轨道交通供电系统毕业论文

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一、 轨道交通供电系统概述

（一）概论

城市轨道交通供电系统的功能：

城市轨道交通供电系统，担负着运行所需的一切电能的供应与传输，是城市轨道交通安全可靠运行的重要保证。

城市轨道交通的用电负荷按其功能不同可分为两大用电群体。一是电动客车运行所需要的牵引负荷。二是车站、区间、车辆段、控制中心等其他建筑物所需要的动力照明用电，诸如：通风机、空调、自动扶梯、电梯、水泵、照明、AFC系统、FAS、BAS、通信系统、信号系统等。

在上述用电群体中，有不同电压等级直流负荷、不同电压等级交流负荷；有固定负荷、有时刻在变化的运动负荷。每种用电设备都有自己的用电要求和技术标准，而且这种要求和标准又相差甚远。城市轨道交通供电系统就是要满足这些不同用户对电能的不同需求，以使其发挥各自的功能与作用。

保证电动客车畅行，安全、可靠、迅捷、舒适地运送乘客，是供电系统的根本目的。

（二）供电系统的组成

根据功能的不同，对于集中式供电，城市轨道交通供电系统可分成以下几部分：外部电源、主变电所、牵引供电系统、动力照明配电系统、电力监控(SCADA)系统。对于分散式供电，城市轨道交通供电系统则可分成以下几部分：外部电源、(电源开闭所)、牵引供电系统、动力照明配电系统、电力监控(SCADA)系统。牵引供电系统，又可分成牵引变电所与牵引网系统。动力照明配电系统，又可分成降压变电所与动力照明。

但在进行初步设计与施工设计时，为便于设计管理，供电系统往往被划分成：系统设计；主变电所设计；牵引变电所(或牵引降压混合变电所)及降压变电所设计；牵引网设计；电力监控系统设计；杂散电流腐蚀防护设计(注：动力照明随同土建一起设计)。

根据城市电网构成的不同特点，可采用集中式、分散式、混合式等不同形式： 1、集中式供电

在城市轨道交通沿线，根据用电容量和线路长短，建设专用的主变电所，这

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种由主变电所构成的供电方案，称为集中式供电。主变电所进线电压一般为110kV，经降压后变成35kV或10kV，供牵引变电所与降压变电所。主变电所应有两路独立的进线电源。集中式供电，有利于城市轨道交通供电形成独立体系，便于管理和运营。上海、广州、南京、香港、德黑兰地铁等即为集中式供电方案。

2、分散式供电

根据城市轨道交通供电的需要，在地铁沿线直接由城市电网引入多路电源，构成供电系统，称为分散式供电。这种供电方式一般为10kV电压级。分散式供电要保证每座牵引变电所和降压变电所均获得双路电源，要求城市轨道交通沿线有足够的电源引入点及备用容量。建设中的沈阳地铁、长春轻轨、大连轻轨、北京城铁、北京八通线、北京地铁5号线等即为分散式供电方案。

3、混合式供电

将前两种供电方式结合起来，一般以集中式供电为主，个别地段引入城市电网电源作为集中式供电的补充，使供电系统更加完善和可靠。这种方式称为混合式供电。北京地铁一线和环线、建设中的武汉轨道交通工程、青岛地铁南北线工程等即为混合式供电方案。

全线的牵引降压混合变电所及降压变电所被分成若干个供电分区，每个供电分区一般不超过3个车站；每一个供电分区均从主变电所的不同母线就近引入两路10kV电源(对于地面线路，供电分区的来自于主变电所的两路10kV电源也可以从牵引变电所处引入，不一定就近引入)。

牵引降压混合变电所、牵引变电所的主接线均采用分段单母线形式。地下降压变电所主接线可采用分段单母线形式，地面降压变电所主接线则可以采用两段母线形式，同一工程的地下降压变电所与地面降压变电所主接线，应尽量一致。地面降压变电所的配电变压器，也可以采用负荷开关——熔断器组合电器保护。

牵引降压混合变电所、牵引变电所的主接线，均采用分段单母线形式。降压变电所的主接线可按跟随式降压变电所考虑。

该接线方式比较复杂。为同一电源开闭所供电的两路市网10kV电源，最好来自于不同的地区变电所。该方式对城市电网10kV电源点的数量要求不多。

（三）变电所

牵引变电所是一个统称，实际上它还包括供电系统中的开闭所、分区所自耦变压器所。这些供电设施构成了电气化铁路的牵引供电系统，如图所示

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牵引供电系统

SS——牵引变电所；SP——分区所；SSP1、SSP2——开闭所；ATP——自耦变压器所

牵引变电所的作用

牵引变电所是电气化铁路牵引供电系统的心脏，它的主要任务是将电力系统输送来的三相高压电变换成适合电力机车使用的电能。我国电气化铁路采用的是工频单相25 kV交流制，而电力系统是一个三相交流系统，电压标准也不同，不能直接使用，需要经过变换电压等级和由三相变换成单相才能使用。电气化铁路产生的负序和高次谐波对电力系统会造成多种不良影响，也需要通过牵引变电所来解决。因此，牵引变电所的作用有以下几个方面：

1、将电力系统的电能变换成适合电力机车使用的电能 2、降低电气化铁路对电力系统的影响

（四）向牵引变电所供电的接线图

由于交通运输的重要性，所有轨道交通的牵引供电都属于电力部门供电的一级负荷，即要确保向它供电的可靠性。为此，牵引变电所均由两个独立的电源供电，再加上电源线路的具体分布情况不同，因此，造成向牵引变电所供电的形式复杂多样，但可以将它归纳成以下几种典型的形式。

1、环行供电接线（图1）

图1 环行供电接线图

a--牵引变电所；b—主降压变电站（所）；c—线表示一路三相输电线；d—轨道线

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由两个或两个主降压变电站和所有的牵引变电所用输电线联成一个环行。环行供电是很可靠的供电线路，因为在这种情况下，一路输电线和一个主降压变电站同时停止工作时，只要其母线仍保持通电，就不致中断任何一个牵引变电所的正常供电。但其投资较大。

2、双边供电接线（图2）

图2 双边供电接线图

a--牵引变电所；b—主降压变电站（所）；c—线表示一路三相输电线；d—轨道线

由两个主降压变电所向沿线牵引变电所供电，通往牵引变电所的输电线都经过其母线联接，为了增加供电的可靠性，用双路输电线供电，而每路按输送功率计算。这种接线可靠性稍低于环行供电。当引入数目较多时。开关设备多，投资增加。

3、单边供电接线（图3）

图3 单边供电接线图

a--牵引变电所；b—主降压变电站（所）；c—线表示一路三相输电线；d—轨道线

当轨道沿线附近只有一侧有电源时，则采用单边供电。单边供电较环行供电和双边供电的可靠性差，为了提高可靠性，应用双回路输电线供电。单边供电设

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备少，投资也少些。

在双边供电和单边供电的情况下，每路输电线可以不必都进入所有的牵引变电所，而是轮流地每隔一个进一个，这样可以减少进线的数目而降低变电所的投资。

4、辐射形供电接线（图4）

图4 辐射形供电接线图

a--牵引变电所；b—主降压变电站（所）；c—线表示一路三相输电线；d—轨道线

每个牵引边用两路独立输电线与主降压变电站联接。这种接线方式适合于轨道线路成弧形的情况。这种接线简单，但当主降压变电所停电时，将全线停电。

应当指出，实际情况常常是以上某些典型接线方式的综合。变配电接线图的选择应该是这样的，当供电系统的一个元件损坏时，它应能自动解列而不致破坏牵引供电。

（五）牵引变电所电气主接线

电气主接线（main electrical connection scheme）按牵引变电所和铁路变、配电所（或发电所）接受（输送）电能和分溜配电能的要求，表征其主要电气设备相互之间连接关系的总电路。通常以单线图表示。电气主接线中表示的主要电气设备有电力变压器、发电机、断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线、接地装置以及各种无功补偿装置等。常用的主接线形式有:单母线接线、单母线分段接线、单母线分段带旁路母线接线、桥形接线和双T形（或T形）分支接线等。电气主接线包括从电源进线侧到各级负荷电压侧的全部一次接线，有时还包括各类变、配电所（或发电所）的自用电部分，后者常称作自用电接线。

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3、易受外界环境因素的影响

（1）牵引供电系统额定电压为27.5千伏，从绝缘强度及安全距离都有严格的要求。但倒树、鸟兽及人员触电，大风刮起的草木、杂物短接，以及道口撞车等都会造成跳闸停电和设备损坏。

（2）受冰、雪、雷雨、气温变化影响较大，当上述情况发生反常变化时，也易造成绝缘失效和状态异常。

4、检修抢修困难

（1）检修时需相应的供电臂停电，且占用作业区间或站场、股道，但因运输能力紧张，检修“天窗”常被占用，设备检修时间相对不足。尽管路局对天窗兑现采取了逐月考核等措施，但在枢纽及各别区段检修时间严重不足的现象依然突出。

（2）事故情况下，因故障列车堵塞或车站股道占用，抢修车辆不能及时赶到事故现场。对以汽车为交通工具的工区，遇有汽车不能到达的处所或雨天土路无法通行，势必影响抢修时间（转自铁道电气化网站）。

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三、城市轨道交通杂散电流

（一）杂散电流的形成与危害

当直流大电流沿地面敷设的轨道流动时，直流电流除了在轨道中流动外，还会从轨道泄漏到大地，在大地中的各种金属物体上流动，然后再回到电源系统。这部分泄漏出来的电流称为杂散电流，在地铁工程中又称为迷流。

目前世界上城市轨道交通系统的供电方式，绝大多数采用直流供电系统。作为电源的牵引整流变电所，通过与之正极相连的接触轨或架空接触网，向电动列车输送电能，然后通过列车，以走行轨作为直流电流的回流通路，最终在牵引整流变电所附近，将走行轨与牵引整流变电所负极相连，使馈出的直流电流返回牵引整流变电所。但供电系统在实际运营过程中，上述的直流回路往往无法保证与周围的环境隔绝，由于各种原因，系统对周围环境存在着或多或少的泄漏电阻，随着线路运营时间的延长，运营环境逐步恶化，泄漏电阻值还将逐步减小，尤其是作为回流通路的走行轨，大多安装在隧道内的道床上，而在地面线路，更是直接安装在露天，经受着风吹雨淋，因此走行轨与大地之间的过渡电阻势必会减小，从而造成有部分直流电流泄漏向大地，侵入线路周围的地区，尤其是线路周围的输电电缆、通信电缆、煤气管道、自来水管道等金属构件。这部分没有按照既有线路流通，而流入大地电流，我们称之为杂散电流。

（二）杂散电流腐蚀的防护与监测

1、杂散电流的危害

由于杂散电流的产生以及它的电腐蚀效应，使对线路以及周围设施的金属构件构成了一定的威胁。这种电腐蚀总是发生在离子导电电流流出金属结构的地方，即发生在金属与电解质存在的阳极区。杂散电流的阳极电腐蚀对金属的破坏相当严重，能引起水管穿孔漏水、锈蚀、电缆挂钩打火、道钉生锈断裂等，导致地铁设施的使用寿命降低，造成严重的经济损失。

虽然极性排流在防止杂散电流腐蚀上起到了很好的效果,但是排流也会带来一些副作用。

其一是排流会使杂散电流的数量增加,这使那些没有接排流设备的结构物的腐蚀加剧。Pignatellip详细考察了美国费城内地铁杂散电流对地下公共设施的影响时发现排流引起了严重的干扰,拆除若干排流接头后,反而使大地杂散电流

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减少2000A。

其二使钢轨电位升高,其电位有可能超过容许安全电压(规定为65V)。

其三排流量过大还会带来如下的危害:当一氯化亚汞电极为基准,埋地管道的对地电位低于-2.5V时,埋地管道的保护曾被破坏的危险增大。当地中含有盐份时,铅不仅在阳极区受到腐蚀,而且在阴极区也受到腐蚀。当排流量过大时,铅皮电位变的更低,这种腐蚀会加剧。

2、杂散电流的监测

为了地铁牵引回流泄漏的情况和地下金属结构受杂散电流腐蚀的程度,必须进行专门的测量工作。地铁结构与设备受杂散电流腐蚀的危险性指标,应由结构表面向周围电解质漏泄的电流密度和由此引起的电位极化偏移来确定。由于电流密度难以直接测量,所以一般是通过测量腐蚀危险性的间接指标即由杂散电流引起的结构的电位极化偏移值来判断设备受杂散电流腐蚀的情况。所需监测的参数有轨道电压、地下金属结构的极化电位、轨道过渡电阻和轨道纵向电阻等。 杂散电流测量点应设置在地铁沿线的车站站台的两侧进出站信号附近、每一个回流点处及需要进行测试的走形轨分断点处、地铁桥梁两段、地铁的尽头线和线路与车辆段的连接坡道处,并定期对监测点进行检查维护。可通过传感器将各测量点所采集的参比电极对结构钢筋及轨道对结构钢筋的电压的模拟量及时转化为数字量,再由安装在牵引变电所控制室内的监测装置传送到计算机系统,以供操作人员随时查询。

3、上海地铁、深圳地铁杂散电流防护分析 （1）上海明珠线杂散电流防护系统

为防止杂散电流的干扰,上海明珠线采取的主要措施是建立畅通的牵引负极回路、回流轨采用绝缘垫、对地铁的各种管线及设备采取绝缘措施、利用整体道床内的结构钢筋构成杂散电流收集网。上海明珠线的监测系统是由杂散电流收集网测量端子、埋置式参比电极、测量信号电缆、数据转换箱以及微机监测装置构成。每个车站有3对测量端子,分别与地铁沿线测量端子和参比电极连接后经过电流排架引到变电站内的数据转换箱。微机与数据转换箱连接,对各监测点的电位进行实时监测。

（2）深圳地铁的杂散电流防护系统

深圳地铁杂散电流防护系统的防护原则是“以堵为主,以排为辅,防排结合,

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加强监测”。堵的措施有钢轨下加绝缘垫、使用绝缘扣件、枕轨下加绝缘垫、道岔处加强绝缘等。排流的措施是将每个道床结构段内部的纵向钢筋搭接处以焊接方式焊接,形成可靠电气连接,形成主要的杂散电流收集网；同时将隧道结构钢筋实现可靠焊接,形成辅助杂散电流收集网;车辆段引入线与正线间、停车库内钢轨与库外钢轨间设单向导通设备。深圳地铁杂散电流监测系统是由参考电极、整体道床测量端子、车站隧道测量端子、信号电缆、信号测量端子箱、信号盒及微机综合测试装置构成。

4、其他杂散电流防护方法

阴极保护法:阴极保护是指向金属结构物提供电流,有外加电源法和牺牲阳极法；阳极保护法:即使被保护物的电位提高到钝态电位,从而阻止杂散电流腐蚀。青木敏雄发明了一种装置,控制钢轨电压恒定,切断杂散电流产生的源头,使杂散电流减至最小。这种设备把其所在钢轨对地电压叠加到钢轨上,使钢轨上各处电压相同,从而消除钢轨电位差。

三木邦敏发明的是利用向埋地电极施加支流电流的方法来吸收杂散电流,从而达到减轻杂散电流腐蚀危害的目的。易友祥等提出了一种可以对杂散电流进行自动跟踪补偿,目的是减少杂散电流数量的积极的防护方案。

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四、避雷装置

（一）雷电的危害

雷电的冲击高电压将使电气设施的绝缘击穿，强大的雷电流将使电气设施烧毁，并引起很高的跨步电压和接触电压，对人体造成危害；雷电的高温及短路效应将引起严重的火灾和爆炸，由电磁作用形成的巨大动力、雷电激波气浪将使被击物遭受严重损坏。

（二）避雷装置

1、防直击雷的设施——接闪器

接闪器是直接接受雷击的金属体，它经过引下线与接地体连接，其作用是引雷入地，从而保护了其他物体免受雷击。它包括：

（1）、避雷针。 （2）、避雷线。 （3）、避雷带（网）。

2、防止雷电波侵入的设施——避雷装置

避雷装置又称防雷装置，其作用是防止电气设备的雷电过电压。雷电过电压，是由于电力设备或建筑物遭受直接雷击或雷电感应而发生的过电压。雷电过电压又称大气过电压或外部过电压。雷电过电压产生的雷电冲击波，其电压幅值可达100MV，电流幅值可达几百KA，因此，对电气设备的正常运行危害极大，必须采取措施加以防护。

3、对防雷设施的安全要求 安全要求主要有：

（1）接闪器的接地体应独立装设，与电气设备接地体之间的距离不得小于3米，更不准二者公用接地体。

（2）防雷装置的接地电阻不得大于10欧。 （3）不准用铝线作防雷装置的引下线。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3fz7.html