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城市轨道交通供电系统由变电所、接触网(接触轨)和回流网三部分构成。变电所通过接触网(接触轨),由车辆受电器向电动客车馈送电能,回流网是牵引电流返回变电所的导体。
供电系统的供电制式主要指电流制式、电压等级和馈电方式。目前,城市轨道交通的直流牵引电压等级有DC600VDC750V和DC1500V等多种。我国国家标准《城市轨道交通直流牵引供电系统》(gb/t10411—2005)规定了DC750V和DC1500V两种电压制式。
供电系统的馈电方式分为架空接触网和接触轨两种。其中,电压制式和馈电方式是密不可分的。一般架空接触网馈电方式电压等级采用DC1500V接触轨馈电方式电压等级主要采用DC750V但有向DC1500发展的趋势。
城市轨道交通作为城市电网的用户,直接从城市电网取得电能;城市电网也把城市轨道交通看成一个重要用户。城市轨道交通供电系统由电源系统(城市电网、主变电所)、牵引供电系统、动力照明供电系统和电力监控系统组成。其中,牵引供电系统包括牵引变电所和牵引网两大部分,动力照明供电系统包括降压变电所与动力照明配电系统。
一、电源系统
我国电力生产由国家经营管理,因此无论是干线电气化铁路还是工矿电力牵引用电和城市轨道交通电力牵引用电均由国家统一电网供给
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高压供电系统
牵引变电所
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根据生产电能的发电厂所利用的能源不同,其可以分为火力发电厂(用煤、油为燃料)、水力发电厂、原子能发电厂及风力、地热、太阳能和潮汐发电厂等。发电厂可能与其用户相距甚远,必须将输电电压升高,以减少线路的电压损失和能量损耗,因此在发电厂的输出端接入升压变压器以提高输电电压。目前我国用得最普遍的输电电压等级为110~220kV。
通常高压输电线到了各城市或工业区以后通过区域变电所(站)将电能转配或降低一个等级向附近各用电中心送电。城市轨道交通牵引用电既可从区域变电所高压线路得电,也可以从下一级电压的城市地方电网得电,这取决于系统和城市地方电网具体情况及牵引用电容量大小。
对于直接从系统高压电网获得电力的城市轨道交通系统,往往需要再设置一级主降
压变电站,如将系统输电电压110~220kV降低到10~35kV,以适应直流牵引变电所的需要。从管理的角度上看,主降压变电站可以由电力系统(电业部门)直接管理,也可以归属于城市轨道交通部门管理。
从发电厂经升压、高压输电网、区域变电站至主降压变电站部分通常被称为牵引供电系统的“外部(一次)供电系统”。主降压变电站(当它不属于电力部门时)及其以后部分统称为“牵引供电系统”,它应该包括主降压变电站、直流牵引变电所、馈电线、接触网、走行轨及回流线等。其中,直流牵引变电所将三相高压交流电变成适合电动车辆使用的低压直流电。馈电线的作用是将牵引变电所的直流电送到接触网上。接触网是沿列车走行轨架设的特殊供电线路,电动车辆通过其受流器与接触网的直接接触而获得电力。走行轨构成牵引供电回路的一部分。回流线将轨道回流引向牵引变电所。
二、牵引供电系统
城市轨道交通牵引供电系统主要由牵引变电所(牵引降压混合变电所)和接触网系统构成,两者共同完成向城市轨道交通列车输送电能的任务。
牵引变电所是牵引供电系统的核心,一般由进出线单元、变压变流单元及馈出单元构成。其主要功能是将中压环网的AC35kV或AC10kV电源经变压变流单元转换为城市轨道交通列车所需的电能,并分配到上下行区间供列车牵引用。在城市轨道交通工程中,由于地下土建工程造价高,所以在地面有条件时最好将牵引变电所建于地面,但降压变电所由于压损的要求仍应设在车站内,这样可以有效地降低工程造价。
在设备选型上,随着设备制造技术的发展,设备在防火、减小占地面积等方面都有所进步。例如,干式变压器在防火、防潮湿等方面的优势都使其更适合城市轨道交通的运行环境;SF6气体绝缘开关柜占地面积要比传统的空气绝缘开关柜小,在地下变电站中采用可降低工程造价,尤其在35kV电压等级下采用,优势更为突出。
接触网系统负责将牵引变电所馈出的电能输送到列车上,一般有架空接触网和接触
轨两种形式。从电压等级看,国内有DC1500V和DC750V两种等级,DC1500V采用架空接触网形式,DC750V采用接触轨形式。
DC1500V接触网形式与DC750V触轨形式相比,由于电压等级高,可以减少沿线牵引变电所的数量,并且由于接触网采用架空悬挂,其安全性较好。但采用接触网形式对城市景观影响较大,运营后的维护工作量也较大。在具体的工程中可从一次投资、城市景观、安全因素和维护工作量等方面进行综合比选来确定行的附加轨,故又称为第三轨;只有采用架空方式时,才称为接触网。
在接触轨材料的选择上,国内已运行的城市轨道交通线路大多采用低碳钢轨;在国
外,有些城市轨道交通线路采用钢铝复合轨。与低碳钢轨相比,钢铝复合轨载流量大,可以减少牵引变电所的数量,降低运营维修费用,减少运行损耗。现在,武汉轻轨和天津地铁均已采用该材料。
在城市轨道交通牵引供电系统中,电能从牵引变电所经馈电线、接触网输送给电动列车,再从电动列车经钢轨(也称轨道回路)、回流线流回牵引变电所。
城市轨道交通牵引供电系统,各部分功能简述如下:牵引变电所:供给城市轨道交通一定区域内牵引电能的变电所。接触网:经过电动列车的受电器向电动列车供给电能的导电网。
馈电线:从牵引变电所向接触网输送牵引电能的导线。回流线:用以供牵引电流返回牵引变电所的导线。电分段:为便于检修和缩小事故范围,将接触网分为的若干段。
轨道:列车行走时,利用轨道作为牵引电流的回路。在采用跨座式单轨电动车组时,需沿线路专门敷设单独的回流线。
三、动力照明供电系统动力照明供电系统为除城市轨道交通列车以外的其他所有城市轨道交通用电负荷提供电能,其中包括通信、信号、事故照明和计算机系统等许多一级负荷。
这些一级负荷均与城市轨道交通正常运营密不可分,所以在设计、设备选型和施工过程中都应对动力照明供电系统给予足够的重视。城市轨道交通降压变电所与城市电网10kV变电所一样,都是将中压电经变压器变为380V/220V电源供动力照明负荷用电。在引入电源方面,每座降压变电所均从中压环网引入两路电源,有条件时还应从相邻变电所或城市电网引一路备用电源,对于特别重要的负荷(如控制系统计算机设备等负荷),还应设蓄电池作为备用电源。
四、电力监控系统
电力监控系统是贯穿整个供电系统的监视控制部分,是控制技术在电力系统中的应用。电力监控系统由控制中心、通信通道和被控站系统组成,对全线变电所及沿线供电设备实行集中监视、控制和测量。控制中心由数据服务器、通信前置机、工程师工作站及模拟盘显示器等组成,完成对所采集数据的分析、计算、存储,设备状态监视及控制命令的发送等功能。通信通道是控制中心与被控站系统实现数据传输的通道。被控站系统由变电所上位PLC或后台计算机、所内通信通道及下位PLC&成,完成对设备状态、信号等数据的采集、整理、简单分析计算及所内控制等功能。