城市轨道交通供变电技术第二章外部供电系统

城市轨道交通供电系统的外部电源供电系统就是为城轨供电系统的主变电所或电源开闭所提供电能的外部城市电网电源供电系统。图2-1为城市轨道交通外部电源和牵引供电系统的连接图。第一节外部电源一、城市轨道交通对外部电源的要求1）两路独立的进线电源。这两路电源可以来自城市电网的不同变电所，也可来自城市电网的同一变电所的不同母线。主变电所进线电源应至少有一路为专线电源。2）每路进线电源的容量应满足所内全部一、二级负荷的要求。3）两路电源应分列运行，互为备用，当一路电源发生故障时，另一路电源不应同时受到损坏，由另一路电源保证对城轨供电系统供电。4）为了便于运营管理和减少损耗，外部电源点应尽可能地靠近城市轨道交通线路。第一节外部电源第一节外部电源二、外部电源系统的组成由发电厂、电力网组成，而电力网由各种电压等级的输、配电线路和变（配）电站（所）组成。第一节外部电源三、外部电源对城市轨道交通的供电方式国内各城市对地铁及城市轨道交通的供电一般有三种方式，即集中式供电方式、分散式电方式、分散与集中相结合的混合式供电方式。1.集中式供电方式一条轨道交通线路配置少量的受电点（主变电所），通过受电点（主变电所）集中从城市电网受进电力，经主变电所降压后再向轨道交通内部电网供电。第一节外部电源2.分散式供电方式分散供电方式是指沿地铁线路的城市电网（通常是10KV电压等级）分别向各沿线的地铁牵引变电所和降压变电所供电。第一节外部电源3.混合式供电方式混合式供电方式是将分散式与集中式相结合的供电方式。采用集中式供电方式时，在主变电所设置一定的情况下，若线路末端中压网络压降不能满足要求，则可从城市电网引入中压电源作为补充，这就构成了以集中式供电方式为主的混合式供电方式。第一节外部电源四、外部电源对城市轨道交通供电的电压等级采用集中式供电方式的城市轨道交通供电系统，目前外部电源的电压等级一般为AC110Kv或AC63Kv，其中AC63Kv电压为东北电网所特有。采用分散式供电方式的城市轨道交通供电系统，外部电源电压等级应与城市电网电压等级一致。目前根据城市电网的情况，外部电源的电压等级有AC35Kv和AC10Kv两种。由于AC35Kv这一电压等级在各大城市电网中将逐渐被AC110Kv取代，所以一般都采用AC10Kv的电压等级。第一节外部电源五、谐波及其治理1.谐波及其产生在理想的干净供电系统中，电流和电压都是正弦波的。在只含线性元件(电阻、电感及电容)的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波。在电力系统中，谐波产生的根本原因是由于电流流经非线性负荷（如变压器、电子开关等）时，电流与所加的电压不呈线性关系而造成波形畸变，形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。第一节外部电源当电力系统向非线性负荷供电时，这些负荷在传递、变换、吸收系统发电机所供给的能量的同时，又把部分能量转换为谐波能量，向电力系统倒送大量的高次谐波，使电力系统的正弦波形发生畸变，使电能质量降低。城市轨道交通供电系统中的谐波源主要为电子开关型，即城市轨道交通中广泛使用的各种交直流换流装置（整流器、逆变器）以及双向晶闸管可控开关设备。牵引供电系统是城市轨道交通供电系统的主要谐波源。其中采用的牵引整流机组的容量、整流相数、接线方式等对正弦波形的畸变程度有较大的影响。除牵引供电系统产生谐波外，动力照明系统也会产生谐波。动力照明系统的主要谐波源有变频器、荧光灯、高压气体放电灯、计算机、软启动装置、电容器。第一节外部电源2.谐波的危害谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面：1）谐波对供电线路产生了附加损耗，加大了电力运行成本；2）谐波降低了供电可靠性，影响各种电气设备的正常工作；3）谐波使电网中的电容器产生谐振，容易引发供电事故；4）谐波对附近的通信系统产生干扰，影响通信系统的正常工作。第一节外部电源3.谐波的治理谐波治理属于综合性工程。首先限制谐波源头，采取必要的技术将谐波含量降到最小，其次采取辅助措施，降低谐波的影响。1）限制电网谐波源头限制电网谐波源头的主要措施有增加牵引整流机组的脉波数和安装滤波装置或谐波补偿装置等。2）其他辅助措施除了对谐波源的限制以外还可以采取选用D，Y11接线组别的三相配电变压器、将产生谐波的供电线路和对谐波敏感的供电线路分开的方法来降低谐波的影响。第一节外部电源六、无功功率及其补偿城市轨道交通中包含了大量的自然功率因数较低的用电设备，如动力设备的功率因数一般为0.8左右，荧光灯等气体放电灯的功率因数则只有0.5。这些设备的存在使得供电系统的功率因数较低，就会增大供电线路和设备的能量损耗，使供电设备的利用率较低，因此必需进行适当的无功补偿。城轨供电系统中无功功率主要来源于感性负载（如异步电动机、变压器、荧光灯等）。另外，电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一定无功功率；电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，这些装置工作时也会产生大量的谐波电流，谐波源都是要消耗无功功率的。第一节外部电源无功功率危害主要表现在以下几方面：1）供电线路中增加了无功功率的有功损耗，导致变送电设备、供电线路、用电设备发热程度加重。2）无功电流在供电线路上产生的电压降，导致线路末端的输出电压降低，致使用电设备的实际输出功率降低。3）变送电设备的负荷容量一定，增加了无功容量Q，则有功输出容量P降低。4）电网中的电流与电压的相位不同相，产生较为严重的谐波分量，导致供电网络电压不稳定和谐波干扰增大。第一节外部电源城市轨道交通供电系统对无功功率补偿的方式按其补偿装置的安装地点不同，可以分为以下几种：1.就地补偿就是将低压电容器组与电动机并联，通过控制、保护装置与电机同时投切。对于荧光灯、气体放电灯的无功补偿也可采用就地补偿方式，让这些照明灯具自带电容器，将它们与自带电容器并联来补偿无功功率。2.集中补偿集中补偿又分为主变电所集中补偿和低压集中补偿。主变电所集中补偿是针对中压网络的无功平衡，在主变电所中进行集中补偿。低压集中补偿是以无功补偿装置作为控制保护装置，将低压电容器组设在变电所低压0.4Kv母线上的补偿方式。它能根据低压侧负荷水平的波动投入相应数量的电容器来进行跟踪补偿。是目前补偿无功最常见的手段之一。第二节主变电所 如果外部电源采用集中式供电方式，则应建设城市轨道交通用的主变电所。城轨主变电所的功能是接受城市电网提供的高压电源，经降压后为牵引变电所、降压变电所提供中压电源。一、主变电所概述城市轨道交通主变电所将城市电网的高压110KV（或220KV）电能降压后以35KV或10KV的电压等级分别供给牵引变电所和降压变电所。根据城市轨道交通用电负荷的特点，城轨的主变电所一般沿线路布置。根据线路末端的电压损失要求来确定主变电所的数量。为保证供电的可靠性，城轨供电系统通常设置两座或两座以上主变电所。第二节主变电所 主变电所按其降压方式的不同可分为三级电压制供电方式主变电所和两级电压制供电方式的主变电所。第二节主变电所 第二节主变电所 二、主变电所的主要设备主变电所中主要的电气设备是开关设备、主变压器、直流电源设备、自动监控设备。1.主变压器主变压器是城轨交通主变电所中的最主要的电气设备，其作用是将从城网引入的高压电源转换成城轨牵引供电系统所需要的中压电源。目前，国内城市轨道交通主变电所均设置两台主变压器，互为备用。正常情况下，两台变压器并列运行，各负担50%的用电负荷。第二节主变电所 每台变压器容量大约在20MVA～40MVA范围，当发生故障时，应满足如下条件：1）当一台主变压器发生故障时，另一台主变压器应能满足该供电区域高峰小时牵引负荷和动力及照明一、二级负荷的供电。2）当一座变电所因故解列时，剩余主变电所应能承担全线的动力和照明一、二级负荷及牵引负荷。为了减少城网电压波动和负荷变化对城轨中压系统的电压质量影响，主变压器多采用有载调压型电力变压器。有载调压开关具有就地、远方操作功能，安装在高压侧。由于油浸式变压器价格低，应用成熟，国内城轨供电系统主变电所中大多采用三相、自冷油浸式、有载调压变压器，主变压器一般采用Y,d接线，主要有110/35kV、110/33kV和110/10kV三种形式。第二节主变电所 第二节主变电所我国有关规定，主变压器的110kv侧应采取中性点直接接地方式。但实际运行中主变压器高压侧是否直接接地，则根据地区电网具体运行情况确定。有时一个主变电所的两台主变压器，其高压侧一台接地而另一台不接地。由于城轨供电系统中压网络的电容电流较大，因此其主变压器的中性点应经过消弧线圈接地或小电阻接地。对于采用Y,d接线的主变压器，当主变压器无中性点或中性点未引出时。应装设专用的接地变压器。接地变压器采用曲折形接法，并具有零序阻抗低，空载阻抗高，损失小的特性。主变压器一般有重瓦斯保护、差动保护和主变压器过流保护等。第二节主变电所2.开关设备主变电所中的开关设备分为高压侧（110kv侧）开关设备和中压侧（35Kv或10kv侧）开关设备。它们都是通断电路的重要设备。110kv侧开关设备采用户内安装的110KV全封闭六氟化硫组合电器设备，SF6气体绝缘的金属封闭开关设备,简称GIS。第二节开关设备GIS是由各种开关电器：断路器GCB、隔离开关DS、接地开关ES、母线、现地汇控柜LCP以及电流互感器CT、电压互感器VT和避雷器LA等组成的电力设备,具有结构紧凑、抗污染能力强、运行安全、外型美观、设备占用空间小等特点。除母线为三相共箱式外，其余均为三相分箱式。110kv侧GIS一般采用FS6断路器、液压操作机构。中压侧电压为35kV的中压开关设备多采用GIS，，以减小变电所的土建规模，但均为三相分箱式，采用真空断路器，操作机构为弹簧储能式或液压弹簧式，采用三工位隔离开关和接地刀闸。中压侧电压为10kV的开关设备，则可采用空气绝缘的金属铠装开关柜，内部设有不同功能隔室，手车可为落地式或中置式。第二节主变电所3.直流电源设备作用:为监控设备、车站应急照明及紧急疏散标志等提供不间断直流电源。线路正常时，直流电源设备为它的服务对象提供稳定的直流电源，并对蓄电池进行充电。故障时由蓄电池提供1～2小时的直流供电。第二节主变电所4.自动监控设备自动监控设备用于对变电所电气设备的监测和控制，并能对其进行远程控制和数据采集。根据供电系统的运行状况，自动切换电气设备和设施故障自动切除，为城轨供电系统的安全、高效运行提供保障。第二节主变电所三、主变电所向牵引变电所供电的接线方式供电系统的安全性、可靠性是城市轨道交通正常运行的重要保证。为此，牵引变电所均由两个独立的电源供电，考虑到地铁线路分布范围广，通常需要在沿线设置多个牵引变电所。向牵引变电所供电的接线方式有多种方式，现归纳成以下几种典型形式：1.环形供电接线方式第二节主变电所2.双边供电接线3.单边供电接线4.辐射形供电接线第二节主变电所第三节中压网络通过中压电缆，纵向把上级主变电所和下级牵引变电所、降压变电所连接起来，横向把全线的各个牵引变电所、降压变电所连接起来，便形成了中压网络，其功能类似于电力系统中的输电线路。根据网络功能的不同，把为牵引变电所供电的中压网络，称为牵引网络；同样，把为降压变电所供电的中压网络称为动力照明网络。中压网络有两大属性：电压等级和构成形式。一、中压供电网络的电压等级1.国家中压配电现状及发展方向我国现行中压配电标准电压等级有：66kV、35kV、10kV。第三节中压网络2.国内城市轨道交通中压网络现状及发展思路国内既有城市轨道交通的中压网络电压等级采用了35kV(若采用国外设备则是33kV)或10kV。近年已颁布的国家标准GB156—93中表明，20kV也是可使用的电压级。另外，已经完成送审稿的《地铁##》中规定：地铁中压网络的电压等级可采用35kV(33kV)、20kV、10kV。3.不同电压等级的中压网络的特点及比较第三节中压网络表2-1不同电压等级中压网络的综合比较由于电费在地铁和城轨交通的运营成本中占很大比例，从长远的角度考虑，中压供电网络宜选择较高的电压等级，亦即35KV或20KV为优选方案。 序号 项　　目 35kv 33kv 20kv 10kv 1 输电容量 较大 较大 中 小 2 输电距离 较长 较长 中 小 3 电能损耗 小 小 较小 大 4 设备价格 高 最高 中 低 5 设备国产化 国产 国外 国产 国产 6 设备体积及占地面积 较大 较小 中 小 7 环网柜情况 无 有 有 有 8 国内城市电网应用 拟取消 有 有，很少 广泛应用 9 城市轨道交通应用 国内采用 国内外采用 国外采用 国内外采用 10 适用标准 国家标准 国际标准 国际标准 国家、国际标准第三节中压网络三、中压网络的构成1.中压网络的构成原则1)满足安全可靠的供电要求；2)满足潮流计算要求，即设备容量及电压降要满足要求；3)满足负荷分配平衡的要求；4)满足继电保护的要求；5)满足运行治理、倒闸操纵的要求；6)每一个牵引变电所、降压变电所均应有两路电源；7)系统接线方式尽量简单；8)供电分区应就近引进电源，必要时可从负荷中心处引进电源，尽量避免返送电；9)全线牵引变电所、降压变电所的主接线尽量一致；10)满足设备选型要求。第三节中压网络中压供电网络既可采用牵引和动力照明同用一个供电网络的方案，即牵引动力照明混合网络；也可以采用牵引和动力照明供电网络相对独立的两个供电网络方案，即牵引供电网络、动力照明供电网络。对于集中式外部电源方案，牵引网络和动力照明网络，可以采用相对独立的形式，即牵引动力照明独立网络，也可以共用同一个中压网络，即牵引动力照明混合网络。对于分散式外部电源方案，采用牵引动力照明混合网络。目前，我国城市轨道交通工程有的采用了牵引动力照明混合网络，有的则采用了牵引动力照明独立网络；国外有的地铁采用了牵引动力照明独立网络。下面以集中式供电系统的中压网络为例，介绍中压网络的构成方式。第三节中压网络（1）独立的牵引网络当中压网络为两个不同电压级时，35(33)kV牵引网络常用独立网络方式。独立的牵引网络常用接线方式有如图2-17所示A、B、C、D四种类型。第三节中压网络(2)独立的动力照明网络当中压网络为两个不同电压级时，10kV动力照明网络采用独立的网络，独立动力照明网络的基本接线方式如图2-18所示。第三节中压网络（3）牵引动力照明混合网络当牵引网络与动力照明网络采用同一电压等级时，就可采用牵引动力照明混合网络，其基本接线方式如图2-19所示。