地铁供电系统设备要求

1、地铁供电系统第一节概述、地铁供电方式地铁的供电电源要求安全可靠,通常由城市电网供给。目前，国 内各城市对地铁及城市轨道交通的供电一般有三种方式，即分散供电 方式、集中供电方式、分散与集中相结合的混合供电方式。分散供电方式是指沿地铁线路的城市电网（通常是10KV电压等 级）分别向各沿线的地铁牵引变电所和降压变电所供电。其前提条件 是城市电网在地铁沿线有足够的变电站和备用容量，并能满足地铁牵 弓I供电的可靠性要求。如早期的地铁采取的就是这种供电方式。集中供电方式是指城市电网（通常是110KV或66KV电压等级）向地铁的专用主变电所供电，主变电所再向地铁的牵引变电所和降压 变电所供电，地铁自身组成完

2、整的供电网络系统。近几年新建的地铁 系统多采用集中供电方式，如XX、XX、XX地铁等。分散与集中相结合的供电方式是上述两种供电方式的结合，可充 分利用城市电网的资源，节约投资，但供电可靠性不如集中供电方式, 管理亦不够方便。集中和分散两种不同供电方式的上匕较如表1-3-1所示，分散与集 中相结合的供电方式优缺点介于两者之间。1 / 29表1-3-1地铁供电方式的比较供电方优 点式I供电可靠性高，受外界因素影响较 小；I主变电所采用110/35KV有载自动 调压变压器，并有专用供电回路，供 电质量好；I地铁供电可独立进行调度和运营管 理；集中供I投资较大。八检修维护工作相对独立方便； 电方式I可

3、提高地铁供电的可靠性和灵活 性；I牵引整流负荷对城市电网的影响 小；I只涉及城市电网几个220KV变电 站的增容改造，工程量较小，相对易 于实现。2 / 29I因同时受110KV和10KV电网故障影响，故受外界因素影响较多；1 10KV电网直接向一般用户 供电，引起的故障几率大，可靠 性较低；1与城市电网的接口多，调度1投资较小；分散供和运宫管理环节增多，故障状态I便于城市电网进行统一规划和管下的转电不方便；理。1牵引整流机组产生的高次谐波直接进入:LOKV电网对其他用户的影响较大；I要求城市电网的变电所应 具有足够的备用容量，以满足地 铁牵引供电的要求；涉及较多 110KV变电站的增容改造，

4、工程 量较大。对于某一城市究竟应采用哪种供电方式”需要根据地铁和城轨交 通用电负荷并结合该城市电网的具体情况进行分析。若该城市的电力 资源缺乏，变电站较少，采用分散供电方式时由于需要新建多个地区3 / 29 变电站而使投资增大，在此情况下采用集中供电方式就比较合适。该 供电方式具有管理方便、供电可靠性相对较高等优点。若城市的电力 资源较丰富，沿地铁和城轨交通线路的地区变电站较多且容量也足够 给地铁和城轨交通供电,则采用分散供电方式可节约建设资金。当城 市电网的情况介于上述两种情况之间时，可考虑采用分散与集中相结 合的供电方式。由于我国目前大多数地铁和城轨交通均采用集中供电方式，故本 文将以集中

5、供电方式为主介绍地铁的供电系统设备。二、中压供电网络的电压等级国外地铁和城市轨道交通的中压供电网络一般有33KV、20KV、10KV三个电压等级。国内现有地铁和城市轨道交通的中压供电网络 有35KV、33KV、10KV电压等级。和XX的地铁和城市轨道交通的 中压供电网络采用了 10KV电压等级;XX地铁1号线的中压供电网 络中牵引供电网络采用33KV电压等级、动力照明供电网络采用 10KV电压等级；XX地铁1号线的中压供电网络采用了 33KV电压 等级;XX地铁1、4号线和XX地铁南北线的中压供电网络均采用 35KV电压等级。我国电力系统并未推荐过使用33KV电压等级,XX、 XX地铁采用此电

6、压等级有其特殊历史原因。其他城市很少采用。不同电压等级的中压供电网络有不同的特点:4 / 29(1) 35KV中压供电网络：输电距离和容量大、电能损失小、 设备可实现国产化，但设备相对体积大、产品价格高、国内无环网开 关柜。目前国内城市配电网拟取消35KV电压等级，但国内地铁和城 市轨道交通的中压供电系统仍在使用。(2 ) 20KV中压供电网络：输电距离和容量适中、电能损失较 小、设备可完全实现国产化、设备体积小、产品价格适中、国内有坏 网开关柜。国外地铁和城市轨道交通大量采用，但国内地铁和城市轨 道交通尚未使用此电压等级。(3 ) 10KV中压供电网络：输电距离和容量小、电能损失大、 设备可

7、完全实现国产化、设备体积小、产品价格低、国内有环网开关 柜。国内城市配电网大量使用，部分国内地铁和城市轨道交通也使用 此电压等级。表1-3-2不同电压等级的中压供电网络的比较序项目35KV20KV10 KV1输电容量大中小2输电距离大中小3电能损耗小较小大4设备价格高中低5设备国严化国产国产国产5 / 296设备体积及占地中小面积大7国内生产坏网柜无有有国内城市电网应8用拟取消有，很少广泛应用国内地铁及城轨9应用有无有1适用标准国家标国际标准国家、国0准际标准中压供电网络既可采用牵引和动力照明同用一个供电网络的方 案,即牵引动力照明混合网络；也可以采用牵弓I和动力照明供电网络 相对独立的两个供

8、电网络方案，即牵弓朕电网络、动力照明供电网络。 由于电费在地铁和城轨交通的运营成本中占很大比例，从长远的角度 考虑,中压供电网络宜选择较高的电压等级，亦即35KV或20KV为 优选方案。三、地铁供电系统的组成地铁供电电源通常取自城市电网,通过城市电网一次电力系统和 地铁供电系统实现输送或变换撚后以适当的电压等级供给地铁各类 设备。6 / 29根据用电性质的不同,地铁供电系统可分为两部分:由牵引变电 所为主组成的牵引供电系统和以降压变电所为主组成的动力照明供 电系统。牵引供电系统主要由主变电所、牵引变电所、接触网、电力监控、 供电缆网等组成。提供地铁车辆的牵引动力电源。动力照明供电系统主要由降压

9、变电所、低压母线排、配电设备、线缆、用电设备等组成。提供地铁机电设备动力电源和照明电源。此夕卜,还应设置地铁应急电源系统，如小型发电机、EPS电源、 UPS电源等。四、牵引供电系统的制式城市轨道交通和地铁的牵引供电系统通常均采用较低电压 的直流供电制式，主要原因是：(1)由于直流制供电无电抗压降，因而比交流制供电的电压损 失小；(2 )电网的供电X围(距离)、电动车辆的功率都不大，均不 需太高的供电电压；(3 )城市轨道交通和地铁的供电线路都处在城市建筑群之间， 供电电压不宜过高，以确保安全；7 / 29(4 )直流制供电的对象，即早期使用的直流牵引电动机W近期 采用的变频调速异步牵引电动机均

10、具有良好的起动和调速特性，可充 分满足电动车辆牵引特性的要求。基于上述原因，世界各国城市轨道交通的供电电压均在 550 1500V之间，其中间档级很多，这是由各种不同交通形式、不 同发展历史时期造成的。现国际电工委员会拟定的电压标准为： 600V、750V、1500V三种，后两种电压为推荐值。我国国标亦规定 为750V和1500V ,不推荐600V电压等级。我国地铁采用的是750V直流供电电压，XX地铁、XX地铁、 XX地铁等均采用的是1500V直流供电电压。究竞应选择哪种电压等 级，这涉及供电系统的技术经济指标、供电质量、运输的客流密度、 供电距离、车辆的选型等。必须根据各城市的具体条件和要

11、求，通过 综合技术决定。近年来,由于交流变频调速技术的发展，车辆的牵引电动机 已逐步采用结构简单、运行可靠、价格低廉的鼠笼式交流异步电动机 替代原先的直流电动机。在城市轨道交通中采用交流变频调速异步牵 引电动机是一项新技术，也是牵引动力的发展方向，具有非常广阔的 发展前景。通常采用的交直交(ACDCAC )变频调速方式， 尽管在电动车辆上采用的是交流异步电动机，但其接触网架线供电电 压还是直流的。从供电的角度分析，仍然还可认为是属于直流供电制 式的扩大运用X畴。第二节牵引供电系统、牵引供电系统的组成图1-3-1表示地铁和城轨交通牵引供电系统的各组成部分的 示意图。发电厂升压变压器升压 变压器发

12、电厂主变电所（降压）牵引变电所整流装置车辆电力网馈电线接触网回流线轨道车辆接触网图1-3-1牵引供电系统示意图9 / 29图中，从发电厂（站）经升压变压器、高压输电网、区域变 电站至主变电所，通常被称为一次（夕卜部）供电系统。主变电所 可以由电力系统部门直接管理（如采用分散式供电的情况）,也可归 属于地铁或城市轨道交通单位管理（如采用集中式供电的情况）。主变电所（属于地铁或城市轨道交通单位管理时）、牵引变 电所、整流装置、馈电线路、接触网、走行轨道、回流线等统称为牵 引供电系统。城市电网的三相高压交流电110KV （或220KV ）经 主变电所降低为10 35KV作为牵引变电所的进线电氐牵引变

13、电所 再将10 35KV电压变成适合电动车辆应用的低压直流电。馈电线将 牵引变电所的直流电输送至I沿车辆走行轨架设的接触网（或接触轨） o电动车辆通过其受流器与接触网（或接触轨）的直接接触而获得 电能。走行轨道构成牵弓I供电回路的一个组成部分，回流线将轨道回 流返回牵弓|变电所。二主变电所1、概述地铁主变电所将城市电网的高压110KV （或220KV ）电能 降压后以35KV或10 KV的电压等级分别供给牵引变电所和降压变电 所。为保证供电的可靠性，地铁线路通常设置两座或两座以上主变电 所。主变电所由两路独立的电源进线供电，内部设置2台相同的主变 压器。根据牵引负荷和动力负荷的不同情况，主变压

14、器可采用三相三10 / 29 绕组的有载调压变压器或双绕组的变压器。采用有载调压变压器在电 源进线电压波动时二次侧电压维持在正常值X围内。主变电所为地铁线路的总变电所，承担整条地铁线路的电力 负荷的用电。(1)可根据负荷计算确定在地铁线路上设置的主变电所数量。(2 )每座主变电所设置2台主变压器，由城市电网地区变电站 引入两路独立的110KV专用线路供电，两回路同时运行，互为备用， 以保证供电的可靠性和供电质量。进线电源容量应满足远期时其供电 区域内正常运行及故障运行晡况下的供电要求。(3)低压35 KV侧采用单母线分段接线,两段母线间设母联断 路器，正常运行时母联断路器打开。(4 )正常运行

15、时每座主变电所的两路110KV电源和2台主变 压器分列运行。通过35KV馈出电缆分别向各自供电区域的负荷和动 力照明负荷供电。2、主变电所的主要设备()主变压器高压侧电压为110KV ,低压侧电压为35KV (或10KV )。11/29主变压器容量应能满足正常运行时，每台变压器容量承担其 所供区域内的全部牵弓I负荷和动力照明的供电。当发生故障时，应满 足如下条件：(1) 当一台主变压器发生故障时，另一台主变压器应能满足该 供电区域高峰小时牵引负荷W动力及照明一、二级负荷的供电。(2 )当一座变电所因故解列时,剩余主变电所应能承担全线的 动力和照明一、二级负荷及牵引负荷。主变压器容量的选择应考虑

16、近期实际负荷和远期发展的需 求。单台容量大约在20MVA40MVAX围，主要考虑相邻变电所 故障解列时应满足向该段牵引负荷越区供电的要求。(二)110KV GIS组合电器主变电所采用110KV全封闭六氟化硫组合电器设备,SF6 气体绝缘的金属封闭开关设备，简称GIS(Gas InsuLated metaL-encLosed Switchgear)o GIS是由各种开关电器：断路器 GCB、隔离开关DS、接地开关ES、母线、现地汇控柜LCP以及电 流互感器CT、电压互感器VT和避雷器LA等组成的电力设备，具有 结构紧凑、抗污染能力强、运行安全、夕卜型美观、设备占用空间小等 特点。主要技术规格如下

17、：(1)额定电压：110KV12 / 29(2)最高工作电压:126KV(3) 额定绝缘水平：0额定雷电冲击耐受电压(峰值)：相对地650KV断 口 650+100KV (隔离开关)断口 650KV (断路器)0额定1分钟工频耐受电压(有效值)：耐受电压275KV断口 315KV (隔离开关)断口 275KV (断路器)(4) SF6气体零表压时耐受电压(相对地):1.3*126V3 KV (5min )(5) 局部放电量(1丄倍相电压下)0气隔绝缘子：小于3 PC0整体GIS :小于10PC(6) 额定电流:2000A(7 )额定热稳定电流及持续时间：40KA/3S(8 )额定动稳定电流:1

18、00 KA13 / 29(9 )额定频率：50HZ(10) 相数：3(11) 断路器操动机构和辅助回路的额定电压：直流220V(三)主变电所二次设备(1)主变压器保护0 SR745数字式变压器管理继电器，用于变压器保护、控制、 接口、测量和监测。可实现以下功能：I主变内部故障时的纵差保护，保护动作跳主变两侧;I SR745低压侧过流元件和MIV电压继电器配合,组成低压侧 复合过流，依次跳本侧及主变两侧；I按负荷起动风扇回路；I联跳电容器回路；丨用于2 #主变时，作主变及线路的纵差保护，动作跳主变两侧。0 MIF数字式馈线管理继电器(装于110KV侧)，用于主变压 器保护、接口、测量和监测。可实

19、现以下功能：I同MIV电压继电器共同组成110KV复合电压过流保护，第一 时限跳本侧，第二时限跳两侧；14 /I同MIV电压继电器共同组成110KV零序过流方向保护，第一 时限跳本侧，第二时限跳两侧；I监视零序，保护动作经0.3 0.5S跳主变两侧;I过负荷保护，发信号及闭锁有载调压开关。0 MIV电压继电器，共2台：I 台装于110KV侧，实现：同MIF共同组成复合电压过流保 护，第一时限跳本侧，第二时限跳两侧;同MIF共同组成零序过流 方向保护,第一时限跳本侧，第二时限跳两侧;零序过压保护保护动 作经0.305S跳主变两侧。I另一台装于35KV侧，实现：利用SR745的过流保护功能共同组成

20、复合电压过流保护，依次 跳本侧及主变两侧。(2)线路保护配置L90线路差动继电器,实现线路保护要求。L90光纤纵差保护用于跳闸输出的A型继电器动作时间小于4ms, 用于信号输出的快速C型继电器动作时间小于0.6ms。15 / 29L90与电力监控系统的接口采用数字通讯方式，实现控制、监视、 测量和保护动作信号的数据交换。L90光纤纵差保护的3个通讯口， 可以独立或同时运行。L90具备完善的在线自检功能，在正常运行时 直进行自检，但不影响任何保护功能，如检出异常则发出告警信号 并闭锁保护。（四）环网电缆（110KV电缆，35KV电缆，1500V直流电缆）环网电力电缆选用低烟、低卤、低毒、阻燃电缆

21、;敷设于重要场 所的电缆则选用无烟、无卤、无毒、阻燃电缆。（1）敷设条件：布置于隧道（或地面）及变电所内电缆支架上 或敷设于地面电缆沟槽的电缆支架上，可敷设于可能短时积水的电缆 沟内。（2）材料要求:I电缆应具有低烟、低卤、阻燃等特性，部分电缆还应同时考虑 防水、防紫外线要求。I电缆的防水、防潮性能应满足：电缆样品在水中浸泡72小时 后，去除绝缘层外面的复合层后，用肉眼观察，绝缘层外表面应是干 燥的。I电缆燃烧时的阻燃性能、低烟或无烟、无毒性能应满足相关规 定的技术要求。16 / 29I电缆具有防白蚁性能，按照GB/T2952.38电线电缆白蚁试验 方法中击倒法的规定进行测试，测试结果要求为：

22、KT50应不大于 250分钟。I电缆的绝缘电阻应满足GB12706-1991的规定。交联聚乙烯 绝缘在最高额定温度下，绝缘电阻常数Ki应不小于3.67MQ-kmo(3) 电缆敷设要求地铁电缆种类多、数量大、敷设空间条件恶劣。电缆敷设是否达 到要求,不仅影响供电系统的可靠性，而且还影响故障发生率和事故 X围。I上下行环网电缆分别敷设在线路两侧,电缆支架上的电缆按电 压等级由高到低分层敷设以减少相互间的干扰,特别是电力电缆与弱 电电缆应保持0.5米的间距要求。I变电所电气设备多、相互间连线密集,因此应在设备室下设置 电缆夹层以便于电缆敷设。电缆夹层设置进人孔，其位置和数量应满 足电缆敷设和后期运营

23、维护的要求。I在车辆段、停车场内，电缆采用在电缆沟内敷设方式，由于车 辆段、停车场的管线多,设置电缆沟要注意与其他管线的协调。I在电缆敷设施工完成后，应严格封堵预留管、孑X洞，减少小 动物进入设备房造成事故的可能及控制火灾漫沿X围。17 / 29三、主变电所向牵引变电所供电的接线方式供电系统的安全性、可靠性是地铁正常运行的重要保证。为 此，牵引变电所均由两个独立的电源供电，考虑到地铁线路分布X 围广，通常需要在沿线设置多个牵弓I变电所。向牵引变电所供电的接 线方式有多种方式”现归纳成以下几种典型形式:1、环形供电接线方式主变电所1 主变电所2 牵引变电所 牵引变电所 牵引变电所 牵引变电所 地

24、铁轨道图1-3-3环形供电接线图优点：供电线路工作可靠。如果一个主变电所或一路输电线发生 故障，均不导致中断牵引变电所的工作。缺点:投资较大。2、双边供电接线方式18 / 29主变电所1牵引变电所1牵引变电所2牵引变电所3牵引变电所4主变电所2地铁轨道图1-3-4双边供电接线图优点：双路供电线路,每路均按输送功率计算，工作可靠。缺点:投资较大。3、单边供电接线方式主变电所牵引变电所1牵引变电所2牵引变电所3牵引变电所4地铁轨道图1-3-5单边供电接线图 优点：设备相对较少，投资小。19 / 29缺点:单边供电的可靠性不如环行供电和双边供电方式。为提高 可靠性，仍应采用双路输电线供电。4、幅射形

25、供电接线方式牵引变电所1地铁轨道主变电所牵引变电所2牵引变电所3图1-3-6幅射形供电接线图 优点：接线简单，投资小。缺点:若主变电所发生故障z则将全线路停电。实际应用时通常都是上述某些典型接线方式的综合，变配电接线 图的设计选择原则是：当供电系统中的某一个元件发生故障或损坏 时，它应能自动解列而不致破坏牵引供电。四、牵引变电所1、概述牵引变电所将地铁主变电所（或城市电网区域变电所）送来的35KV电能经过降压和整流变成车辆牵引所要求的直流电能。牵引变20 / 29 电所的容量和设置的距离是根据牵引供电计算的结果，并经过经济技 术分析比较后所决定的。变电所的间隔一般为23Kg牵引变电所按其所需的

26、总容量设置2组整流机组并列运行。沿线任一牵引变电所故障，则由两狈厢邻的牵弓I变电所承担其供电任务。2、牵引变电所的主要设备()牵引整流机组整流变压器与整流器单台变压器为六相12脉波整流变压器，两台变压器并联运行构成等效24脉波整流变压器。整流变压器的设计应与整流器相匹配,构成牵引整流机组。地铁采用两套12脉波整流机组匹配构成一套AC35KV/DC1500V等效24脉波整流机组。单机组12脉波整流电路由两个三相全波整桥并联组成。每台整流变压器的二次绕组有一个星形绕组和一个三角形绕组，分别向两个三相整流桥供电。因为整流变压器二次侧星形绕组和三角形绕组相对应的线电压相位错开30 ,于是可以得到两个三

27、相整流桥并联组成的12脉波整流电路。当供给两台12脉波整流器的整流变压器高压网侧并联的绕组分别采用7.5。外延三角形联接时，两套整流器并联运行即可构成24脉波整流。图1-3-8是12脉波电路及其矢量图。图1-3-8 12脉波整流电路及其矢量图21 / 29(1)电路特点:I各整流桥按顺序相互不干扰,当不考虑重叠角时各桥臂整流管的导电时间为，输出直流电流为二个并联桥整流电流之和。I各绕组线电压相位错开，直流输出电压波顶在时间上重合, 也错开 ，因此总的直流输出电压便有12相脉波。考虑到牵弓I负荷的特殊性，整流变压器与整流器应具有相应的过载能力,其过载能力应符合GB3859VI类负荷标准。(2)

28、整流器技术参数及性能特点:I额定频率:50HZI额定交流电压：1180VI直流标称电压：1500VI直流最高电压：1800VI 额定电流 1467A ( 2200kW ) / 2300A ( 3450kW )I直流空载电压1670VI整流器负荷性质:反电动势、再生I整流器负荷类型：切级(GB3859 )22 / 29100%额定负荷一一连续;150%额定负何-2小时;300%额定负荷-1分钟。I整流器耐压工频耐压:流器主回路对地、对辅助回路：5kV/lmin辅助回路和主回路应电气隔离，并能承受2kV/lmin冲击电压：12kV （标准冲击波1.2/50（jS ） oI整流器承受短路电流能力如表

29、1-3-3 :单台整流器应能承受由于直流侧短路而产生的短路电流的冲击。表1-3-3整流器承受短路电流能力整流器功率（kW ）22003450短路电流（kA , 2s ：2540流器额定功率损耗。表1-3-4整流器额定功率损耗整流器功率（kW）2200345023 / 29短路损耗（kW； 58（二）35KV交流开关柜35KV交流开关柜采用六氟化硫SF6气体绝缘开关柜，断路器采 用真空断路器。（1）主要技术参数如下：I额定电压：35KVI额定电流:1250AI动稳定电流（峰值）:63KAI热稳定电流（3S） : 25KA（2）额定绝缘水平：I对地、相间及普通断口工频耐压值:85KVI隔离断口间的

30、绝缘工频耐压值:95KVI对地、相间及普通断口冲击耐压值（峰值）：185KVI隔离断口间的绝缘冲击耐压值（峰值）:215KVI额定短路开断电流：25KAI额定关合电流（峰值）：63KA24 / 2I分、合闸机构和辅助回路的额定电压:DC220V（三）1500V直流开关柜直流开关柜采用户内式。直流进线柜及直流馈电柜采用手车式直 流快速开关，负极柜开关为手动隔离开关。主要技术参数如下:I额定电压：1500VI最高工作电压：1800VI 额定电流:3150A、4000A4、继电保护与测控装置微机继电保护装置采用多功能测控保护单元，并采用多CPU结 构方式，以实现监控、保护、通信等功能。（1）微机继电

31、保护装置应满足可靠性、选择性、灵敏性、速动 性的要求。（2 ） 35KV交流开关柜（XZ2型）采用REF542+和REL551智 能控制/保护单元。与电力监控系统（变电所综合自动化系统监控网 络）的接口采用数字通信方式，使用光纤接口或RS485接口，实现 控制、监视、测量、保护动作信号的数据交换，并可实现保护定值的25 / 29 修改和切换。通信规约应满足电力通信系统的通信接口要求，对前置 机的通信响应时间不大于1秒。(3) 各种微机型继电保护装置都应配置时钟元件，并与变电所 综合自动化系统实现时钟同步对时。所有输出的信息都带有时标(ms 级)并能上传。(4) 各种微机型继电保护装置的软硬件都

32、应采取必要的抗干扰 措施，实现高抗干扰性。(5) 应具有在线自检功能，同时监测硬件和软件，当检测到内 部故障即发出报警信号。(6) 各种微机型继电保护装置都应具有可靠的硬件闭锁功能， 以保证在任情况下不误动,只有在保护区内发生故障，才允许开放 跳闸回路。(7) 各种微机型继电保护装置都应具有自复位电路，因干扰而 造成的死机应能通过复位电路恢复正常工作。(8 )REF542+和REL551智能控制/保护单元所有的保护设定参 数、状态数据、实时时钟信号及其他主要动作信号均储存在非易失性 存储器中。在外部电源故障或失电时，上述各种数据、信号不应丢失。 并在外部电源恢复时，应能恢复其正常功能、重新正确显示和输出。26 / 29(9 )各种微机