的框架保护动作。而框架保护动作，引起整个变电所的断路器跳闸，全所失电，同时还会联跳相邻牵引变电所对应的馈线断路器，从而造成较大范围的停电事故，影响地铁正常运营。