城市轨道交通供电系统运行与维护课件：中压网络

中压网络13降压变电所内容提要中压环网系统牵引变电所2中压环网中压环网系统由牵引变电所、降压变电所、中压环网电缆，以及相应的二次设备等组成。中压环网系统将来自主变电所的电源通过中压网络输送到牵引变电所和降压变电所，牵引变电所变电后输送到牵引网供车辆使用，降压变电所变电后供机电设备和照明使用。中压环网城市轨道交通供电系统35kV采用分区制，每3-4公里供电范围划分为一个供电分区，每个供电分区由车站或车场的35kV牵引变电所、降压变电所和35kV环网电缆构成。每个供电分区中的第一座35kV变电所直接从110kV主变电所的两段35kV母线分别引入一回电源，形成该分区的双电源供电。供电分区中的第二座35kV变电所从第一座35kV变电所的两段母线分别引入一回电源，以此类推，构成35kV环形连接，即为35kV中压环网。

中压环网中压环网牵引变电所（TrackingSubstation简称TS）是电力牵引的专用变电所。城市轨道交通牵引变电所将中压环网送来的电能通过整流转换为DC750V或DC1500V直流电，然后送到沿铁路线的接触网，为车辆供电。

牵引变电所35kV侧采用单母线分段接线方式，并设置母线分段断路器。

每3个车站左右设置一个牵引变电所，且牵引变电所往往和降压变电所合设，称为牵引降压混合变电所。

2.1牵引变电所牵引变电所一次系统交流设备主要包括：牵引变压器(△/△/Y接线)、35kVGIS开关、35kV避雷器、35kV母线、35kVGIS开关、交直流电源等。牵引变电所一次系统直流设备主要包括：牵引整流机组、直流正负极母线、进线开关、馈线开关、负极柜、直流馈电线、接触网设备、回流线、均流线、单向导通装置、排流柜和钢轨电位限制装置等。

2.2.1牵引变电所一次系统

2.2.1牵引变电所一次系统1.牵引变电所一次系统牵引变电所35kV侧采用单母线分段接线方式，并设置母线分段断路器。两套12脉波牵引整流机组一次侧分别通过一台断路器接在同一段35kV母线上，并联运行构成等效24脉波整流。DC1500V/750V侧采用单母线接线方式。DC1500V/750V馈线开关采用直流快速断路器。正线牵引变电所设置4回DC1500V/750V馈线，分别向左右方向的上、下行牵引网供电。整流机组包括整流变压器和整流器，对于1500VDC，整流变压器35KV交流变为1180V交流电压，理论上整流输出直流电压是1180×1.414=1668V。而对于地铁1500V直流母线，正常电压范围是1000-1800V。

2.2.1牵引变电所一次系统

2.2.2牵引供电电气原理2.牵引变电所平面布置增加牵混所平面布置图电源从进线—35kvgis—变压器—整流器—钢轨--负极—整流器

2.2.2牵引供电电气原理2.牵引供电电气原理牵引供电指的是整流机组对牵引网的供电。牵引供电系统由牵引变电所和牵引网构成。牵引网是电力机车供电和取流的流通回路的总称，包括牵引变电所至接触网的馈电线、接触网、钢轨、回流导线。

2.2.2牵引供电电气原理2.牵引供电电气原理接触网向列车供电，电流经过车轮，流向钢轨。变电所接触网回流电缆电力机车电力机车电能流向接触网系统功能示意图变电所回流电缆绝缘锚段关节绝缘锚段关节

2.2.2牵引供电电气原理2.牵引供电电气原理牵引回流经钢轨（含钢轨连接电缆）、单向导通装置上下行均流电缆、回流电缆、流至牵引变电所负极柜，最终至牵引整流机组负极，构成闭环回路。其中，单向导通装置用于连接两段绝缘的钢轨，使得直流回路单向畅通。变电所接触网回流电缆电力机车电力机车电能流向接触网系统功能示意图变电所回流电缆绝缘锚段关节绝缘锚段关节

2.2.2牵引供电电气原理2.牵引供电电气原理钢轨虽然对地绝缘，但仍会有泄漏电流，称为杂散电流，杂散电流会腐蚀结构钢筋，因此在钢轨下方的土建结构里敷设有杂散电流收集网。杂散电流收集网通过排流柜接进负极柜，尽量减少杂散电流流向结构钢筋。轨道是直流系统的负极，牵引所中性点是直流接地点，从电路理论基本知识可以看出，离直流接地点越远，其轨电位越高。因此环网供电分区的末端的轨电位最高。轨电位过高会对乘客和运营人员的安全有直接影响，因此每座车站均设置钢轨电位限制装置，当轨电位高于120VDC（可调）时将钢轨直接接地。变电所接触网回流电缆电力机车电力机车电能流向接触网系统功能示意图变电所回流电缆绝缘锚段关节绝缘锚段关节

2.2.2牵引供电电气原理2.牵引供电电气原理牵引整流机组正极通过进线直流快速断路器、直流正母线、馈线直流快速断路器、电动隔离开关向牵引网分区供电，分为上下行的左右侧牵引网，供4个直流供电分区。

2.2.2牵引供电电气原理3.杂散电流防护

世界各国的城市轨道交通普遍采用直流供电制式，牵引电流通过轨道回流，由于钢轨与大地之间不是完全绝缘的，加上在污水、弓网及轮轨摩擦产生的金属粉尘等作用下，由钢轨回流的电流有一部分经由大地回流。这部分电流因大地土壤的导电性质，地下金属管线或结构钢筋的位置不同，可以分布很广，故称之为“杂散电流”。泄露到地下的这部分杂散电流会对沿线的建筑物钢筋、金属管线等造成腐蚀，给城轨的安全运行带来隐患。排流柜正是能有效的避免或减小这种隐患的专用设备。

排流柜安装在牵引变电所内，电气联接在排流网端子和整流器负极母排。其核心部件是排流二极管，使杂散电流从排流网端子单方向回流。

2.2.2牵引供电电气原理3.杂散电流防护排流柜结构与功能：排流柜主要由5个排流支路组成：两个主排流网排流支路，分别接上行、下行道床排流网引出端子；两个辅助排流网排流支路，分别接上行、下行侧壁排流端子；一个接地网排流支路，接直流接地网引出端子，接入负极柜。每条支路依电流方向依次设置直流快速熔断器、负荷开关、电流传感器、大功率可调限流电阻箱、自冷整流二极管。电流从二极管阴极流回牵引变电所负极柜。整流二极管并联有RC阻容吸收保护装置。在每条支路的首端和末端设置压敏电阻保护电路。

2.2.2牵引供电电气原理3.杂散电流防护排流柜工作原理：自动排流柜的限流电阻由两部分组成，一部分为阻值固定的限流电阻R1；另一部分为限流电阻的可调部分,由IGBT（绝缘栅双极型晶体管）与一电阻R2并联组成。根据驱动模块发出的不同占空比信号，使IGBT在高频状态下导通和关断,可使回路电阻在R1～R1+R2之间改变,实现对回路排流电流的自动调节。

2.2.2牵引供电电气原理3.杂散电流防护排流柜工作原理

2.2.2牵引供电电气原理4.单向导通装置排在城市轨道交通供电系统中，杂散电流对道床钢筋的腐蚀是一个大问题。单向导通装置作为一种防止杂散电流腐蚀防护设备系统，可适用于地铁、轻轨及煤矿等轨道系统中，其作用是非常重要的，不可或缺的。在多数城市，地铁正线地面道床与地下道床采用了不同的形式，地面采用了碎石道床，地下采用了整体道床。为了防止地下段内钢轨电流通过相对薄弱的地面钢轨泄漏至隧道外的地面，所以在地下、地上钢轨之间加绝缘结，当钢轨之间隔离后，为保证有机车运行时钢轨回流电流的正常流动，在有绝缘结的钢轨部位两端，并联一个单向导通装置，使钢轨中电流只流向一个方向，而在另一个方向截止。

2.2.2牵引供电电气原理4.单向导通装置钢轨隔离措施作为杂散电流的防护措施之一，主要实施方法有：1）地上与地下钢轨之间设置绝缘结2）过江隧道两端设置绝缘结3）高架桥两端设置绝缘结4）车辆段钢轨与正线钢轨设置绝缘结。

2.2.2牵引供电电气原理4.单向导通装置单向导通装置的安装方式有两种：地面和地下隔离、水下隧道内钢轨隔离。地下段与地面段隔离过江隧道内隔离

2.2.3牵引供电所二次系统牵引变电所二次系统包括：继电保护装置、自动控制装置、通信设备、自动化设备等。1）继电保护（1）35kV进、出线35kV进、出线的继电保护有：光纤纵差保护、过电流保护、零序电流保护。

2.2.3牵引供电所二次系统牵引变电所二次系统包括：继电保护装置、自动控制装置、通信设备、自动化设备等。1）继电保护（2）35kV母线分段断路器35kV母线分段断路器的继电保护有：限时电流速断保护、零序电流保护。（3）牵引整流机组电流速断保护、过电流保护、零序电流保护、过负荷保护、变压器温度保护（变压器内部保护）。（4）DC1500V进线DC1500V进线继电保护有：大电流脱扣保护（断路器本体保护）、过电流保护、逆流保护。25（5）DC1500V馈线DC1500V馈线继电保护有：大电流脱扣保护（直流断路器本体保护）、电流上升率di/dt保护、电流增量DI保护、过电流保护、双边联跳保护、低电压保护、热过负荷保护。（6）牵引变电所全所在负极柜内设置一套框架泄漏保护。

2.2.3牵引供电所二次系统

2.2.3牵引供电所二次系统双边联跳原理每一个直流分区由相邻的两个牵引所的各一个直流开关供电，如下图。当发生接触网短路时，2个直流开关均向短路点供短路电流，此时，任何一个直流开关的保护跳闸均通过光纤通信，让对侧的直流开关也立即跳闸。272）牵引变电所自动控制装置

（1）变电所35kV母线分段断路器设置自投装置/功能，自投功能可在当地/远方进行投入/撤除。

（2）变电所DC1500V馈线设置带有故障性质判断的自动重合闸装置/功能。变电所自用电系统的两回0.4kV进线电源设置自投装置/功能。

2.2.3牵引供电所二次系统28运行方式见中压环网

2.3.4牵引变电所运行方式降压变电所一次系统35kV设备主要包括：降压变压器(△/Y接线)、35kVGIS开关、35kV避雷器、35kV母线、35kVGIS开关、交直流电源等。降压变电所一次系统0.4KV设备主要包括：0.4kV开关、无设置无功补偿装置和有源滤波装置。降压变电所主接线图如下图所示。

2.3降压变电所2.3.1降压变电所一次系统30

2.3降压变电所2.3.1降压变电所一次系统降压变电所35kV侧采用单母线分段接线方式，并设置母线分段断路器。每段35kV母线分别设置一组电压互感器和一组避雷器。两回35kV进线电源通过断路器分别与不同段35kV母线连接，同时从两段母线分别设置35kV出线电源，向相邻车站的牵引、降压变电所供电。两台配电变压器一次侧分别通过一台断路器接在不同段35kV母线。

2.3降压变电所2.3.1降压变电所一次系统2.3.2降压变电所二次系统降压变电所二次系统包括：继电保护装置、自动控制装置、通信设备、自动化设备等。1）继电保护（1）35kV进、出线35kV进、出线的继电保护有：光纤纵差保护、过电流保护、零序电流保护。（2）35kV母线分段断路器35kV母线分段断路器的继电保护有：限时电流速断保护、零序电流保护。

2.3降压变电所33（3）配电变压器35kV侧电流速断保护、过电流保护、零序电流保护、过负荷保护、变压器温度保护（变压器内部保护）。（4）0.4kV开关0.4kV进线开关的继电保护有：短路瞬时保护（可关闭）、短路短延时保护、过负载保护、接地故障保护、低电压保护。0.4kV母线分段开关的继电保护有：短路瞬时保护、短路短延时保护、过负载保护。0.4kV三级负荷总开关的继电保护有：短路瞬时保护、过负载保护、失压脱扣（与另一段母线的三级负荷总开关联锁跳闸）。0.4kV馈线开关的继电保护有：短路瞬时保护、过负载保护、接地故障保护，其中消防设备回路的过负载保护只作用于报警信号，不作用于切断电路。

2.3降压变电所342）自动控制装置（1）变电所35kV母线分段断路器设置自投装置/功能，自投功能可在当地/远方进行投入/撤除。（2）变电所0.4kV母线分段断路器设置自投装置/功能。（3）变电所DC1500V馈线设置带有故障性质判断的自动重合闸装置/功能。变电所自用电系统的两回0.4kV进线电源设置自投装置/功能。

2.3.3降压变电所35

2.3.4降压变电所运行方式2.3.4降压变电所运行方式（1）配电变压器0.4KV侧中性点接地开关投入。（2）正常运行方式降压变电所的35kV、0.4kV母线分段断路器分闸，两回35kV进线电源、两段35kV母线、两台配电变压器和两段0.4kV母线分列运行，承担该所供电范围内的动力照明全部负荷。36（3）非正常运行方式当降压变电所的一回35kV进线电源解列时，0.4kV母线分段断路器分闸，35kV母线分段断路器在满足合闸条件时自投，两台配电变压器并列运行，由另一回35kV进线电源承担该两回35kV进线电源供电范围内的牵引负荷和动力照明全部负荷。

当降压变电所的一台配电变压器解列时，0.4kV母线分段断路器在满足合闸条件时自投，由另一台配电变压器承担该所供电范围的动力照明一、二级负荷。

2.3.4降压变电所运行方式37（4）继电保护的投入、退出以及定值的整定需要与一次侧的运行方式密切配合。特别是中性点投切，以及中压环网供电分区发生变化时，保护定值应与之匹配。

2.3.4降压变电所运行方式

2.4中压环网城市轨道交通供电系统35kV采用分区制，每3-4公里供电范围划分为一个供电分区，每个供电分区由车站或车场的35kV牵引变电所、降压变电所和35kV环网电缆构成。每个供电分区中的第一座35kV变电所直接从110kV主变电所的两段35kV母线分别引入一回电源，形成该分区的双电源供电。供电分区中的第二座35kV变电所从第一座35kV变电所的两段母线分别引入一回电源，以此类推，构成35kV环形连接，即为35kV中压环网。

2.4中压环网轨道交通线路全线通常设有2个以上110kV主变电所，分别为各供电分区供电。在不同主所的供电分区之间设置环网连接开关，用于单个主变电所退出的情况下，系统降级运行。中压环网的接线方式，能够确保供电的可靠性，形成了主变电所之间和分区之间的电力相互支援。同时也减少了电缆投资，降低了工程造价。40

2.4中压环网1.中压环网接线41

牵引变电所的布点设置和中压环网的分区方案要经过牵引供电计算并校核。

牵引计算的主要目的是计算中压环网系统各节点以及牵引网各节点的潮流分布（电流、电压、有功功率和无功功率），用于供电系统各电压等级的设备选型配置。

牵引计算校核的目的是通过牵引计算，校核在各种解列工况下，中压环网系统最不利点的中压环网电压损失不超过额定电压5%的规范要求；校核最不利工况下，如在运营初、近、远期高峰小时任意一座牵引变电所解列，由相邻的正线牵引变电所越区供电情况下时，牵引网最不利点的电压水平满足不低于1000VDC或500VDC

2.4中压环网422.4.2中压环网系统运行方式1）牵引变压器35kV侧中性点不投入。2）正常运行方式正常情况下，中压供电环网联络开关、主变电所的110kV侧桥断路器、35kV母线分段断路器打开，每座主变电所的两回110kV进线电源、两台主变压器和两段35kV母线和全线的中压供电环网电缆分列运行，各座主变电所承担各自正常供电范围内的牵引负荷和动力照明全部负荷。

2.4中压环网432.4.2中压环网系统运行方式3）非正常运行方式中压环网系统非正常运行方式有两种：一回35kV进线电源解列、整个牵引变电所或降压变电所解列。（1）当牵引变电所或降压变电所的一回35kV进线电源解列时，该所的35kV母线分段断路器合闸，由另一回35kV进线电源承担该两回35kV进线电源供电范围内的牵引负荷和动力照明全部负荷。

2.4中压环网442.4.2中压环网系统运行方式3）非正常运行方式中压环网系统非正常运行方式有两种：一回35kV进线电源解列、整个牵引变电所或降压变电所解列。（2）当牵引变电所或降压变电所解列时，其供电范围内的牵引负荷由相邻的牵引变电所越区供电，其供电范围内的动力照明负荷全部切除，应急照明负荷由EPS供电，弱电系统负荷由UPS供电。

2.4中压环网452.4.2中压环网系统运行方式4）继电保护的投入、退出以及定值的整定需要与一次侧的运行方式密切配合。特别是中性点投切，以及中压环网供电分区发生变化时，保护定值应与之匹配。

2.4中压环网

2.5主要设备2.5.1GIS

六氟化硫封闭式组合电器，国际上称为“气体绝缘开关设备”（GaslnsulatedSwitchgear)简称GIS。它将一座变电站中除变压器以外的一次设备，包括断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线、电缆终端、进出线套管等，经优化设计有机地组合成一个整体。

2.5主要设备2.5.1GIS1）SF6的特性

SF6是一种惰性气体。纯净的SF6气体是无色、无味、无臭、不燃，在常温下化学性质稳定，属惰性气体。气体密度是空气密度的5.1倍。SF6气体在0.29Mpa压力时，绝缘强度与变压器油相当其,灭弧能力是空气的100倍，是目前应用最广泛的电气绝缘气体。

2.5主要设备2.5.1GIS1）SF6的特性

SF6气体的负面作用：在断路器和GIS操作过程中，由于电弧、电晕、火花放电和局部放电、高温等因素影响下，SF6气体会进行分解，它的分解物遇到水分后会变成腐蚀性电解质。尤其是有些高毒性分解物．如SF4、S2F2、S2F10、SOF2、HF和S02，它们会刺激皮肤、眼睛、粘膜，如果吸入量大，还会引起头晕和肺水肿，甚至致人死亡。

2.5主要设备2.5.1GIS2）GIS设备的组成GIS以断路器为核心，将断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、母线、电缆终端、进出线套管等组合成一个GIS间隔。如下图所示的主接线，被整合成进线、出线、母联、母设（母线上的设备）共5个间隔。

2.5主要设备2.5.1GIS2）GIS设备的组成

间隔是电力系统的一个术语，是指由断路器，以及该断路器进出端的隔离开关、接地开关和电流互感器等构成的一段电路，空间上，一个间隔呈现为纵向连接。有的间隔不带断路器，如PT间隔。

间隔分为变压器间隔、进线间隔、出线间隔、母联间隔、母设间隔（母线设备间隔，通常指PT间隔）。进线间隔、出线间隔、母联间隔都带断路器，母线设备（PT）间隔以及预留的气室一般不带断路器。

2.5主要设备2.5.1GIS10KV中压110KV高压GIS进线间隔母联间隔母设间隔母设间隔主变间隔方案图：

2.5主要设备2.5.1GIS方案图对应的柜体图：其中，断路器柜：用于进出线间隔隔离柜：用于用于母设间隔母联柜：母联间隔

2.5主要设备2.5.1GIS

2.5主要设备2.5.1GISGIS一般可分为单相单筒式和三相共筒式两种形式。110KV电压等级及母线可以做成三相共筒式，220KV及以上采用单相单筒式。如下图所示。

2.5主要设备2.5.1GISGIS间隔包括：汇控柜（就地控制柜）、母线室、隔离接地开关（三工位开关）、断路器、电流互感器、电压互感器、电缆终端头等构成，如下图所示：

2.5主要设备2.5.1GISGIS间隔包括：汇控柜（就地控制柜）、母线室、隔离接地开关（三工位开关）、断路器、电流互感器、电压互感器、电缆终端头等构成，如下图所示：

2.5主要设备2.5.1GISGIS的结构1断路器GIS核心部件是断路器，其主要功能是开断正常及非正常负荷。

2.5主要设备2.5.1GISGIS的结构1断路器分闸：油泵启动后泵出高压油，分闸电磁铁动作后，换向阀右移，高压油路作用于工作活塞的顶部，使工作活塞下行至分闸位置；同时推动蝶形弹簧压缩，使弹簧储能完成，蝶形弹簧压缩使油路保持高压状态。合闸：合闸电磁铁动作后，换向阀左移，使高压油路与工作活塞下方联通，因工作活塞下端比上端受力大，同时储能弹簧释放压力，使得工作活塞在压差的作用下上移，完成合闸动作。

2.5主要设备2.5.1GISGIS的结构1断路器电气弹簧储能是为了确保合闸时触点能够瞬间吸合，合闸前（分闸过程中），都需要进行储能操作，使得弹簧被拉伸到合闸的触发点位置，这个过程就是储能。合闸操作时，开关触点就能瞬间被吸合。

2.5主要设备2.5.1GISGIS的结构2隔离开关。（三工位隔离接地开关）隔离开关（三工位隔离接地开关）的主要功能是开断无负荷回路条件下的电流。

2.5主要设备2.5.1GISGIS的结构3母线主要功能是通过导电连接件和GIS其它元件接通，满足不同的主接线方式来汇集分配传送电能。BUS

2.5主要设备2.5.1GISGIS的结构3母线主要功能是通过导电连接件和GIS其它元件接通，满足不同的主接线方式来汇集分配传送电能。

2.5主要设备2.5.2直流柜