第四章--机车车辆与牵引系统2

1,第二节供配电与电力牵引系统,2,城市轨道交通的供电系统是为城市轨道交通运营提供电能的。城市轨道交通列车是电力牵引的电动列车，其动力是电能；此外，城市轨道交通中的辅助设施包括照明、通风、空调、排水、通信、信号、防灾报警、自动扶梯等，也都依赖电能。(一)城市轨道交通供电系统的功能与作用1城市轨道交通电动车组运行所需电能供应2城市轨道交通机电设备运转所需电能供应等用电如：风机、水泵、空调3城市轨道交通通信信号设备运行所需电能供应4城市轨道交通照明及其他生产生活用电供应。,3,(二)城市轨道交通供电系统的组成城市轨道交通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城市轨道交通供电系统实现输送或变换，然后以适当的电压等级供给城市轨道交通各类设备。城市轨道交通的供电系统分为主变电所、牵引变电系统、变配电系统三部分。其供电系统的组成如下图所示。,4,5,城市电网一次电力系统,(1)发电厂(站)：发电厂(站)是将各种形式的能源转换成电能的特殊工厂，分为火力、水力、核动力等各种能源发电厂(站)。(2)传输线路：电力输电线路是电能的传输通道，是发电厂、变配电所、电能用户三者的联系纽带。一般发电厂都远离电力负载，需升压为高压电压(110kv或220kv)甚至超高压等更高等级电压，满足远程输送需要。(3)区域变电所(主变电所)：区域变电所(主变电所)对城市电网是用户，对城市轨道交通供电系统是电源，它肩负着将城市电网高压电变成牵引供电系统和变配电系统所需要的电压等级(如35kV或10kv)，通过三相传输线输送到本供电区域内各个用电部门的变电所，再次降压或整流为所需电压等级(如380V交流、1500V直流等)城市轨道交通是一个重要的用电部门，其一次供电力系统为一级负荷，按规定需要有两路独立的电源供电，当其中任何一路电源发生效障时，另一路应能保证一级负荷的全部用电的需要。因此，城市轨道交通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，另一路电源即自动切入，使轨道交通系统能获得不间断的电源。,6,7,8,9,10,(三)城市轨道交通牵引供电制式简介,牵引供电制式是指轨道交通的供电系统向电动车辆或电力机车供电所采用的电流制、电压制和列车集电方式。1直流制前苏联标准825V，北京、天津地铁选用的750V；IEC（国际电工委员会）标准如下表42，如上海选用的l500V。,11,直流牵引供电系统主要由牵引变电所的整流机组、直流正负极开关设备、接触网设备和馈线、回流线、均流电缆、钢轨电位限制装置等组成、每个牵引变电所设两套整流机组(整流变电器-整流器单元)。其一次侧并接于同一段33kv母线，直流1500v侧单母线不分段，两台整流机组并列运行，通过接触网向列车供电，然后再经钢轨、回流电缆车牵引变电所负极柜。,12,城市轨道系统的车辆供电电压制式主要有DC600V、DC750V、DC825v和DC1500V等几种。DC600V制式多见于二战前英、美等国家修建的些城市轨道系统，DC825v主要见于前苏联诸国，后期建成的各国城市轨道系统的车辆受电电压制式多在DC750V和DC1500V两种制式中选用。对应于这两种供电制式、车辆的受流方式主要为集电靴式和受电弓式，因此，向车辆的馈电方式也相应为第三轨和接触网方式(还有少量的第四轨式为橡胶轮系统、独轨系统和共他为橡胶轮系统、独轨系统和其他系统的车辆配套使用)。,13,牵引网的馈电方式分为架空接触网和接触轨两种基本类型。其中电压制与馈电方式是密不可分的。一般DC1500V电压采用架空接触网馈电方式；DC750V电压采用第三轨馈电方式。目前国外城市轨道交通直流牵引电压等级有DC600V、DC750V和DC1500V等多种；我国国家标准地铁直流牵引供电系统规定了DC1500v和DC750v两种电压制。其中北京和天津地铁采用DC750V第三轨馈电。上海、广州和大连采用DC1500v接触网馈电。长春轻轨采采用DC750V接触网馈电。南京和深圳地铁采用DC1500v接触网馈电，苏州、杭州、武汉和青岛采用DC750v第三轨馈电。2交流制一般多用于电气化铁路牵引供电方式(距离远、需装车载整流装置)。,14,(一)变电所的分类,变电所是联系发电厂和电力用户的中间环节，担负着电压变换和分配电能的作用。根据变电所在城市轨道交通供电系统中的作用不同、变电所可分为高压主变电所、牵引变电所、降压(动力)变电所。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)。,15,2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。为确保牵引供电的质量，牵引变电所的设置(数量、位置)和客运应该按远期列车编组，运行密度进行牵引供电计算后确定。3降压(动力)变电所除了电动车组外，负责城市轨道交通的其他所有交流低压负荷的供电。它是根据动力用电量确定其设置数量和容量。,16,(二)供电方式(按电压等级),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主变电所，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后，分别向牵引变电所和降压变电所供电。我国北京、天津地铁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。,17,(三)变电所位置设置,城市轨道交通系统变电所设置位置应视该系统特征，遵循保障供电、降低投资、安全可靠的原则设置。可以设在地面或地下，地而变电所占地面积大，但土建造价低，防火条件好；地下变电所不占地而，但造价高，尤其是对防火的标准要求特别高。建筑材料、结构、变电所电气设备自身的不燃件，均需要按高标准防火要求考虑，同时应装设自动火灾报警设备防火门和防火墙等隔离设施及有效的灭火系统。,18,(四)主要电气设奋,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。1电气设备的功能(1)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、降压变压器；按相数分单相、二相、多相变压器；按线圈数分单线圈(自藕变压器)、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。,19,(2)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。(3)隔离开关：一种没有熄弧装置的高压电气开关。不能切断负载电流和短路电流，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。电路停电时应先断开断路器，后拉开隔离开关；送电时则先合上隔离开关，再闭合断路器。,20,21,2电气设备的图形与符号,变电所中主要电气设备的图形和符号见下表,22,3电气设备的选择要求,(1)选用技术经济性能好、可靠性和安全性高的先进设备；(2)对设在地下的电气设备要求选用重量轻、体积小、防爆、阻燃、防潮、耐腐蚀性能好的电器；(3)选用检修、维护方便的电气设备；(4)主要开关设备必需具备电动操作功能，保证集中控制和自动控制的功能需要。,23,(五)电气主结线,由变压器、断路器、隔离开关、母线等电气设备及连接导线组成的接受分配电能的电路。电气主结线反映变电所的基木结构和功能，在运行中，表达电能输送的分配的关系，成为实际运行操作的依据。,24,主结线形式分为单母线型主结线、双母线型主结线和桥型主结线。1单母线型主结线(下图)单母线型主结线特点如下：(1)结线简单，设备少费用低；(2)每一个回路均由断路器切断负载电流与短路电流，断路器两侧隔离开关可使断路器与电源隔离，保证维修人员安全作业(3)检修某一回路时，仪该回路停电，其他回路不受到影响(4)母线发生故障，全路停电。,25,26,3桥型主结线,采用两条电源进线和两台变压器，在电源进线间用横向母线及断路器或隔离开关连接。如果连接母线在变压器外侧，进线断路器内测时称内桥结线，桥接母线在进线断路器外侧的称为外桥纺线，见下图。,27,28,(六)主变电所,城市轨道交通供电系统中，由上一级供电区域获得高压(如110kv或220kv)电能，降压后以小高压电压等级(如35kv或10kV)向牵引变电所和降压变电所供电的一类变电所。为保证轨道交通牵引负荷一级用电需要，需设置2座或2座以上主变电所；两路电源进路，配置两台相应的变压器。如主变以不同电压等级向附近牵引变电所、降压变电所供电，主变可采用三相三线圈有载调压变压器。,29,(七)牵引变电所,由区域变电所或主变电所获取中压电压等级电能，经降压与整流变换为可供列车牵引用直流电。牵引变电所的容量与设置距离根据牵引供电计算结果，并作经济技术分析比较后确定。一般设置在车站和车辆段附近，相邻牵引变电所之间距离在2-4km。每座牵引变电所按其所需容量设置两组整流机组并列运行，任一牵引变电所发生故障时，由两侧相邻牵引变电所共同承担其间的全部牵引用电负荷。,30,牵引变电所的关键设备是整流机组，其中的整流元件由于较长时间流过超出允许值的电流而导致元件温度过高时，容易引起元件损坏和整流机组停止工作，为此须采取有效的过电流保护和降温冷却保护。过电流保护采用高速空气开关，这是一种断开速度极快的直流开关，其跳闸信号采用电流变化率，即在最大电流值出现前，根据电流量增加的速率提前给出跳闸信号，称为电流增量(AJ)保护法。降温冷却常采用风冷却，新的冷却方式采用氟利昂沸腾冷却，具有体积小，噪声小、冷却效果好等优点。,31,（八)降压变电所,城市轨道系统正常运行中，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、自动扶梯与升降电梯等动力设备，以及照明、通信信号设备等。这些设备一般均使用二相380v或单相220V交流电。降压变电所即是指区域变电所或主变电所输出的电压等级电压降压变成低压交流电，并通过配电所(室)分配给各种设备用电。降压变电所一般设在车站附近，既可对车站较集中的电器设备供电，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。,32,(九)变电所附属设备,1保护装置，2计量仪表(电压、电流等)；3蓄电池：事故照明和开关设备操作的电源(在交流电失去时)4阻燃性导线；5.灭火设备。,33,三、接触网,电能从牵引变电所输出，经馈电线、接触网到电动车组，再好走行轨或负馈电线(单轨车辆、自动导向系统车辆等)、回流线返返牵引变电所构成牵引供电回路、如下图所示。由于接触网是设备用设备又极易损耗的供电系统终端装置受环境和气候的影响较大，一旦设备损坏就会造成牵引供电中断，从而导致电动列车无法运行，线路运行停顿或秩序混乱，对轨道交通系统造成较大损害。因此，对接触网有较高要求。,34,(一)接触网的功能与要求,1功能将电能通过车辆受电设备(如受电弓、受流器)不断地送入电动车辆。2要求(1)在规定列车速度内，接触网导线(或第三轨)应始终与滑行的车辆受电设备保持可靠的接触，不间断地稳定可靠供电，不产生电弧火花；(2)接触网导线(或第三轨)与走行轨的相对位置应保持稳定；(3)接触网钉较均匀的弹性，适应车辆运动时振动力的影响(该振动力与速度成正比)；(4)具有良好的稳定性、耐磨性和耐腐蚀性能；(5)接触网结构应尽量简单，以保障施工和维修方便；(6)在气候变化时(主要是风力变化、气温变化时)，能保证高度、弹性与稳定性变化量达到最小。,35,(二)接触网结构类型,1接触轨式(又称第三轨供电方式)在走行钢轨一侧设置附加的第三轨，电动车辆安装在底部或侧面的受流器(极)与第三轨接触受电，受流器也可称为接触靴。接触轨供电可分为上磨式和下磨式，见下图所示。,36,上摩式优缺点：固定方便，接触效果好，但加防护罩不易，接触轨面易污染，无防护罩的带电接触轨(一般均在650750V)对工作人员：对工作人员安全有极大的威胁。下摩式的优缺点正好与上磨式互补。接触轨供电方式的特点：由于利用隧道下部侧面安装接触轨供电设备，从而使地下隧道净空高度较低，供电接触网结构简单，造价低，维修易；但其缺点十分明显：人身安全与防火条件均较差，且难以与地面架空式接触网供电的轨道交通线衔接。第三轨供电一般采用直流电压为750V及其以下的较多。,37,2架空式,架空式接触网架设在轨道交通线路上方，电动车辆顶安置受电弓与接触网的导线相接触受电。架空式接触的悬挂类型大致为三种：简单悬挂，链形悬挂、刚体悬挂。不同的类型其电线粗细、条数、张力都是一样的。架空线的悬挂方式，要根据换线区的列车速度、电流容量等输送条件以及架设环境进行综合勘察来决定要采取什么方式。架空式接触网分为地面架空式和地下架空式,38,接触悬挂：由承力索、吊弦、接触导线组成；直接与受电弓接触，并能保持良好接触性能支持系统：由腕臂、拉杆和绝缘子组成，支持接触悬挂；定位装置：由定位器和定位管组成，保证接触导线与受电弓的相对位置在规定范围内支柱和基础：承受接触悬挂和支持定位装置的负荷，固定接触悬挂高度，见下图。,(1)地面架空式接触网组成,39,(2)接触悬挂的悬挂参数,路距L：架空式接触网的跨距即相邻支柱悬挂点间的水平距离。弛度f：在跨距中间位置处，接触导线与相邻悬挂点水平连线的间距；接触导线的跨距和弛度的关系见图4-42。张力T：接触导线所受的拉力。温度t：架空接触网所在地区气温。(5)接触悬挂参数T，t,f之间的关系由下图曲线表达。气温变高，张力下降，但弛度增大。,40,(3)接触悬挂方式简单悬挂：导线直接固定在支持装置上。结构简单，投资省，维修简单。但弛度大，不易调整，弹性不匀，行车速度受限，见下图。,41,链形悬挂：可分为简单链形悬挂与弹性链形悬挂两种，见下图所示。链形悬挂由于接触导线通过吊弦固定在承力索上，增加了悬挂点，从而减小了弛度，提高了弹性和稳定性行车速度可望获得较大提高。,42,(四)供电方式和电分段,1供电方式牵引变电所通过接触网向电动车组供电，每个牵引变电所负责向其两侧区间供电，如果供电距离过长，牵引电流在接触网上的电压降就会很大，导致末端电压过低及电能损耗过大，直接影响电动车组运行；如果供电距离较短，牵引变电所的数量就较多，投资随之增加。供电距离的确定与接触导线截面面积有关(输送电阻)，也同接触网供电方式紧密相关。,43,如上图所示，接触网在相邻两个牵引变电所中部断开，成两个供电分区，每个供电分区称为一个供电臂。如果电动车组仅从所在供电劈上的牵引变电所获得牵引电能，称为单边供电。如果在其间断开处设置开关并使其联通，则电动车组可同时从两个牵引变电所获得牵引电能、称为双边供电。单边供电的优点是故障影响范围小，牵引变电所保护较简单；其缺点是电动车组所需牵引电能全部由一边流过接触网，电压降和电能损耗必然较大。双边供电则正相反。为此，正常运行时采用双边供电从而减小接触网电压降和电能损耗；在某一牵引变电所故障时，可由其相邻两侧牵引变电所组合成临时单边供电。,44,2电分段,通过设置隔离开关使接触网分成若干供电分段，是保证供电可靠性与灵活性的措施之一。当某一供电分段发生故障或检修时，可打开相应分段的隔离开关，使故障与停电检修范围缩至最小，同时又不影响其他各段接触网的正常供电。电分段可分为纵向分段和横向分段两种。前者是沿线路方式作分段，如车站和区间之间、区间中的分段等。后者是线路之间作分段，如上下行线路之间。电分段隔离开关的设置位置应考虑操作方便，利于实现集中操作，如设置在车站或变电所附近。,45,动力照明供电系统提供车站和区间各类照明、扶梯、风机、水泵等动力机械设备电源和通信、信号、自动化等设备电源，它是由降压变电所和动力照明配电线路组成的。动力照明供电系统由降压变电所及动力照明组成。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车站动力照明采用380/220V三相五线制系统配电。,动力照明供电系统,46,车站设备负荷分三类：一类负荷：事故风机、消防泵、主排水站、售检票机、防灾报警、通信信号、事故照明；二类负荷：自动扶梯、普通风机、排污泵、工作照明；三类负荷：空调、冷冻机、广告照明、维修电源。,47,电力监控系统（SCADA）的作用是保证在控制中心对供电系统的主变电所、牵引变电所、降压变电所的供电设备的运行状态进行监视、控制及数据采集。它由三部分组成：即设在控制