城市轨道交通供电系统介绍

城市轨道交通供电系统110KV线路和主变电所或直接从电网引入电源的10KV电源系统将电源配至各车站、车辆段的中压网络给车辆提供直流牵引供电的牵引变电所和接触轨给动力和照明负荷供电的降压变电所和跟随所对供电系统内设施、设备实施监控的电力监控系统限制和监测杂散电流的杂散电流防护系统以及综合接地系统各车站、车辆段与综合基地、区间的低压配电和照明系统一、供电系统的组成1234567

供电系统的负荷分为两大类：一是车辆的牵引负荷，二是动力和照明负荷。针对牵引负荷，需要在轨道交通的沿线设牵引变电所；针对动力和照明负荷，需要在各车站、车辆段、停车场、控制中心以及其它有较大负荷的场所设降压变电所。牵引负荷按一级负荷设计。车辆的型式、编组、对数、速度等对牵引负荷的大小有很大的影响，车站是设在地下还是地面或高架对动力和照明负荷的大小有很大的影响。二、供电系统的负荷

动力照明配电系统用电负荷按其不同的用途和重要性分为一、二、三级负荷。一级负荷：应急照明、变电所操作电源、火灾自动报警系统设备、消防系统设备、消防电梯、地下站厅站台照明、地下区间照明、排烟系统用风机及电动阀门、通信系统设备、信号系统设备、电力监控系统设备、环境与设备监控系统设备、自动售检票系统设备、兼作疏散用的自动扶梯、屏蔽门、安全门、防淹门、排雨泵、车站排水泵。其中应急照明、变电所操作电源、火灾自动报警系统设备、通信系统设备、信号系统设备为特别重要负荷。二级负荷：地上站厅站台照明、附属房间照明、普通风机、排污泵、电梯、自动扶梯。三级负荷：空调制冷及水系统设备、锅炉设备、广告照明、清洁设备、电热设备。

各地根据自己的经验可能对一、二、三级负荷作局部的调整。二、供电系统的负荷

供电系统按是否设置地铁专用的主变电所分为集中供电和分散供电。集中供电从电力系统引入110KV电源，经主变电所降压成35KV或20KV、10KV后通过中压环网分配给地铁各站、段。

三、集中供电和分散供电

分散供电不设主变电所，直接从城网引入10kV（或35kV）电源，经开闭所配给地铁各站、段。其要求的电源点多，与电力部门接口较多。

三、集中供电和分散供电商城开闭所停车场开闭所小红门开闭所荣昌街开闭所垡渠路开闭所亦庄火车站开闭所

由于城网采用10kV供电，分散供电时在城市引入的是10KV电源，在郊县农网区域，也可以引入35KV电源。分散供电的电源，特别是从农网引入的电源，可靠性被认为较低。

三、集中供电和分散供电

采用集中供电时，在某些情况下少设1座主变电站时，在非正常供电条件下可能有几个站的供电质量得不到保证，如果增设1座主变电站则又很浪费，此时可采取局部分散供电方式，从城网（或农网）引入10kV或35kV电源给局部线路供电（这部分中压网络保持独立）。这样的电源供电方式称为混合供电方式。三、集中供电和分散供电会展中心二七广场国基路线路主变电所1号线1期二七广场、会展中心2号线1期二七广场、国基路四、主变电所资源共享

1座主变电所的投资约1亿元，年运营费约200万元。1座主所给2～3条线供电，实现资源共享，能够节约大量投资和运营费用。主变电所主接线图110KV电源线路采取电缆敷设方式。每座主变电所均引入两路110KV电源，设置两台主变压器。采用线路变压器组接线，正常时两台主变压器分列运行。主变电所均采取全户内布置，并在房顶预留滤波和电容补偿的场地。五、主变电所设计

征地困难时，主变电所也可以放在地下，地面上只有楼梯口和通风口。主变电所也可以与城市110kV变电站合建，节约110kV线路投资和减少用地。每公里110kV电缆线路的投资约500～600万元。五、主变电所设计

国标规定了两个直流牵引供电的电压等级：DC750V和DC1500V。地铁车辆早期常采用直流电机作为动力，直流电机笨重而且电刷容易损坏。随着电子技术的发展，本世纪开始中国的地铁也采用交流电机作为动力，使用具有VVVF控制技术的直交车辆，在车辆上将直流电变成三相交流电来驱动交流电机。六、直流牵引电压和车辆

广州地铁四号线在国内首先采用了直线电机车辆，随后的广州地铁五号线、六号线以及北京地铁机场线均采用直线电机车辆。

六、直流牵引电压和车辆

我院与北京交大在该校《城市轨道交通列车运行模拟计算》软件的基础上，结合已建成的城市轨道交通实际运行工况，对该软件运行控制模式进行了优化升级，补充了节能运行模式。列车运行模拟

牵引供电仿真模拟软件包简介七、牵引供电仿真及牵引变电所布点

我院与西南交大联合开发了《城市轨道交通牵引供电及接触网系统仿真软件》，该软件可根据列车运行模拟结果、建立全线牵引供电系统模型，动态扫描全线列车运行状况，计算出供电网络各种电气参数。最近，我院又从德国引进了一套供电计算软件，大大提高了我院交、直流牵引计算的准确性。牵引供电网络仿真模拟

牵引供电仿真模拟软件包简介七、牵引供电仿真及牵引变电所布点

亦庄线正线共设置12座牵引变电所，车辆段和停车场分别设置1座牵引变电所。返回七、牵引供电仿真及牵引变电所布点武汉地铁二号线一期共设15座牵引变电所，分别位于金银潭、常青花园、金色雅园、范湖、航空路、循礼门、江汉路、积玉桥、螃蟹甲、洪山广场、石碑岭、广埠屯、杨家湾和光谷广场。常青花园车辆段及综合基地单独设1座牵引变电所七、牵引供电仿真及牵引变电所布点亦庄线采用DC1500V架空接触网供电方式，正线设置7座牵引变电所。武汉地铁二号线一期共设15座牵引变电所，分别位于金银潭、常青花园、金色雅园、范湖、航空路、循礼门、江汉路、积玉桥、螃蟹甲、洪山广场、石碑岭、广埠屯、杨家湾和光谷广场。常青花园车辆段及综合基地单独设1座牵引变电所。七、牵引供电仿真及牵引变电所布点各车站、车辆段与综合基地、控制中心均设置1座降压变电所，车辆段以及规模较大的车站还需要设置跟随式降压变电所所。

在有牵引变电所的车站、车辆段，牵引变电所和降压变电所合建成牵引降压混合变电所。

长大区间的风井处还需要设置跟随所，区间跟随所一般放在地面，往往采用箱式。八、降压变电所的布点

牵引降压混合变电所、降压变电所35kV侧采用单母线分段接线方式，两段母线间通过母联断路器相联。两套整流机组接在同一段母线上。九、典型牵引降压混合变电所主接线

九、典型降压变电所主接线

车站变电所应尽量设置在站台层，变电所下面应设电缆夹层。车站变电所布置时，应保证变电所用房的长、宽和净高满足要求。车站变电所布置时，应保证引入、馈出电缆径路的顺畅。车站变电所布置时，应考虑大型设备的运输通道。

基本要求十、车站变电所的布置

南四环站混合变电所设备布置平面图

十、车站变电所的布置商城站混合变电所设备布置平面图

十、车站变电所的布置十、车站变电所的布置序号被保护单元名称保护装置类型保护功能配置1环网进出线导引线差动保护或电流选跳保护装置导引线差动保护或电流选跳保护电流保护装置过电流保护零序过电流保护失压延时保护2整流机组电流保护装置电流速断保护过电流保护零序电流保护整流变压器过负荷保护整流变压器温度保护（变压器内部保护）整流器二极管保护（整流器内部保护）整流器交、直流侧过电压保护（整流器内部保护）整流器温度保护（整流器内部保护）（一）中压保护的配置返回十一、继电保护的配置序号被保护单元名称保护装置类型保护功能配置3配电变压器电流保护装置电流速断保护过电流保护零序电流保护过负荷保护温度保护（变压器内部保护）4母联电流保护装置过电流保护零序电流保护十一、继电保护的配置（一）中压保护的配置直流进线大电流脱扣保护（断路器本体保护）逆流保护直流馈线大电流脱扣保护（断路器本体保护）电流速断保护过电流保护dI/dt+ΔI保护低电压保护热过负荷保护双边联跳保护每个牵引变电所设一套框架泄漏保护装置十一、继电保护的配置（二）直流侧保护的配置

内容项目瞬时保护短延时保护长延时保护0.4kV进线√√√0.4kV母联√√

0.4kV馈线√

√电容补偿柜√

十一、继电保护的配置（三）400V侧保护的配置十二、接触网接触网需要敷设在地面及高架区段、地下区段和车辆段、停车场等所有需要电化的线路上。高架桥和隧道常采取的三种施工工法：

1、矿山法（马蹄形隧道）

2、明挖法（矩形隧道）

3、盾构法（圆形隧道）十二、接触网接触网分为架空接触网和接触轨（三轨）。架空接触网分为柔性悬挂和刚性悬挂。

架空接触网分为柔性悬挂和刚性悬挂。洞外一般采取柔性悬挂，洞内一般采取刚性悬挂，但车辆速度较高时，洞内也采取柔性悬挂。架空接触网的供电电压一般采用DC1500V。十二、接触网接触网分为架空接触网和接触轨（三轨）。架空接触网分为柔性悬挂和刚性悬挂。

接触轨按其接触面分为上部接触、下部接触轨和侧部接触。国内以前采取上部接触方式，从武汉一号线开始采取下部接触方式。侧部接触采取四轨回流，三轨和四轨可以共用支架。接触轨一般采取DC750V授电，但广州和深圳地铁的某些地铁线路采取DC1500V授电。接触轨以前采用低碳钢接触轨，从武汉一号线开始，采用载流量大、自重量轻的钢铝复合接触轨。十二、接触网接触网分为架空接触网和接触轨（三轨）。架空接触网分为柔性悬挂和刚性悬挂。上海地铁三号线上海地铁五号线十二、接触网国外某城市地铁武汉轨道交通一号线十二、接触网架空接触网和接触轨（三轨）的特点表现在投资、景观、可靠性和人身安全上，穿过城区的高架线路，最好用接触轨。十二、接触网地下区段的架空刚性悬挂十二、接触网侧部四轨回流线路中间四轨回流橡胶轮胎系统四轨回流十三、限界和线路上的供电设施区间单洞架空接触网车辆轮廓车辆限界设备限界车辆轮廓车辆限界设备限界直线地段双跨矩形隧道建筑限界图（接触轨）十三、限界和线路上的供电设施双线马蹄形隧道建筑限界图（接触轨）十三、限界和线路上的供电设施地上区段双线建筑限界图（接触轨）十三、限界和线路上的供电设施地下岛式车站建筑限界图（接触轨）十三、限界和线路上的供电设施地下侧式车站建筑限界图（接触轨）十三、限界和线路上的供电设施控制中心综合监控系统（含电调）车站级综合监控系统控制信号盘主变电所综合监控系统范围系统范围电力监控牵引所和降压所接触网开关供电复示系统杂散电流监测终端杂散电流监测系统电力监控系统分级监控示意图

电力监控系统作为控制中心综合监控系统的一个子系统，通过专用通信数据通道以及各被控站的变电所综合自动化系统，实现对全线供电系统和供电设备的监控和数据采集，并将杂散电流监测系统的数据传递到供电维护管理部门。十四、电力监控系统（SCADA）

变电所综合自动化系统采用分层、分布式系统结构，系统由站级管理层、网络通信层和间隔设备层三部分组成，完成对变电所的控制、监视、测量、保护、所内自动化管理及远程通信等功能。十四、电力监控系统（SCADA）

在直流牵引供电中，常利用走行钢轨回流，这就不可避免地有少量电流从钢轨流入到地中，流入地中的这部分电流称为杂散电流，埋入地下的结构钢筋和金属管线是杂散电流的良好通路。杂散电流在流经的金属导体上形成阴极区和阳极区，产生电化学腐蚀（腐蚀电池）。十五、杂散电流腐蚀防护接触网牵引所牵引所降压所隧道钢筋道床钢筋钢轨

形成电化学腐蚀必须具备的基本条件：

1、要有阴极、阳极和电位差；

2、要有电解质（离子通路）；

3、要有电子通路。杂散电流腐蚀防护主要针对条件1进行，以减小杂散电流的大小，采取的措施主要有：

1、保证回流畅通；

2、隔离（堵）；

3、排流（排）

4、监测杂散电流的大小（测），采取补救措施。针对条件2则要求保证道床干燥，这也可以限制杂散电流的泄漏。十五、杂散电流腐蚀防护1、保证回流畅通（1）在轨缝、道岔处焊接连接电缆，电缆具备足够的截面。（2）短轨焊成长轨时，焊轨处的电阻应满足条件。以上措施也提高了网压。十五、杂散电流腐蚀防护2、隔离（1）钢轨与道床钢筋的隔离；（2）道床钢筋与结构钢筋的隔离；（3）地下结构钢筋与接地网的隔离；（4）正线与段、场线的隔离，段、场内库内与库外的隔离；（5）引出地铁外管线的隔离。十五、杂散电流腐蚀防护单点绝缘电阻大于108欧，每公里的过渡电阻大于15欧。3、排流在道床内和地下结构内将道床钢筋和结构钢筋焊接成排流网，在牵引变电所处通过二极管将杂散电流引回牵引变电所。十五、杂散电流腐蚀防护道床钢筋接触网钢轨

排流是一把双刃剑。在牵引变电所，排流回路短接了负极和地网，提高了钢轨电位，从而增加了杂散电流的泄漏。很多专家不主张排流。4、监测在线路旁设置参比电极，测量道床钢筋和结构钢筋的极化电位是否高于0.5V，以判断钢筋是否处于钝化状态。通过排流柜，也可测量杂散电流的大小。十五、杂散电流腐蚀防护

监测的结果可以通过电力监控系统传送给供电维护管理部门。

十六、车站综合接地系统与钢轨电位的限制

在车站设置满足各系统、各设备接地的综合接地网。把全线各站的综合接地网通过接地扁钢（铜）连接起来，形成高低压兼容，强弱电合一的综合接地系统。由于车辆和钢轨处于同一电位，而钢轨与地绝缘，因此车辆与车站站台间可能出现超过人体承受的电压。为保护人身安全，每个车站在钢轨与地网之间设置钢轨电位限制装置，当钢轨电位超标时，短接钢轨与地网。

电阻型吸收装置主要采用多相IGBT斩波器和吸收电阻配合的恒压吸收方式，根据再生制动时直流母线电压的变化状态调节斩波器的导通比，从而改变吸收功率，将直流电压恒定在某一设定值的范围内，并将制动能量消耗在吸收电阻上。十七、再生制动能量吸收装置电阻型

电容储能型再生制动能量吸收装置主要采用IGBT逆变器将列车的再生制动能量吸收到大容量电容器组中，当供电区间内有列车起动、加速需要取流时，该装置将所储存的电能释放出去。连接单元变换器电容器S0

双极隔离开关 L1

线路电抗器 V2,R2

放电回路S1

直流快速断路器 C 直流连接电容器 CBank

电容器组R1,K1

预充电回路 L2

斩波电抗器R1

预充电电阻 V1

升压/降压变换器 K1 Pre-chargingcontactor L2 Chopperreactor 十七、再生制动能量吸收装置电容型

飞轮储能型能量吸收装置采用IGBT逆变器将列车的再生制动能量吸收到大容量飞轮电机中，通过高速旋转的飞轮来储存能量，当供电区间内有列车起动、加速需要取流时，该装置将所储存的电能释放出去并进行再利用。飞轮储能技术的进口受限。

十七、再生制动能量吸收装置飞轮储能型

近年来，国内一些公司也在开发PWM型逆变器。湘潭恒信的逆变器开始在一些地铁线路上被采用，由于担心可靠性达不到要求，该型逆变器还带有吸收电阻；许继公司的逆变器正在广州地铁四号线上挂网试运行，我们正在密切跟踪其试验情况。十七、再生制动能量吸收装置逆变型

逆变器有晶闸管型和IGBT脉宽调制型。晶闸管型的谐波含量较高，这是它不常被采用的原因。脉宽调制（PWM）型解决了谐波问题，但IGBT的价格很高，而且进口受限，国内也无应用。应用PWM