【上海轨道交通供电系统改进设计7300字（论文）】

上海轨道交通供电系统改进设计摘要从“十三五”规划实施至今，逐步推进城市化建设，地铁已经成为了人们出行的一种主要途径。为了保障人民群众的生活水平不降低，就必须要提高城市轨道交通线路运营质量和效率，其中最重要的就是做好地铁供电系统设计工作。地铁为直流制式，由于地铁所需电压不高，供电距离缩短，直流短距离内电压损耗降低。在此基础上，为了提高地铁的运营效率和安全性，必须要做好供电系统的规划设计工作。直流牵引供电系统是城市轨道交通系统中给列车供电的心脏，需确保电力的安全，可靠运行。在当前我国各大城市中都存在着大量的地铁项目，所以对于地铁供电系统的研究非常重要。本文以上海轨道交通十号线为例，综合设计其供电系统，由主变电所，牵引变电所、减压变电所，牵引网、对杂散电流腐蚀防护体系层面的系统分析，希望对轨道交通供电系统设计有借鉴意义。关键词：供电系统；轨道交通；直流牵引供电目录TOC\o"1-3"\h\u320431引言 148192轨道交通供电系统组成 219082.1高压供电系统 2295552.2牵引供电系统 3209362.3动力与照明供电系统 440973上海轨道交通十号线的供电系统设计 6187153.1主变电所 610713.1.1主变压器 668443.1.2开关设备 6202003.1.3直流电源设备 775193.1.4自动监控设备 7147783.2牵引变电所 7131423.3减压变电所 8267933.4牵引网 8306353.4.1接触网 9157123.4.2钢轨回路 9217593.4.3馈电线 9207633.4.4回流线 9236313.5杂散电流腐蚀防护系统 989014改善地铁供电系统运行的有效措施 1189884.1遵循三项原则 11171804.2应用智能化设备 11275215结论 1222231参考文献 131引言城市轨道交通采用直流牵引供电，是城市轨道交通得以正常运行的先决条件。随着我国社会经济的快速发展，人们对于出行的要求越来越高，城市轨道交通建设也得到了迅猛的发展。但是城市轨道交通直流牵引供电设备所面临的工作环境比较复杂，直流牵引供电设备对城市轨道交通的发展起着举足轻重的作用。以确保直流牵引供电设备能够正常运行，加强供电设备日常管理工作势在必行。在直流牵引供电设备的管理工作中，坚持以防为主，及时排查供电设备的日常运行，保证供电设备存在的问题能够及时的被发现，并得到解决，从而确保直流牵引供电设备平稳工作。城市轨道交通直流牵引供电分为电力机车牵引与车站段控制中心用电。由于城市轨道交通线路长，车辆多，列车密度大等特点，使得其发生故障概率较大。在城市轨道交通信息化水平日益提升的今天，要求直流供电系统稳定。城市轨道交通通常采用电流牵引供电与交流牵引供电。由于城市轨道交通具有线路长、运量大等特点，因此在采用电流牵引供电时需要考虑列车安全运行问题。直流牵引供电系统和交流供电系统相同，能够给城市轨道交通提供电力。相对城市轨道交通牵引供电系统而言，城市轨道交通牵引供电系统能够提供更稳定直流供电。由于其结构简单，可靠性高，维护成本低等优点，直流牵引供电系统在我国城市轨道交通中得到了广泛的应用。但直流牵引供电系统有其不足。直流牵引的供电电压比较高，通常为750V、1500V两种，轨道交通运量巨大，通常由1500V及架空接触网提供电源，轨道交通运输能力一般，一般采用750V和接触轨供电。直流牵引供电系统具有供电距离远的特点，但是供电时的线损很大，所以，直流牵引供电系统的施工费用很高，具有一定安全风险。由于直流牵引供电系统杂散电流与轨道周边金属不同，管道及通信电缆外皮在隧道中与铁皮反应产生腐蚀，减少基础设施使用寿命。随着城市轨道交通不断发展，地铁线路逐渐增多，而目前国内大部分地区仍使用传统的刚性基础形式，导致地下管线密集且复杂。软性混凝土极大地对城市轨道交通运行造成一定安全隐患。所以需要采用合理有效的方法来减少地铁车站以及线路的绝缘电阻，从而提高直流牵引供电系统的可靠性和安全性。在此基础上，本文将结合上海轨道交通十号线进行分析，设计并研究了它的供电系统。2轨道交通供电系统组成城市轨道交通供电系统包括外部高压供电与轨道交通内部供电两大部分。轨道交通内部的高压系统是指在地铁车站或区间内安装有牵引网、受流器以及辅助设备等电气设备，以实现对列车进行不间断地供电。图2.1是轨道交通供电系统的构成。轨道交通的外部高压供电是指从电力系统获取电能的一种方式。外部供电以轨道交通为主，即将变电所内配置的2台110kv、35kV主变压器集中供电。其中一台主变作为地铁车辆的电源，另一台主变作为列车上的辅助设备。通过发电厂产生电力，通过升压变压器，然后通过电力网输送到主降压变电站降到35kv以后，然后经牵引变电所降压整流，得到DC700/1500v直流电，通过馈线与接触网，传递给轨道交通。内部供电包括牵引供电系统与动力照明系统两部分。针对动力照明系统而言，其电压主要是为AC380/220V。该站以建立降压变电所为主，每台降压变电所内布置有2台动力变压器。2台动力变压器降压，然后将AC400V低压电可以通过动力照明配电系统向其供电范围内的站点和区间内的负载供电。图2.1轨道交通供电系统组成2.1高压供电系统轨道交通的外部供电方式（高压供电）包括：集中供电、分散供电与混合供电3种类型。国外在城市发展初期采用了集中化供电方式，随着城市化进程加快和社会经济的不断发展，逐渐出现了分散化供电的模式。其中国内多选择采用集中集中式的供电方式，以分散式供电为补充。集中供电方式为在轨道交通供电线路沿线布设专用主站，采用110kV高压供电，为在轨运行的内部系统提供电能，但是，城市电网需引进2路110kV或者35kV供电。当一条供电线路发生故障时，另一供电线路可以继续提供电能。图中采用集中供电方式，通常有三级电压制与两级电压制两种。图2.2集中式供电方式分散式供电就是将城市中压电源分散地引进，也就是区域变电所，向轨道系统提供电力，通常约10KV，可向各路牵引变电所及降压变电所双路供电。图2.3分散式供电混合式供电就是将上述2种供电方式混合构成，通常是主变电所，个别地区的牵引变电所、降压变电所等引入城市电网电源，起到辅助作用。2.2牵引供电系统牵引供电系统见图2.4。在铁路系统中，通常采用交流牵引供电方式。主要包括牵引变电所，牵引网等。其中变电所和配电变压器都与其它电气设备有密切的关系。包括主要降压变电所、直流牵引变电所，馈线，架空线路和跑道。其中，以电缆为主体的电力机车牵引网供电系统是目前世界上应用最为广泛的一种电力牵引网络。主要有变电所，架空线路等，它可以分为导体轨道与架空线路两大基本型式。牵引网供电系统是由电流系统组成、电压等级及供电方式等。为牵引变电所提供电能，有4种不同的接线方式，环形供电接线等，双边供电接线等，单边供电接线方式，辐射形的供电接线。每种供电接线都能满足牵引负荷要求，但对各种运行工况下的电网稳定性影响很大。在实际运用中，一般采用各种接线方式相结合的方式，为了使供电系统免受损坏。牵引变电所采用整流机组，对三相交流电进行整流，使之成为适当直流电，它的基本原理是三相半波整流，三相桥式整流及大功率供电整流等。其中整流机组又分为受流侧变压器与整流器两大部分组成。通过受流器接收架空接触网或者第三轨的电能，由车载变流装置为轨道交通牵引电动机提供动力，带动列车顺利行驶，然后从钢轨返回到牵引变电所的负极。图2.4牵引供电系统示意图2.3动力与照明供电系统轨道交通供电系统可以分为直流供电系统以及交流供电系统，其中，电源及照明系统通常为低压交流供电。电力照明系统包括降压变电所，电力照明等。（1）降压变电所以承担电力照明负荷，每个车站都要设下行变电所。由于受地形限制，一般不布置上行变电所。车站两端可设置牵引变电所、阶梯变电所。当变电站数量较多时，可以利用车站附近的供电线路作为电源点。如负荷大，牵引变电所，阶梯变电所可以置于车站一端。（2）动力照明电力照明系统采用380/220V三相五线制（TN-S制）配电。原则上为径向供电，阀杆供电可以根据单个负载进行审批。根据不同的应用场合选择相应的电压等级及电流输出形式，以满足各种用电设备对电力的需求。3上海轨道交通十号线的供电系统设计直流牵引供电系统是以主变电所为主、牵引变电所、减压变电所、馈电线、接触网、行走轨、回流线、杂散电流防护系统的构成。由于城市地铁是地下工程，其接地方式与其他类型的接地装置不同，因此对直流电源的要求也有所不同。3.1主变电所主变电所为电气化铁道提供动力，它使电力系统中的三相高压电经降压、转化为单相送至接触网，用于电力机车或者动车组的取流。由于接触网和受电弓都直接与大地相连，所以其供电系统一般均为三级负载。城轨用电是一级负荷，一定要确保不中断电源，所以，主变电所外部电源需使用2路独立高压电源。主变电所主要作用是从城市电网中接收110kv或者220kv高压电源，降压之后就是牵引变电所、降压变电所供的中压电源为10kv或者35kv。供电要求：2路独立电源进线供电，且2路电源同步工作，相互备用；进线上所有设备均需安装断路器。进线电源容量可以满足供电区域的正常工作和事故工作主要电气设备包括：主变压器，开关设备，直流电源设备，自动监控设备等。3.1.1主变压器实现降压及能量传送的主变压器等。对目前的国内行情而言，我国城市轨道交通主变电所实行一主一备（变压器），也就是热备用状态。2台变压器在正常运行情况下同步工作，各分担1/2的用电负荷。在事故运行状态下有以下几个方面的要求：1）在主变压器发生异常运行或失效的情况下，另一个主变压器要满足本供电区域内高峰时牵引负荷以及动力，照明等一级，二级负荷的用电要求。2）一个变电所因某种原因解列后，其余主变电所要能够担负全线动力与照明一级与二级负荷以及牵引负荷。3.1.2开关设备开关设备在痛断设备中占有重要地位，在主变电所可以分为高压侧开关设备与中压侧开关设备（高压侧110kv，中压侧35kv）。其中高压侧的高压开关设备主要用于对变电站内各系统进行控制及保护，而中压侧则主要用于向电网提供电能或输送无功功率。高压侧，我们通常使用110KV的全封闭六氟化硫组合式电气设备，六氟化硫气体绝缘金属封闭开关设备简称GIS，它包括例如断路器（GCB）等、现地面汇控柜（LCP）、隔离开关（DS）、母线、接地开关（ES）和电压互感器（VT）、避雷器（LA）、电流互感器（CT）以及其他构成的电力设备，装置占用空间少，结构紧凑，造型美观，操作安全、具有较强的抗污染能力等等。此外，除了母线采用三相共箱式结构，其余部分采用三相分箱。110kV侧GIS通常使用六氟化硫断路器、液压操动机构等。以降低变电所土建规模，中压侧开关设备（35kv）通常使用GIS，但是都采用三相风箱式，使用真空断路器，关于操纵机构，选用液压弹簧式或者弹簧储能式结构，三工位隔离开关与接地刀开关的使用。对于中压侧电压式35kv开关设备，可以采用空气绝缘金属铠装开关柜，在装置内安装了功能各异的隔室，手车有落地式的，也有中置式的。3.1.3直流电源设备直流电源设备具有以下功能：线路在正常工作的情况下，向其服务对象供给稳定直流电源，（类如监控设备、车站应急照明及紧急疏散标志）；以及给所述蓄电池充电；当蓄电池电压低于规定要求时，通过控制开关使其恢复到额定工作电压或设定范围内，以保证供电系统安全和可靠地工作。出现故障后，用蓄电池直流供电1~2h。3.1.4自动监控设备自动监控设备，用于对变电所内电气设备进行监控与控制，并且可以实现远程控制与数据采集。针对供电系统运行状态，自动切换自动切除电气设备及设施的故障，为了城市轨道交通供电系统安全运行、高效运行的保证。3.2牵引变电所牵引变电所作用：从城市电网或者城轨主变电送出35kv中压电，经降压、整流后转化为牵引供电需要的1500v直流电。牵引变电所主接线中装有高压受、配电系统（35kV）及直流受、馈电系统由两个部分组成（750V或1500V），其中整流机组（整流变压器一整流器组）可进行交、直流系统的转换。牵引变电所个数随直流牵引电压级别变化、牵引网中最大电压损失的允许值与其它诸多因素相关。在双边供电分区中部或单边供电分区末端存在最大电压损失允许值，这一数值能够确保列车的正常起动，因此，牵引变电所设计容量应满足长期高峰小时用电负荷。沿城市轨道交通布置牵引变电所，通常根据牵引供电结果及经济技术要求而进行，于是，沿线的几个站点和车辆段周边，每2~4km设变电所1座，每台变电所都装有两套整流机组。为确保列车安全运行，各牵引供电系统应保证不间断地供给足够大的功率以满足车辆对电能的需要。其好处如下：沿线任意举引变电所出现故障时，邻近两边牵引变电所可担负各自供电任务。牵引变电所的防护：（1）交流电源侧防护：有定时限保护（在设定了启动电流后，对定时时间进行设定），过流速断保护。（2）整流机组的防护：一次侧交流断路器进行全电流保护，对于瞬时过电流、定时限的过电流、过负荷等来保护。此外，整流变压器的瓦斯保护也是必要的、正母线接地，作短路保护、和过电压保护等等。（3）直流侧防护：快速空气开关防护，跳闸开关信号采用电流变化率（即在最大值出现之前，依据电流量增加的速率提前给出跳闸信号，这是一种过电流保护）。3.3减压变电所降压变电所具有以下作用：对于站点和线路区之间的功率、照明负荷以及通信信号电源供电。就牵引供电系统而言，降压变电所可并入牵引变电所构成牵引、降压的混合变电所，但多为分别设置。受环境条件制约和安全保障等方面要求，和供电对象均为列车牵引、一级负荷，如通信信号电源，因此均须维持不间断的供电，另外，还给予了另外两个、三级动力及照明负荷提供动力，故采用环形供电系统。环形供电系统网络下的直流牵引变电所、降压变电所（动力用电）及牵引、降压混合变电所在不间断供电情况下，还可实现变电所间互联网络，提高供电可靠性。3.4牵引网牵引网由接触网组成、轨道电路（包括大地）、馈电线与回流线之间存在较大范围，在城轨供电系统中，是为电动车组提供电能的直接纽带。3.4.1接触网接触网的主要设计内容有：接触悬挂、支持结构和基础，附加导线等、防雷和接地，平面布置等、接触网隔离开关和回流箱的设置等等。3.4.2钢轨回路“轨道”交通之所以区别于普通交通，就在于轨道交通车辆要在轨运行，轨道对运行于轨道中的汽车起导向作用，并起承载作用。用于牵引供电系统，用作牵引电流返回的回路。3.4.3馈电线馈电线功能为：将牵引变电所的电能引到接触网的导线。3.4.4回流线回流线功能为：用于将牵引电流回流至牵引变电所内负极。3.5杂散电流腐蚀防护系统当前，城市地铁普遍采用直流牵引供电方式。牵引变电所向列车供给必要的牵引电源，以及经由接触网向列车输送直流电，取走行轨做牵引电流回路，回到牵引变电所的负极。走行轨与地面之间必须有绝缘的作用，但是无法达到完全绝缘的效果，这样走行轨上就有电压降低现象，导致钢轨间电位差的产生，所以直流牵引电流不可能完全沿着走行轨返回牵引变电所的负极，部分泄漏至道床上，最后由道床泄流入大地，泄漏的电流值越大。回流电阻将增大，泄露出来的电流会比较大。该部分泄漏的电流若与沿线附近导电性能更好的埋地金属管线相遇，电流会选择电阻较低的径路做流通路径，电流由牵引变压所的正级开始，流过金属管线，终于由大地返回钢轨上，到牵引变电所的负极。这部分电流为杂散电流（迷流）。如图3.1所示，这就是杂散电流形成回路。图3.1杂散电流示意图杂散电流腐蚀防护系统主要作用在于降低牵引供电系统的溢散出电流，增强了轨道回路的绝缘性，避免迷流在城市和轨道线路周围金属管线上产生电腐蚀，且能检测迷流。4改善地铁供电系统运行的有效措施4.1遵循三项原则就地铁系统而言，部分日常设备系统，如电源系统、灯控系统和空调系统等，都要靠地铁供电系统提供电能，才能正常工作，并且在不同时段下，不同的系统供电需求是不一样的。比如，夏季空调系统供电需求高于其他季节；在冬天，灯控系统对于供电的要求要高于其它季节，夜间灯控系统供电需求高于日间。这就使得在实际工作中，往往会因为供电系统出现问题，导致地铁无法进行安全稳定的运行。因此在地铁供电系统的施工过程中，要把实际提供电源和所需电源统一起来，才能保证地铁供电系统安全，可靠地运行。而要想实现这个目标，需遵循如下3个原则：（1）安全性原则：地铁运营时，实际供电指数通常要求满足某种准则，如果小于电源标准指标，将造成地铁负电压运行，如果超过电源的标准指标，就易造成一定的安全事故，因此，标准指标的输送是非常必要的，从而保证运行安全；（2）效益性原则：节能是当代的重要课题，伴随着节能理念被应用到各行各业，地铁供电系统也要跟上时代的发展要求，积极采取多种节能措施等，严格遵循节能规定，重视低碳化和效益的提高；（3）智能性原则：适用于地铁供电系统各种供电设备，均须遵循在科学智能型，也就是说，由总开关同时控制其他开关，这是地铁系统未来的一个发展方向。4.2应用智能化设备在科技和信息技术高度发达的今天，地铁系统每年也都在向着运输智能化的方向迈进。当前我国地铁系统，系列智能灯控系统和智能办公化系统已逐步开始运用等等，但空间运输系统还较为单一，已经不能适应时代发展的需要。今后，便捷化和舒适化发展