浅谈城市轨道交通供电系统
摘要：针对城市轨道交通运输业的快速发展，供电系统在其中得到的广泛应用，对城市轨道交通供电系统的组成及应用特点进行浅析，并对地铁供电系统进行了详细分析，说明了城市轨道交通供电系统的应用特殊性。
关键词：城市轨道交通 供电系统 地铁供电
前言：随着城市轨道交通事业不断发展，供电系统作为城市轨道交通的重要组成部分，大量采用先进技术与新型设备，逐步实现监控自动化、远动化，运行管理智能化，性能检测及故障诊断现代化。
城市轨道交通供电系统是为城市轨道交通运营提供所需电能的系统，不仅为城市轨道交通电动列车提供牵引用电，而且还为城市轨道交通运营服务的其他设施提供电能，如照明、通风、空调、给排水、通信、信号、防灾报警、自动扶梯等。在城市轨道交通的运营中，供电一旦中断，不仅会造成城市轨道交通运输系统的瘫痪，而且还会危及乘客生命安全和造成财产的损失。因此，高度安全可靠而又经济合理的电力供给是城市轨道交通正常运营的重要保证和前提。
地铁作为城市轨道交通中的重要组成部分，其供电系统也是城市轨道交通供电系统的典型应用。
一、 城市轨道交通供电系统概述
（一）、城市轨道交通供电系统概述
1、城市轨道交通供电系统的供电制式
城市轨道交通的供电系统，由变电所、接触网（接触轨）和回流网三部分组成。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。
2、国外轨道交通供电系统的发展
电力牵引用于轨道交通已有100多年的历史，随着经济和科学技术的不断发展，用于轨道交通的电力牵引方式有许多不同的制式出现。这里所说的制式是指供电系统向电动车辆或电力机车供电所采用的电流和电压制式。
3、国内轨道交通供电系统的发展现状
我国自1969年建成北京第一条地下铁道之后，相继已有上海、广州等城市的轨道交通投入商业运营。其中北京和天津地铁采用DC750V第三轨馈电。上海、广州、南京、深圳和大连采用DC1500V接触网馈电。苏州、杭州、武汉和青岛采用DC750V第三轨馈电。
（二）、城市轨道交通供电系统的组成
城市轨道交通作为城市电网的一个用户，一般都直接从城市电网取得电能，无需单独建设电厂；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）和牵引供电系统、电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。
城市轨道交通的供电系统可分为交流高中压（HMV）、牵引供电（TPS）、接触网（OCS）、电力监控（SCA）等子系统。
（三）、城市轨道交通供电系统的特点
二、 地铁供电系统
（一）、概论
地铁供电系统的电压等级一般为交流中压10~35kV之间，通过牵引变电所变压整流，经牵引网供给电动车辆的电压为直流750V或1500V，通过降压变电所将交流中压变为低压380V/220V供给地铁车站、区间的动力照明和其他需要低压电源的通信、信号及各种自动化设备。所以这些，都需要地铁有一个结构完善、功能齐全、安全可靠、调度方便的供电系统供电，使地铁的所有电气设备各自发挥自己的功能，同时又与其他系统相互电磁兼容，使每个系统都能正常发挥自己的作用，保证地铁安全、快捷地运送旅客。
1、供电系统的功能
目前世界各国的地铁无一例外地皆采用电力牵引，电能的供应和传输是地铁安全、可靠运行的重要保证。供电系统的服务对象除运送旅客的电动车辆外，还有保证旅客在旅行中有良好卫生环境和秩序的通风换气、空调设施、自动扶梯、自动售检票、屏蔽门、排水泵、排污泵、通信信号、消防设施和各种照明，这些构成了地铁这个用户的庞大用电群体。供电系统就是保证地铁的各种用电设施发挥各自的功能和作用，给不同电压等级、不同电压制式的用电设备供电，保证地铁的电动车辆畅行无阻、安全而迅速地运送旅客。可以说，供电系统是地铁的大动脉，是基础能源设施。
地铁供电系统应具备安全可靠、调度方便、技术先进、功能齐全、经济合理的特点，并应具备以下所述一些功能：
1.1.全方位的服务功能
地铁供电系统是为地铁安全运营服务的，保证地铁的所有电气用户安全、可靠地用电是它的职责。
1.2故障自救功能
系统的安全性、可靠性是供电系统首先要考虑的重要因素，无论供电系统如何构成，采用什么样的设备，安全、可靠地供电总是第一位的。
1.3系统的自我保护功能
系统应有完善、协调的保护措施，供电系统的各级继电保护应相互配合和协调，当系统发生故障时，应当只切除故障部分的设备，从而使故障范围缩小。
1.4防止误操作的功能
系统中任何一个环节的操作都应有相应的联锁条件，不允许因误操作而导致发生故障。
1.5方便灵活的调度功能
系统应能在控制中心进行集中控制、监视和测量，并应能根据运行需要，方便灵活的进行调度，变更运行方式，分配负荷潮流，使系统的运行更加经济合理。
1.6完善的控制、显示和计量功能
系统应能进行就地和远程控制，并可以方便地进行操作转换，系统各环节的运行状态应有明确的显示，使运行人员一目了然。
1.7电磁兼容功能
按照国际电工委员会（IEC）对电磁兼容（EMC）的定义“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力”，其中“任何事物”可以是设备、装置、系统，也可以是有生命或无生命的物体。
2、供电系统的构成
地铁供电系统有两大部分组成：一部分由城市电网引入的电源；另一部分为地铁内部供电系统，即通常所说的供电系统，包括主变电所、牵引供电系统、供配电系统。地铁供电系统对城市电网是用户，对地铁内部的用电设备是电源，作为城市电网的一个重要用户，一般都直接从城市电网取得电能，无需单独建设电厂。城市电网对地铁供电的电压等级目前国内有110kV、63kV、35kV和10kV，20kV电压也已作为方案被提出，究竟采用哪一种电压等级，由不同城市电网构成的特点和地铁的实际需要而定。
2.1城市电网对地铁的供电方式
城市电网对地铁的供电方式有3种：集中式供电、分散式供电和混合式供电。
2.2供电系统的构成
对于集中式供电方式，由以下几部分组成：
（1）主变电所
（2）中压网络
（3）牵引供电系统
（4）供配电系统
分散式供电只比集中式供电少建主变电所，电源直接从城市电网引入。
2.3供电系统的分割与接口
地铁工程是一项复杂的系统工程，是由多个工种和系统共同组成一个庞大的系统工程，供电系统仅是这些系统中的一个组成部分，它直接影响着城市轨道交通运行的安全。
2.4供电要求及电压等级
地铁作为城市电网的重要用户，属一级负荷。地铁供电系统的主变电所、牵引变电所、降压变电所，都要求获得两路电源。
各种不同等级的电压构成地下铁道完善、适用、安全、可靠的供电系统，以保证地铁正常运行所必须的电能供应。
3、供电系统电磁兼容
地铁是强电、弱电多个系统共同组成的电磁环境，为了使各种电气设备或系统在这个电磁环境中能正常工作，且不对该环境中其他设备、装置或系统构成不能承受的电磁骚扰，对电气和电子设备或系统内部以及和其他系统之间的电磁兼容显得尤为重要。
在地铁这个电磁环境中，应首先研究构成电磁兼容的三要素－－骚扰源、耦合途径、敏感设备。采取必要的技术措施，以抑制骚扰源、消除或减弱骚扰耦合、提高敏感设备的抗干扰能力。
3.1抑制骚扰源
（1）谐波抑制
（2）杂散电流抑制
（3）敷设杂散电流收集网
3.2消除或减弱骚扰耦合
（1）屏蔽 屏蔽并接地是消除或减弱感应骚扰和辐射骚扰的唯一途径。因此，对供电系统无论是设备内部还是设备本身，都应采取屏蔽措施，以消除或减弱感应骚扰和辐射骚扰。
（2）电缆敷设。
3.3提高敏感设备的抗干扰能力
（1）防雷 对大自然产生的雷电现象，供电系统属于敏感设备，是首当其冲的受害者，在技术上应严加防范。
（2）接地。
（二）、电源与主变电所
1、电源
地铁供电系统包括4个部分，即电源、主变电所、牵引供电系统和供配电系统。电源由城市电网引入，根据不同城市电网构成，采用合适的供电方式。城市电网对地铁的供电方式可分为以下3种形式。
1.1集中式供电
由地铁专用主变电所构成的供电方案，称为集中式供电。
1.2分散式供电
在地铁沿线直接由城市电网引入多路地铁所需要的电源而构成的供电系统称之为分散式供电。
1.3混合式供电
以集中式供电为主，个别地段直接引入城市电网电源作为补充，称之为混合式供电。
2、主变电所
主变电所的位置、容量的确定，应根据牵引供电系统计算和供配电系统计算结果确定，最终应征得供电、规划部门的确认。遵循靠近线路、负荷平衡、资源共享的原则，达到节能的效果。因主变电所运行时要接入城市电网，都需要通过城市供电部门的审查。
3、电源等级
3.1电源等级
地铁主变电所属一级负荷，需要引入双路110kV或63kV高压电源对地铁供电系统供电，既然属一级负荷，应按照国家标准对一级负荷的要求进行建设。
3.2正确理解和适用国标对电源的要求
特别注意的是，一台主变压器或一座主变电所故障退出运行后，供电区可以重新调度和划分，这样才能充分发挥系统的功能，是系统运行更加经济合理。
4、中压供电网络
4.1中压供电网络的概念
中压供电网络是通过中压电缆，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，构成了中压供电系统。
4.2中压供电网络的电压等级
中压供电网络电压等级与外电源供电方式的确定，与城市电网的分布与容量紧密相关，国内通常采用的中压供电网络为10kV、35kV两个电压等级
4.3中压供电网络的构成原则
尽管构成中压供电网络的电压级和形式不同，但都应符合以下4条原则：
（1）安全可靠，经济合理，满足供应电的要求。
（2）接线简单，负荷平衡，保护完善。
（3）环网供电，调度方便，误操作机会为零。
（4）各种变电所皆为双电源，主接线尽可能一致。
（三）、牵引供电系统
1、牵引供电系统运行方式
牵引供电系统由牵引变电所和牵引网两部分组成，两者在运行中应相互协调、统一调度。牵引供电系统因其本身的特点，与地面工程的其他供电系统或配电系统的运行方式也有差异，因此在设计上应满足这些要求，用最小的投资最大限度地发挥系统的效能，保证列车的安全正常运行。
1.1单边供电不是设计的限制条件
单边供电指馈电区只从一侧牵引变电所取得电源，单边供电只是运行中一种可能采用的临时供电方式，而不是牵引供电计算的限制条件。
1.2牵引供电系统按双边供电设计
双边供电是指任何一个馈电区同时从两侧牵引变电所取得两路电源。
1.3大双边供电的两种方式
鉴于双边供电比单边供电有很多优点，系统中任何一座牵引变电所故障解列时，也应采取技术措施，实行大双边供电。
1.4牵引变电所双机组并列运行
因治理谐波的需要，牵引变电所多采用双机组构成等效24脉冲整流，无论是在正常工况还是在相邻变电所故障解列的工况下，在高峰小时牵引变电所都应采用双机组并列运行方式，以满足列车运行和治理谐波的需要。
1.5单机组运行是有条件的
在一天的运行中，除高峰小时以外的其他时间，牵引变电所可以单机组运行，但必须满足下列两个条件：
（1）牵引负荷不能大于单机组允许的过负荷能力。
（2）单机组的12脉波整流所产生的谐波能与供电系统中的其他用户电磁兼容，并满足谐波治理的规定。
1.6允许系统中任何一座牵引变电所故障解列
在牵引供电系统中可以有几座牵引变电所退出运行而不影响最大客流的运输能力，它们的条件是“故障或退出运行的牵引变电所必须是相隔两座牵引变电所”。
2、牵引供电系统保护
2.1概述
地铁供电系统可分为两个部分：交流中压系统和直流牵引系统。
2.2牵引变电所联跳
当牵引变电所两台整流机组的直流（或交流）进线开关故障跳闸时，同时联跳四路直流馈出开关，称之为变电所联跳。
2.3牵引变压器保护
牵引变压器保护的设置和整定，其原则是应当是根据牵引负荷的特点，保证牵引整流机组的过负荷能力的充分利用，以提高牵引变电所的效率。
2.4硅整流器保护
硅整流器除其本身对硅元件的保护外，在直流侧，应设直流快速断路器，从保护和实现自动化上都是非常有利的。
2.5直流正极接地保护（框架保护）
直流正极接地保护，也称直流框架保护，当变电所发生发生直流接地时，通过接地继电器动作而使开关跳闸。
2.6直流馈出保护
直流馈出保护，在牵引供电系统中是最重要的保护，这是由它的供电方式和供电对象的特点决定的。
2.7牵引供电系统联跳保护
牵引网的几种联跳保护方式：正常双边联跳；牵引网大双边联跳；牵引网单边联跳。
2.8隔离开关的操作联锁
牵引供电系统的直流侧因运行需要，设置了一些必要的隔离开关，无论是电动的还是手动的，都不能带负荷操作，为保证设备和人身安全，都应该设置必要的操作联锁。
2.9用直流快速断路器代替纵向电动隔离开关
目前国内地铁多在牵引网电分段处设纵向电动隔离开关，以保证在牵引变电所解列时实行大双边供电。
3、牵引变电所
牵引变电所是牵引供电系统的核心，它担负为电动列车直流电能的供应，它的站位设置、容量大小，需根据所采用的车辆型式、车流密度、列车编组，经过牵引供电计算，经多方案比选确定。
3.1主接线
牵引变电所主接线有两部分组成：中压交流侧和牵引直流侧。
3.2容量与谐波
（1）容量 牵引变电所的容量，应根据车辆类型、列车运行图或发车间隔等进行牵引供电计算。
（2）谐波治理 谐波是牵引供电系统由交流变为脉动直流时必然要产生的高次交流成分，交流成分的脉波数和大小与整流的脉波数有关。
4、牵引网
4.1牵引网的分类
地铁牵引网为沿线路敷设专为电动车辆供给电源的设备。
4.2两种牵引网供电制式同时并存
目前，世界上采用接触轨供电方式的线路长度占80%以上，采用架空接触网的线路长度不足20%。接触轨和架空接触网各自有其优缺点。
4.3牵引网的供电方式
（1）双边供电；（2）不允许纽结式供电；（3）电分段的分类；
（4）电分段的设置；（5）接触网供电；（6）接触网设计需要的条件；（7）接触轨的敷设；（8）架空接触网的敷设。
（四）、供配电系统
1、概述
地下铁道供配电系统和牵引供电系统同样是地铁供电系统的重要组成部分，地下铁道除了直流电动车辆外，其他所有交流低压负荷都由供配电系统供电。供配电系统由两部分组成：降压变电所和动力照明系统。
2、降压变电所
（1）位置的确定；（2）安装方式；（3）电源；（4）主接线；（5）操作电源；（6）应急电源
3、动力照明
（1）动力照明系统采用220/380V三相四线制配电系统（TN-S系统）。
（2）低压负荷按其用途和重要性可分为3级。
（3）对三种负荷供电的技术要求。
（4）在车站两端的站台层和站厅层，各设一配电室。
（5）动力照明的配电方式基本上采用反射式供电，个别负荷采用树干式供电。
（6）对于大容量的动力设备和主要用户应由降压变电所直接供电。
（7）移动式用电设备回路应装设漏电开关，安全照明回路也宜装设漏电开关。
（8）为便于运营管理，一般动力设备应首先采用直接起动。
（9）用电设备的双电源切换箱应当设计成自投自复装置。
（10）为使低压配电回路上下级之间的配合，开关脱扣器整定与时限的配合应按一定的原则处理。
（五）、电缆敷设与接地
1、电缆敷设
地铁供电系统由各种不同电压等级和不同型号规格的电力电缆、控制电缆联系而成的一个庞大系统，几乎没有架空线路，这些电缆的走向及敷设除满足电力规程的规定要求外，对于地铁的电缆敷设还形成一些自己所特有的模式。因受空间和限界的制约，电缆敷设的路径、敷设的高度、跨越等地铁都有特殊的规定。
2、接地
“外引接地，绝缘引入”，即在地铁结构外打接地极，引入地铁结构内构成综合接地装置。
（六）、电力监控与数字采集（SCADA）系统
1、 SCADA系统的作用
电力监控与数字采集（SCADA）系统的作用是保证调度人员在控制中心对供电系统的主变电所、牵引供电系统及供配电系统的供电设备运行状态进行监视、控制及数据采集，直观了解所有运行设备的工作状况，使供电系统安全、可靠地经济运行。
2、 SCADA系统的构成
SCADA系统由控制中心的主站设备（调度端）、设置在变电所内的变电所综合自动化子系统（执行端）和信息通道3部分组成。
3、 SCADA系统功能
（1）遥控功能；（2）遥测功能；（3）遥信功能；（4）显示功能；
（5）事故追忆及系统自检功能；（6）数据处理功能；（7）打印功能；
（8）汉字功能；（9）口令功能；（10）培训功能；（11）系统应为远期发展留有一定的裕度。
4、自动化系统组成
地铁是个庞大的系统工程，自动化系统集成是地铁各专业控制系统的综合，它包括电力SCADA系统、行车调度管理系统、环控（BAS）系统、机电设备管理系统（EMCS）、自动售检票（AFC）系统、防灾系统（FAS）、地理信息系统（GIS）、设备管理与维护系统（CMMS）等。
（七）、杂散电流
1、概述
杂散电流，即走行轨中泄漏、不经过正常回路的电流。
2、杂散电流的产生
杂散电流的产生和其他电流的产生一样，都是由于存在电位差才产生电流。列车运行时，作为回路网的走行轨，对地产生电位，而走行轨对地存在过渡电阻，因而会产生杂散电流。
3、杂散电流的防护
对杂散电流的防护的原则是“以防为主、以排为辅、防排结合、加强监测”。
（1）对供电专业的要求；（2）对线路的要求；（3）对各种金属管线的要求；（4）对主体结构的要求；（5）对车辆段的要求。
（八）、地铁供电的几个问题
地铁供电，除了牵引供电和地面工程不同外，其他与地面工程的供电没有什么不同，故关于地面工程相关的一些规程和规范，完全适用于地铁。地铁牵引供电系统的特点就是电源多、回路多、参数多，这些与地面工程供电不同。
1、牵引供电系统的运行方式
地铁牵引供电系统，是在几十千米范围内一个庞大的系统，有十几座或更多的牵引变电所和沿线敷设的牵引网构成。为保证列车快速安全的运行，牵引供电系统根据实际运营需要，可以有不同的运行方式。
（1）正常运行方式；（2）单机组运行；（3）双机组解列退出运行；（4）系统中允许几座牵引变电所同时解列退出运行。
2、牵引供电系统的缺点
（1）馈线开关没有远后备保护；
（2）馈线开关保护掩盖车辆主保护
3、单、双供电问题
（1）地铁牵引网无论是正常运行还是非正常运行方式，都应采用双边供电或大双边供电。在供电距离相同的情况下，因为双边供电比单边供电无论是降低电压损失还是功率损失、减少杂散电流，都具有明显的优点。
（2）单边供电的用处 虽然双边供电有许多优点，但下列场合仍适用单边供电方式：
1）车场线、停车线、检修线、试车线
2）当线路终端牵引变电所故障解列或一路馈线开关故障退出运行时
4、走形轨电压降不等于对地电位
地铁电动车辆取流时在牵引网中的电压损失（电压降）由两部分组成，正极接触网电压降和负极走行轨电压降，其中走行轨电压降是牵引网电压降的一部分，它是形成走行轨对地电位的原因，并不是走行轨电位。
5、走形轨电压降等于对地电位的条件
只有当牵引变电所负极直接接地时，其负极即为地电位（0电位），走行轨电压降才等于对地电位。
6、关于钢轨电位限制器
（1）安装钢轨电位限制器的原因
（2）直流750V系统根本算不出走行轨对地电位超过100V
（3）直流1500V牵引网系统走行轨对地电位超过100V是有条件的
（4）关于安装钢轨电位限制器
7、屏蔽门、安全门的安装
屏蔽门、安全门的安装，与供电系统并无关系，最多也就是送两路低电压源而已。
（1）将屏蔽门、安全门与走行轨做等电位联结
（2）屏蔽门、安全门直接接地，并与走行轨做等电位联结
（3）屏蔽门、安全门直接接地，不与走行轨做等电位联结
（4）屏蔽门、安全门绝缘安装、站台设绝缘安全带
8、关于直流框架保护
所谓直流框架保护，即直流接地保护。
（1）直流设备绝缘安装实际上是直接接地
（2）框架保护的电压线圈无用
（3）框架保护在地下牵引变电所的作用
（4）地下牵引变电所的直流设备无需绝缘安装
（5）框架保护适用于地面牵引变电所
9、地铁接地问题
目前地下变电所的接地，实际上存在三种形式：
（1）利用地下结构钢筋做自然接地体，接地电阻在0.5欧姆以下
（2）仍然是“外引接地、绝缘引入”
（3）利用地下结构钢筋做接地体，并加外引接地有害而无益
（4）地铁的两个“地” 地铁实际上存在两个地－－走行轨和钢筋结构。
（九）、牵引供电计算
1、概述
牵引负荷与一般动力照明负荷不同，有两大特点，即规律性和流动性。
（1）牵引负荷的特点：规律性、流动性
（2）牵引供电计算方法：平均运量法、运行图法
2、地铁供电估算
（1）概述 目前国内已有多个城市修建地铁，除少数地铁供电系统采用分散式供电外，大多采用集中式供电方式，修建地铁专用主变电所或电源开闭所。
（2）地铁供电容量估算前提：通用设计条件、变压器负载率。
（3）主变电所容量估算：主变电所的电源等级、正确理解和适用国标对电源的要求、主变电所的供电范围、地铁应急电源系统的确定。
（4）评价地铁供电系统的量化指标：牵引变电所平均距离、牵引变压器单位安装容量、降压变电所单位安装容量、主变电所单位安装容量
3、直线电机牵引
（1）直线电机牵引的特点：车体重量轻、体量小、载人少；每辆车都是动车，且只能安装两台直线电机；受空间、数量的限制；噪声低；爬坡能力强；车辆的弯曲半径小；车辆地板低、体量小，土建开挖量小；适用于中、小运量的线路。
（2）直线电机牵引并不节能 理论上不节能；实践证明也不节能；运输能力上也不节能。
（十）、直流短路计算
1、概述
地铁供电系统的短路计算，包括两部分：一是交流中压侧短路计算；二是牵引网直流侧短路计算。
直流短路计算有两种计算方法－－电路图法和示波图法。
2、直流开关分段能力计算
（1）概述 直流开关的分断能力，亦称极限分断能力，是指开关在规定的实验条件下，即实验电压、时间常数、稳态短路电流时的分断电弧能力。
（2）直流短路电流的变化规律
（3）开关分断能力计算：开关分断电弧的磁场能量。
参 考 文 献
[1]城市轨道交通供电．宋奇吼、李学武等北京：中国铁道出版社，2009
[2] 黄德胜、张巍．地下铁道供电．北京：中国电力出版社，2010
[3] 广州市地下铁道总公司．地铁科技文集2009．广东：华南理工大学出版社，2009
