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上海交通大学 硕士学位论文 城市轨道交通供电系统的发展与分析 姓名：曹京学 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及自动化 指导教师：王杰 20060907 1 附件四附件四 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：曹京学 日期：2006 年 9 月 7 日 2 附件五附件五 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名：曹京学 指导教师签名：王 杰 日期：2006 年 9 月 7 日 日期：2006 年 9 月 7 日 1 城市轨道交通供电系统的发展与分析 城市轨道交通供电系统的发展与分析 摘 要 摘 要 城市交通体系是城市最主要的基础设施之一、 是城市发展现划和 城市增长的基本要素，是城市人流、物流、信息流的载体，是城市经 济活动的命脉。 城市经济社会活动要求城市交通体系能够安全、 快捷、 方便、舒适、经济地满足城市人流、物流、信息流的需求，现代城市 的商品生产、流通、消费，居民出行，信息载体传递与交流都离不开 城市交通体系， 城市的一切经济社会活动都必须有现代城市交通体系 予以支持和保障。因此。城市交通体系的良性循环对实现城市功能， 促进城市经济和社会的发展发挥着重要作用。 目前中国正经历着迅猛的城市化进程，预计到 2020 年中国的城 市人口数量将达到 50。现代城市交通需求正在持续增长，需要安 全、高效、清洁、经济的城市交通运输系统；以轨道交通为基础的运 输系统具有较大技术优势：较大的运量，有效的土地利用、每人公里 较低的能量消耗和环境污染。此外，轨道交通的发展轴心作用可引导 城市形态的变化，有助于实现商贸的聚集效益。它是特大城市及其交 通可持续发展的必然选择。 而对城市轨道交通来说， 供电系统可以说是其安全平稳运行的命 脉。 轨道交通供电系统主要包括主变电所、 牵引变电所、 降压变电所、 2 系统中压电缆线路、直流接触网、电力监控设备（scada）等子系 统。 在地铁供电系统中，牵引供电系统由于直接给列车提供动力，占 据着举足轻重的地位。 该系统的好坏直接影响整个地铁供电系统质量 的高低。如果该系统出现问题，小则影响某个变电站、几个供电区间 的输送电，大则引起整个牵引供电系统的崩溃，给地铁列车的正常运 营造成影响。 本文以上海轨道交通 1 号线北北延伸线工程、8 号线、9 号线供 电系统的建设实际出发，简述了城市轨道交通供电系统的构成，重点 介绍了牵引变电所的接线方法、保护等及电磁兼容的控制方法等，提 出了牵引变电站的发展方向，即设备国产化、牵引变电站箱式化。 关键词：关键词：轨道交通，牵引供电系统，箱式牵引变电站、展望 3 the analysis and development of the power system for rail traffic abstract the traffic system, one of the most basic establishments in the city, one of the most basic factors for the programming and increasing of the city, the carrier for exchange of people, goods and information, plays the part as the life line for the citys economic activities. the citys economic activities require that the traffic system can safely, swiftly, conveniently, economically satisfy the needs for the flowing of people, goods, and information of the city, which live on the traffic systems of the city. all the economic activities must be supported and guaranteed by the citys traffic systems. so the systems good circulation plays an important part for achieving the citys function, enhancing the economy and development of the society. nowadays, china is undergoing the rapid process of the urbanization. it is estimated chinas urban population will reach 50% of the whole country. such situation requires safer, more efficient, cleaner, economic, better urban traffic systems. among all the traffic systems, the rail system belt line has more advantages on technique: larger amount for goods; lower energy consuming; less environmental pollution per kilometer one person, also leaving more ground for effective utilizing. besides, the development of rail traffic produces the axes function, causing the citys configuration and helping to achieve to benefit commerce and trade assemble. for the urban rail traffic, the power supplying system is the life line for its safe steady running. the power supplying system includes the main transformer substation, traction power station, step-down power station, medium voltage circuitry, scada and so on. among the underground trains power supply system, the draught power supply system give the train power directly. it is the most important. it directly influences the quality of the whole systems work. if there are some small problems, it may have influence on the interaction of transformation of power among the power supply zones. and the serious problems may cause the breakdown of the whole draught power supply system, having bad influences on the normal run of the underground train. based in the shanghais railway system of no.8, no.9 and extend of no.1, this paper specifies the structure, wring drawing, protection, emc control, development and expectation of the power system for rail traffic in city. key words ： rail traffic, traction supply system, box traction station, expectation 6 一一. 绪论绪论 1 引言引言 城市轨道交通系统包括地铁、轻轨、有轨电车、独轨等。轨道交通具有运载 能力大、噪音废气污染小、运行快速准时、占用土地少等独特优势, 它不仅能缓 解大中城市日益拥挤的交通状况，而且大大推动了城市的经济和社会的发展。 城市轨道交通供电系统是城市轨道交通网络的生命线， 轨道交通的安全平稳 运行离不开供电系统，供电系统担负着运行所需的一切电能的供应与传输，是城 市轨道交通安全可靠运行的重要保证。 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。城市轨道交通供电系统就是要满足这些 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。 现在上海已经开通运营的轨道交通 1 号线、2 号线、3 号线等采用三级集中 供电方式，采用 110kv/33kv/10kv 三级电压，从城市高压电网络中引入 110kv 电源到主变电所，再通过各个车站的牵引变电所直接牵引客车的运行。 2 城市轨道交通类别城市轨道交通类别 (1) 地下铁道地下铁道 地下铁道简称地铁，是线路的大部分建筑物在地下，作为大运量轨道交通手 段的城市高速铁道的总称，其特别适合于城市内市区及老城区建设。其特点是在 市内地下通行，不占用地表及地上空间，运营干扰小，输送能力大，每小时运量 达 3000060000 人， 但造价比较昂贵。 1863 年， 世界上最早的地铁在伦敦开通， 全长 6km。1969 年 10 月，我国在北京建成了第一条地铁。同年，北京地铁第一 期工程投入试运营，这也是我国自行设计、建设的第一条地下铁道。目前北京地 7 下铁道的运营里程全长 41.6km，有 30 个运营车站，日平均客运量达 125 万人， 其满载率和单车运行均居世界第一。 (2) 现代有轨电车现代有轨电车 现代有轨电车是利用轨道作为车辆导向的运输轨道交通系统。它以客运为 主，它是在旧式有轨电车的基础上发展起来的现代化水平很高的客运系统，输送 能力为每小时 1000030000 人，属于中运量城市交通客运系统，具有高速、高 加速性能、噪音小、低振动、对周围环境影响小的特点。省功、节能、可以无人 驾驶、同时建设费用比较便宜，运营费用也较小。法国是世界上最早拥有现代有 轨电车的国家之一。在法国的南特市，城市人口约 45 万，1984 年建成一条自东 向西穿过市区的现代有轨电车线路， 线路全长10.6km， 平均运行速度可达24km/h, 目前年客运量已接近 2 千万人次。在上海也采用现代有轨电车交通系统，即轻轨 明珠线，1998 年投入运营。目前在世界上拥有城市轨道交通系统的 320 个国家 当中拥有有轨电车(包括现代有轨电车和旧式有轨电车)的达 84%。 (3) 单轨交通单轨交通 单轨交通是指以橡胶轮胎为主的车辆在一根轨道上运行的交通方式。 按支撑 方式的不同可划分为跨座式和悬吊式两种。单轨交通具有以下特点：运行安全， 运行速度快，容易在陡坡上、小半径曲线上行驶、公害小、支撑少、建设费用低、 建设工期短的特点。但单轨交通通过城市景观区、市中心、住宅区的时候，乘客 总有点担心。和其他交通设施不能换乘，和其他高架交通设施交叉时，要建成更 高的高架结构， 道岔装置结构复杂， 运转时间也较长， 车辆出现故障等紧急情况, 需要避难时间。 小型地铁和新交通系统都是 20 世纪 80 年代至 90 年代发展起来的新型轨道 交通系统，具有技术先进、建设造价低的特点。在世界上许多地方得到不同程度 的修建。 3 城市轨道交通的优点城市轨道交通的优点 城市轨道交通系统的优势主要表现在以下几个方面： （1）改善城市环境。用轨道交通替代公共电汽车成为大众通勤工具的首选， 由于减少在市中心运行的轿车和公交汽车的数量， 将在很大程度上减少城区汽车 8 尾气的排放，改善空气质量。国外研究表明，轨道交通单位运输量的二氧化碳排 放量仅为小汽车的 10和公共汽车的 25； （2）大大地缓解交通拥挤。轨道交通还是一种运量大的交通工具，国外许多 大城市轨道交通承担的客运量占全部客运量的半甚至 80以上。地铁每小时 单向运送能力为36万人次， 轻轨为22.5万人次， 而公共电汽车为20005000 人次。 （3）提高了交通的安全性，轨道交通的安全性要比轿车和公交汽车的安全性 高出若干倍； （4）方便快捷的轨道交通系统，将提高市民的流动性和机动性； （5）交通可达性的改善必然使沿线城市地价上涨，提高沿线物业及房地产开 发价值； （6）带动轨道交通沿线的旧城改造和新城区的开发。由于轨道交通可以为中 长距离的通勤问题提供快速和低成本的工具，因而，城区居民将沿轨道线向城郊 扩散； （7）轨道交通系统的建设、运营与维护，将拉动内需，创造新的就业岗位； （8）轨道交通的发展轴作用有助于实现商贸的聚集效应，使城市形态发生变 化，资源分配降更加趋向合理化，助于推动产业结构和消费结构的升级。 4 我国城市轨道交通发展现状我国城市轨道交通发展现状1 我国的地铁始建于 1965 年。目前，我国已建成地铁的城市有：北京、天津、 香港、上海、广州。正在建设地铁的城市有：南京、深圳；正在规划或准备上马 建设地铁的城市有：武汉、成都、西安、长春、沈阳、大连、杭州等城市。 我国地铁的发展大致经历了以下几个阶段： (1) 起步阶段起步阶段 从 20 世纪 50 年代,我国开始筹备地铁建设，规划了北京地铁网络。 19651976 年建设了北京地铁一期工程(54km)。当时地铁建设的指导思想更注 重人防功能。随后建设了天津地铁(7.1km，现已拆除重建)、哈尔滨人防隧道等 工程。 (2) 开始建设阶段开始建设阶段 9 20 世纪 80 年代末至 90 年代初，由于城市规模限制及道路等基础设施比较 薄弱，北京、上海、广州等特大城市的交通问题非常突出。以上海轨道交通 1 号 线(21km)、北京地铁复八线(13.6km)和地铁一期工程改造、广州地铁 1 号线 (18.5km)等建设项目为标志，我国内地真正以城市交通为目的的地铁项目开始建 设。台湾省台北市也于 1997 年 3 月开通了第一条地铁线路。 (3) 建设高潮开始阶段建设高潮开始阶段 进入 20 世纪 90 年代， 随着上海、 广州地铁项目的建设， 一批城市包括沈阳、 天津、南京、重庆、武汉、深圳、成都、青岛等开始计划建设轨道交通项目，并 进行了大量的前期工作。 (4) 调整阶段调整阶段 由于各大城市要求建设的地铁项目较多，且在建地铁项目的工程造价较高， 1995 年 12 月国务院发布国办 60 号文，暂停了地铁项目的审批，并要求做好发 展规划和国产化工作。同时，国家计委开始研究制定城市轨道交通设备国产化政 策。 至 1997 年底,提出以深圳地铁 1 号线(19.5km)、 上海轨道交通 3 号线(24.5km) 和广州地铁 2 号线(23km)作为国产化依托项目,并于 1998 年批复了上述三个项目 的立项，从此城市轨道交通建设项目重新开始启动。 (5) 建设高潮阶段建设高潮阶段 随着实施积极的财政政策以进一步扩大内需，国家于 1999 年开始陆续批准 一批城市轨道交通项目开工建设。1999 年以后，国家先后审批了深圳、上海、 广州、重庆、武汉等 10 个城市的轨道交通项目开工建设，并投入 40 亿元国债资 金予以支持，目前包括北京、上海、广州在内，全国已建和在建轨道交通项目的 城市有 10 个、新申请立项准备建设的城市有 8 个，建设速度大大超过前 30 年。 5 论文主要研究方向论文主要研究方向 (1) 分析目前牵引变电所面临的主要难点； (2) 分析牵引变电所的未来发展趋势。 10 二二. 城市轨道交通供电系统的构成城市轨道交通供电系统的构成 1 系统组成系统组成 城市轨道交通供电系统由以下几部分组成： ? 主变电所 ? 牵引变电所 ? 降压变电所 ? 系统中压电缆线路 ? 直流接触网 ? 电力监控设备（scada） 对于采用一级中压配电的供电系统，在设有牵引变电所的车站，车站降压变 电所通常与牵引变电所建在一起，称为混合变电所。对于大型的车站，还设若干 个跟随降压变电所，简称跟随所，其二路高压电源引自混合变电所或车站降压变 电所二段母线。 车辆段或停车场的牵引变电所和降压变电所通常是合建的， 称为混合变电所。 由于车辆段/停车场的供电范围较大，混合变电所的下一级还设若干个降压变电 所，电源引自它的母线。 主变电所有以下主要功能： * 从城市电网引入中心压或超高压电源，一般采用电缆形式。电源电压为 10kv，35kv，110kv； * 将从城市电网引入的电源电压变换成中压； * 将中压电源分成若干回路，通过系统中压电缆线路送到各混合变电所、 降压变电所； 系统中压电缆线路的功能是将主变电所的中压电源送到沿线各变电所。 牵引变电所的功能是将交流中压电源降压后经整流变换成直流电源， 通过直 流接触网，将电能送给电动列车用电。 直流接触网是牵引变电所与电动列车之间的输送直流电能的桥梁。 电力监控设备的功能是对城市轨道交通供电系统中的主变电所、牵引变电 所、降压变电所进行实时监视和控制，确保系统可靠安全，不间断运行。 11 由于城市轨道交通采用了直流电源对电动列车供电，又采用了走行轨做回 流，便产生了杂散电流腐蚀问题。供电系统的设计必须重视杂散电流防护措施。 2 系统主接线系统主接线2 ，3 系统主接线，在上海地区，有二级中压和一级中压两种方案。在已经投入运 营的上海地铁 1 号线、2 号线、5 号线、明珠线等是采用二级中压。而在以后新 建的线路都是采用一级中压。 两种方案从投资上讲， 基本相同， 从运行可靠性讲， 由于上海地区采用一级电压的轨道交通线路还在建设阶段，都没有投入使用，无 法比较。 1）二级中压方案 在上海地区的二级中压的供电系统中，主变电所进线电源电压基本上都是 110kv，所有主变电所都用 10kv，33kv（35kv）两级中压配电。10kv 电源作为 车站（车辆段/停车场）降压变电所进线电源；33kv（35kv）作为牵引变电所进 线电源。 10kv 采用分区双干线配电方式，每一分区约 34 个降压所，具体数量由继 电保护选择要求确定。 33kv（35kv）采用分区双干线开环配电方式。每个分区一般有 23 个牵引 变电所。也有对部分牵引变电所采用双干线直供方式，一路干线供电，另一路干 线备用。 主变电所两路 110kv 进线一般都采用线路变压器组接成形式。主变电器采 用双绕组带有载调压的油浸自冷电力变压器，高低侧通常都采用电缆进线/出线。 由于主变电所的中压出线都是采用电缆，33kv（35kv）系统中性点采用小 电阻接地方式，并设接地变压器。接地电阻及接地变压器热稳定按 1000a/10 秒 考虑。 33kv（35kv）配电装置经综合比较后，都采用真空断路器，sf6 绝缘的开 关柜。该设备的优点是体积小，不受气候影响，运行可靠性高；缺点是必须选用 引进的产品，价格昂贵。33kv（35kv）配电装置采用单母成分段，母联设自投 功能。 主变电所还设 2 台动力变压器，将 33kv（35kv）电源降压到 10kv 电源，供 12 降压变电所用电。 10kv 母线 i、ii 分别设一台所用电变压器，供主变电所控制及辅助设备用电。 10kv 配电装置选用空气绝缘真空断路器的开关柜。主接成采用单母成分段， 母联设自投功能。 2）一级中压方案 一级中压方案的主变电所中除省去 2 台 33kv（35kv）/10.5kv 动力变压器 及 10kv 配电装置外，其余部分主接成与二级中压方案基本相同。 主变电所中 33kv（35kv）馈线采用分区双干线向混合变电所、降压变电所 配电。一个分区中一般有 3 个左右系统变电所，具体数量由继保分级选择确定。 混合变电所和降压变电所主接线都是由单母成分段加母联自投。 混合变电所 中两套整流机组，为了构成等效 24 脉整流以减少注入电网的谐波机组，都连接 在同一段母线上。 跟随变电所的两路电源引自上述混合变电所或降压所的不同母 线。 3 系统主要设备组成系统主要设备组成 (1) 变压器类变压器类 (1).1 主变压器：用于主变电站；常用的电压级有 110/35kv，110/10kv， 110/35/10kv，63/10kv 等；容量在 2031.5mva 左右；带有有载调压开关。 (1).2 牵引整流变压器： 用于牵引变电所； 常用电压等级有 10/0.61kv、 35/1.22kv； 容量在 20004400kva 左右；联结接型式有单机组 12 脉波(如 dy5/dd0)、双机 组等效 24 脉波(如：d(-7.5)y11d0 与 d(+7.5)y1d2)。 (1).3 配电变压器：用于动力照明变电所；常用电压等级有 10/0.4kv、35/0.4kv； 单台容量一般在 1600kva 以下。 (2) 牵引整流器牵引整流器 用于牵引变电所；硅二极管三相桥式整流；容量在 18004000kw 左右；空 气自然冷却。 (3) 开关设备类开关设备类 (3).1 110kv 交流开关柜：用于主变电站；gis 开关柜。 (3).2 35kv 交流开关柜：用于主变电站、牵引变电所、动力照明变电所等；35kv 13 真空开关柜或 35kv sf6 开关柜；35kv 充气式 cgis 开关柜正在研制。 (3).3 750v 或 1500v 直流快速开关柜：额定电压 750v dc 或 1500v dc；额定 电流一般在 6000a 以下；额定断流容量一般不超过 80ka；全分闸时间约为 20 30ms。 (3).4 0.4kv 交流开关柜：mns 型或 gck 型或 gcs 型抽出式开关柜。 (4) 变电所控制保护设备变电所控制保护设备 对于高中压交流开关柜、750v 或 1500v 直流快速开关柜，多采用电子保护 装置；对于低压交流开关柜多采用电磁保护装置。 (5) 变电所辅助电源装置变电所辅助电源装置 交流辅助电源装置，进线一般要求双路电源，且自投自复；直流辅助电源装 置， 一般设有交流进线开关、 充电机及电压调整装置、 电池组、 直流馈出开关等； 电池可选用镉镍电池或铅酸免维护电池，容量一般在 100ah 左右。 (6) 电缆电线类电缆电线类 110kv 交联聚乙烯电力电缆、35kv 交联聚乙烯电力电缆、10kv 交联聚乙烯 电力电缆、0.6/1kv 交联聚乙烯电力电缆、500v 控制电缆电线、750v 或 1500v 直流电缆。 (7) 接触轨或柔性架空接触网接触轨或柔性架空接触网 (7).1 接触轨：接触轨系统有上部接触型式、下部接触型式；接触轨系统包括接 触轨、绝缘瓷瓶或绝缘支架、防护罩、底座基础、以及隧道开关柜、供电接线箱 等。 (7).2 柔性架空接触网：柔性架空接触网包括以下设备： (1)线材：接触线、承力索、馈线、架空地线。 (2)主要零部件：支柱、腕臂结构、吊弦、中心锚结、补偿器、软(硬)横跨、 馈线肩架等。 (3)主要设备：隔离开关、分段绝缘器、绝缘子、避雷器等。 (8) 电力监控系统电力监控系统 电力监控系统由电力监控中心、执行端(rtu)、通道构成。电力监控中心， 一般采用局域网结构。如果电力设备与系统间以模拟信号通信，则执行端一般由 14 继电器屏、变送器屏、rtu 屏和 ups 组成；如果电力设备与系统间以数字信号 通信，则执行端可简化为 rtu 屏和 ups；执行端也可以利用变电所自动化系统。 电力监控系统一般自成系统；根据工程特点，也可以与车站设备监控系统 (bas)、防灾报警系统(fas)组成综合监控系统，该系统目前正由上海地铁集团积 极研制推进中。 15 三三. 城市轨道交通供电系统电源城市轨道交通供电系统电源 1 受电方式受电方式 城市轨道交通的电源是引自城市电网。目前国内有两种受电方式，一种是分 散式；另一种是集中式。除了北京地铁，由于历史原因，采用分散式受电外，国 内城市轨道交通基本是采用集中受电。 1）分散式受电，就是沿轨道交通线路从城市电网引入若干条电源线路。电源电 压通常为 10kv 或 35kv。 这种受电方式管理比较困难， 谐波对电网的影响大。 2）集中式受电，就是在轨道交通沿线集中设 23 点，即主变电所，每个点从城 市电网引入 12 路电源。这种方式便于管理，另外由于电源电压一般选用 110kv 超高压，可靠性相对较高。上海城市轨道交通基本上都是采用集中受 电的方式。上海电力局早已明确，考虑到谐波影响，受电容量较大，应采用 110kv 集中受电。 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。 这种方式称为混合式供电。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。 上海地铁中主要采用的是 35(33)kv 牵引网络的接线方式，其主要有以下四 种： 牵引变电所主接线为单母线；牵引变电所的进线与出线，均采用断路器；牵 引变电所的两路电源，来自于同一个主变电所的不同母线；该类型接线适用 于位于线路起始部分、线路终端部分、主变电所附近的牵引变电所电源引入。 牵引变电所主接线为单母线；牵引变电所的进线与出线，均采用断路器；两 个牵引变电所为一组；这一组牵引变电所的两路电源，来自于同一个主变电 所的不同母线，每个牵引变电所均从主变电所接入一路主电源，两个牵引变 电所通过联络电缆实现电源互为备用； 该类型接线适用于位于线路起始部分、 线路终端部分的牵引变电所电源引入。 牵引变电所主接线为单母线；牵引变电所的进线与出线，均采用断路器；两 个牵引变电所为一组；这一组牵引变电所的两路电源，来自于不同的主变电 16 所，左侧牵引变电所从左侧主变电所接入一路主电源，右侧牵引变电所从右 侧主变电所接入一路主电源，两个牵引变电所通过联络电缆实现电源互为备 用；该类型接线适用于位于两个主变电所之间的牵引变电所电源引入。 牵引变电所主接线为单母线；牵引变电所的进线与出线，均采用断路器；牵 引变电所的两路电源，来自于左右两侧不同的主变电所；该类型接线适用于 位于两个主变电所之间的牵引变电所电源引入。 2 电源电压电源电压 上海地区电力用户的受电电源电压大致有 110kv，35kv，10kv，按照受电 容量等技术条件，由电业确定受电电压。对于上海城市轨道用户，原则上都应选 用 110kv 电压。 3 电力资源共享电力资源共享 电力资源主要是指配电装置的仓位和电力线路的共享（地下/架空） 。上海城 市轨道交通主变电所的设计早已考虑到这一共享原则：主变电所的进线 110kv gis 考虑留有或预留环入/环出条件，显然环入的电缆的载流量要计入环出的容 量。环出的线路可以供临邻近的轨道交通线路用电；当两线路交叉点设主变电所 时， 主变电所的 35kv 电源考虑供给两条线路用电。 主变压器的容量应相应增加。 通常 110kv 环入/环出和 35kv 资源共享并不同时考虑。 4 进线接线方式进线接线方式 对于集中式受电，电源进线通常采用两种方式，一种是内桥/变压器接线； 另一种是线路变压器组接线。 a.内桥接线 上海地铁 1 号线主变电所的进线是采用内桥/变压器接成。该接线虽供电可 靠性高，但电业一般不同意用户采用这种接成，因为误合内桥开关会造成电网故 障。由于 1 号线是上海第一条轨道交通线路，没有经过电业确认，内桥接线的 110kv gis 供货合同已签，无法更改，电业勉强同意采用该接成，但原则上不同 意操作内桥开关。 b.线路变压器组接线 从建设上海轨道 2 号线开始， 所有的主变电所进线都采用了线路变压器组接 17 线。这种接线也有两个好处：第一，两路 110kv 进线不会误并联造成城市电网 事故；第二，进线电源贴费按主变容量收取（当采用内桥接线时，贴费加倍） 。 5 电度计量电度计量 每一路 110kv 进线分别设电度计量。为了考核进线的平均功率因数，除了 设有功电度表外，还应设无功电度表。有功电度表上一般附带 15 分钟最大需量 表。电度表装在计量屏内，通过控制电缆与 110kv gis 上相应流互压互连接。电 度表和计量屏由电业单位提供。计量用流互和压互精度为 0.2 级。为满足轨道交 通初、远期计量精度要求，流互额定电流宜设两档，例如：100a、200a，初期 用第一档，远期用第二档。当然，具体要求还要由电业单位提出。对于采用中压 资源共享的主变电所，对不同的轨道交通线路用电分别计量，以便电费分摊。这 部分的计量装置属城市轨道交通业主管辖，业主仅按 110kv 侧计量表读数交纳 电费。 6 主变压器主变压器 设在市区的主变电所， 由于城市规划的要求， 一般都设在地下。 按消防要求， 设于底下的电力变压器要采用无油的变压器。目前，世界上能满足消防要求的变 压器主要有两种：一种是干式变压器；另一种是 sf6 绝缘的变压器。对于 110kv 大容量变压器， 由于电压很高， 容量大， 世界上尚无成熟可靠的干式变压器产品。 关于 sf6 变压器，国内无此产品，国外虽能买到，但价格十分昂贵（约油浸变压 器价格的三倍） 。鉴于上述情况，主变压器只能选用油浸变压器。显然，主变电 所设计应考虑加强消防措施，并应得到消防局的认可。 主变压器初级额定电压，考虑到上海城市 110kv 电网电压普遍偏高，宜选 用 115kv。次级额定电压，如系统标称电压为 35kv，则应高约 5，即 351.05 36.537kv。正确参数由系统初、远期电压计算确定。 主变压器绕组按线组别通常都是选用 ynd11。 如果要省去接地变压器，也可以选用 ynynd11 组别。d11 绕组用于消除 3 次 谐波电流。这种变压器在上海轨道交通中没有采用。 主变压器高压侧中性点绝缘水平直接影响到价格。中性点绝缘水平有 3 种： 第一种永久接地，不绝缘；第二种半绝缘；第三中全绝缘。中性点永久接地的变 18 压器价格较低；中性点全绝缘的变压器，价格较贵。由于主变压器按运行要求， 在倒闸操作时， 中性点要暂时接地， 操作完成后， 中性点不接地。 鉴于上述原因， 只能选用后面两种绝缘水平。考虑到节省投资，都是选用半绝缘水平。为了保护 中性点，对地加装避雷器及接地开关。 调压方式，由于城市电网 110kv 电压波动较大，高压侧都设有载调压装置， scada 可对其控制，其运行位置在电力调度室有显示。考虑到有载调压频繁动 作会使其中的绝缘油加速质变，一般不设自动调压功能。 有载调压装置调压范围宜用10，调压档数可选用91.11 ，共 19 档或正档为 10 档负档为 8 档的调节档，加上额定档，总档数不变。 主变压器进出线方式高压侧有以下几种方式与 110kv gis 设备连接： 电缆连 接，电缆连接有两种方式，第一种主变压器有高压套管，第二种变压器高压侧有 充油母线槽； sf6 绝缘母线桥连接。 如采用充油母线槽和 sf6 绝缘母线桥的方式， 变压器上的 110kv 带电部分不露在外面，十分安全。除了上海地铁 1、2 号线主 变压器都是采用充油母线槽通过电缆与 110kv gis 连接外， 以后建设的线路的主 变压器都设有高压套管，用电缆与 110kv gis 连接。主变压器低压都是采用电缆 出线。 7 谐波污染问题谐波污染问题4,5,6,7 对城市电网而言，城市轨道交通的牵引变电所是电流谐波源。由于牵引变电 所的整流机组是一种非线性用电设备，虽然电网电源为正弦交流，但其电流为非 正弦电流。非正弦电流，按照富里叶级数分析，由不同幅值的高次谐波电流叠加 而成。 整流机组高压侧特征谐波电流次数可以按照 kp 1 式求得， 式中 k 为 1、 2、 3-n 自然数；p 为整流脉波数。对于三相桥式整流电路，p=6，特征谐波次数 为 5、7、11、13、17、19、23、25-n；对于双三相桥式并联整流电路（两路 三相电源移相 30） ，p=12，特征谐波次数为 11、13、23、25-n；对于等效 24 脉波整流设备，p=24，特征谐波次数为 23、25-n。由此可以看出，从理论 上讲，随着整流的脉波数增加，低次谐波逐渐减少，对电网的污染也随之减少。 鉴于国家标准 gb/t-14549/93 对用户要求甚高，除上海地铁 1 号外，以后新建线 路的牵引变电所都是采用等效 24 脉波整流设备。即使这样，电业部门还是很不 19 放心。 由于设备制造不能做到所有参数一致或者对称， 对于等效 24 脉波整流设备， 在其电源不仅存在 23、25-n 次谐波，还存在 5、7、11、13、17、19 次谐波， 但量要大大减少。不同整流脉波设备的各次谐波含量（额定输出时） ，可以参照 下表： 谐波次数 整 流 脉 波 数 5 7 11 13 17 19 23 25 6 0.175 0.11 0.045 0.029 0.015 0.010 0.009 0.008 12 0.026 0.016 0.045 0.029 0.002 0.001 0.009 0.008 18 0.026 0.016 0.007 0.004 0.015 0.010 0.001 0.001 24 0.026 0.016 0.007 0.004 0.002 0.001 0.009 0.008 存在于典型整流设备电源侧谐波电流百分值（基波电流为 100%） 电业对用户的谐波量考核是在进线电源侧。 进线电源的谐波电流估算可参照 图标 gb10236188。 上面所指的谐波都是指谐波电流。至于谐波电压，就是上述谐波电流在电源 阻抗上的压降。该压降叠加在电源电压上，便在正弦的电压波上产生了毛刺，用 示波器能清楚观察到。 注入电源的谐波电流会引起以下危害： ? 使发电设备发热，从而只能降容发电； ? 使输电电网发热，从而降低输电容量； ? 使精密设备工作失常； ? 使电网中补偿电容器发热甚至爆炸。 鉴于上述危害，产生谐波的电力用户必须采取各种有效的措施，抑制谐波电 流注入电网。 城市轨道交通牵引变电所的谐波电流不仅注入城市电网， 而且还会流入内部 的降压变所的补偿电容器，引起发热，损坏。为此应采取以下措施： ? 安装滤波装置； 20 ? 选用额定电压高的补偿电容器，这时应考虑电容器补偿电量按(u1/u2)2 降低，式中 u1为低压电源额定电压；u2为补偿电容器额定电压； ? 每个补偿电容器串联电抗器，使 lc 串联电路对高次谐波电流呈感性， 该 lc 电路的谐振频率应低于 5 次谐波。这样防止了补偿电容与电源电 抗串联后可能对高次谐波形成谐振的危险。采用这种方法阻止了高次谐 波电流进入补偿电容器，但由于高次谐波源是个恒流源，被阻止时高次 电流被迫流向电源侧。这时，当电源侧谐波超标时，则不能采用这种方 式。 21 四四. 供电系统的接地供电系统的接地 1 110kv 系统系统 该系统中性由城市电网确定，国内 110kv 系统中性点是直接接地的，称为 大电流接地系统。系统直接接地并不意味着电网中所有的电力变压 110kv 中性 点都得接地，应由系统零序保护决定。对于城市轨道交通的 110kv 主变电所， 一般属城市电网终端所，主变压器 110kv 侧中心点在运行中一般都是不接地的。 为防止主变压器在投切过程中产生过电压，危及中性点绝缘，在投切前先将中心 点接地，操作完成后中心点仍应处于不接地状态。对于采用中性点为半绝缘的电 力变压器，在正常运行时，中性点与地间安装避雷器，以防止中性受损伤。 2 35kv 和和 10kv 系统系统 在我国的电力网中，在过去，无论是电缆线路或架空线路的系统，其中性都 是通过消弧线圈接地，称为小电流接地系统。当发生单相接地时，线路开关不跳 闸，只发出报警信号，允许再运行 2 小时，在 2 小时内可以进行事故处理。这种 系统，对于架空线路，供电可靠性较高，因为架空线路的故障通常都是暂时性故 障，且容易被发现。这种系统的缺点是当发生单相接地故障时，设备带电部分对 地电压升高 1.73 倍。对电缆而言，同样如此必须选用绝缘等级更高的电缆。另 外，在这种系统中发生单相电弧性接地时，系统中会产生很高的过电压。在城市 电网中，考虑到景观要求，架空线路逐步被地下电缆取代。人们发现，电缆线路 的故障绝大多数永久性故障，必须停电抢修。鉴于这个原因，上海电业部门开始 采用小电阻接地系统，即在系统中性点与地间接入一个电阻，对于 35kv 系统一 般约 18，对于 10kv 系统，一般约 5.7，三倍的零序电流取 1000a。当选择 的三倍零序电流大于 1000a（或 2000a）时，上述电阻值应相应减小。 3 小电阻接地方式小电阻接地方式 在建设上海地铁 1、2 号线时，电力部门已开始在 35kv 系统上采用小电阻 接地方式。但 10kv 系统还未推广采用小电阻接地方式。正因为这个原因，上述 两条线路的 33kv 系统是采用小电阻接地方式，10kv 系统仍采用消弧线圈接地 方式。 随着小电阻接地方式在上海城市电网中广泛应用， 在以后新建的轨道交通的 22 供电系统中，35kv，10kv 系统都采用了小电阻接地方式。 由于主变压器必须采用 ynd11 变压器，中压侧为形接线，无中性点，为 此必须附加一个接地变压器，建立一个中性点。接地变压器可以采用油浸或干式 的。 接地变压器及接地电阻的热稳定目前是按 1000a，10 秒考核。在刚开始推 广小电阻接地系统时，热稳定是按 1000a，6 秒考核，以后对热稳定时间上调到 10 秒。根据 1，2 号线的运行情况，热稳定时间 6 秒足够了。如果承认这个事实 的话，接地变压器，接地电阻器额定容量还可以减少。 4 直流直流 1500v 系统系统 由于杂散电流防护要求，直流 1500v 系统的正，负极都不接地，称为浮空 方式，该系统的正极是接触网，负极是接走行轨。接触网是用绝缘子对地绝缘， 绝缘达兆欧级；而轨对地绝缘在工程上很难做得很高，新建线路约 15/公里， 运营线路约 10/公里。对于 20 公里的线路，新线轨对地约 0.75，运营线约 0.5。 5 0.4/0.23kv 低压系统低压系统 从杂散电流防护及安全综合考虑，低压系统采用 tn-s 配电制式。系统中性 点直接接地。中性线（n）与保护线（pe）分别接到系统中性点。 23 五五. 轨道交通供电系统牵引变电所轨道交通供电系统牵引变电所 城市轨道交通牵引变电所(以下简称牵引变电所)的功能是将引自城市电网或轨 道交通供电系统内部的 35kv 或 10kv 电源降压、 整流后变成 750kv 或 1500kv 直流 电源，再由牵引变电所内的直流配电装置将该直流电源送到区间接触网，供电动列 车用电。轨道交通线路沿线设置若干个牵引变电所。 由于牵引变电所供电半径较小、 输出功率不大、 从安全考虑采用的电压又不高， 牵引变电所几乎都采用直流供电制式。 国际电工委员会(iec)拟定的直流牵引电压标 准为： 750v、 1500v、 3000v 电压。 目前国内新建和在建的轨道交通大都采用 1500v 电压。 牵引变电所一次设备有：高压交流配电装置(也称为高压交流开关柜)、整流机 组(一台整流变压器一台整流器为一组)、直流配电装置(也称为直流开关柜)。 1 牵引变电所主接线牵引变电所主接线8,9,10 牵引变电所主接线迭择关系到变电所安全可靠不间断供电。 主接线应简单明了， 各种工况下进行倒闸操作时，应安全、可靠。 牵引变电所主接线通常有二种形式， 一种是无直流备用母线的接线;另一种是带 直流备用母线的接线。也就是说只有直流配电装置一次接线有些差别，其它没有什 么差异。上海轨道交通都采用前者一次接线，详见图 1、图 2。 图 1 牵引变电所主接线（直流无备用母线） fig 1 main connection of traction power station (dc and no spare bus) 24 图 2 牵引变电所主接线（直流有备用母线） fig. 2 mail connection of traction power station (dc and spare bus) 图 2 与图 1 的差别就在于直流配电装置中增加了备用母线并增加了一台