城市轨道交通供电系统

为城市轨道交通运营提供所需电能的系统称为城市轨道交通供电系统。它的供电负荷包括：为城市轨道交通电动列车提供牵引用电；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。

一、城市轨道交通供电系统的组成

《地铁设计规范》（GB 50157—2013）指出：城市轨道交通供电系统由五部分组成，即外部电源、主变电所（或者电源开闭所）、牵引供电系统（包括牵引变电所和牵引网）、动力照明系统（包括降压变电所与动力照明配电系统）、电力监控系统。

城市轨道交通供电系统示意图如图1.15所示。

1. 外部电源

对地铁内部的用电设备而言，城市轨道交通供电系统是电源；而对城市电网来讲，城市轨道交通供电系统是电能用户。它一般都直接从城市电网取得电能，无需单独建设电厂。

目前国内城市电网对地铁供电的电压等级有110 kV、63 kV、35 kV和10 kV，20 kV电压等级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。

城市电网对地铁的供电方式有三种：集中式供电、分散式供电和混合式供电。

（1）集中式供电

地铁在其线路附近建设专用的主变电所，由本线路或者其他线路的主变电所为本线路牵引变电所及降压变电所供电的外部供电方式称为集中式供电。

主变电所的设置，既要考虑负荷平衡，也要考虑与其他地铁线路的资源共享。一座主变电所可为几条线路同时供电，为保证供电的可靠性，一条线一般设置两座或两座以上的主变电所。除北京外，我国其他城市如（上海、广州、深圳、南京、郑州等）的地铁，多采用集中式供电方式。郑州地铁预计建设6条地铁线路，规划设计7座主变电所。

主变电所进线电压等级根据地区不同，一般为110 kV，东北地区为63 kV。主变电所馈出线的电压等级一般为35 kV或者10 kV。

集中式供电方式示意图如图1.16所示。

图1.15　城市轨道交通供电系统示意图

图1.16　集中式供电方式示意图

（2）分散式供电

由沿线引入城市中压电源，为地铁线路的牵引变电所及降压变电所供电的外部供电方式称为分散式供电。

分散式供电不设主变电所，直接从城网引入10 kV（或35 kV）电源，经开闭所配给地铁各站、段。北京地铁和大连轻轨等采用了分散式供电。分散式供电要保证每座牵引变电所或降压变电所都能获得两路电源。如图1.17所示为某条分散式供电地铁线路的示意图，一条地铁线路设置了6个电源开闭所，为16个站、段的变电所供电。

（3）混合式供电

由主变电所和城市中压电源共同为牵引变电所及降压变电所供电的外部供电方式称为混合式供电。

当一条地铁线路很长，远端站点的变电所到主变电所的距离太远时，这些远端站点的变电所可以直接从附近的城市中压电源获取电能，形成以集中式供电为主、分散式供电为补充的一种供电方式。这种供电方式也只能是10 kV电压等级。

图1.17　某条分散式供电地铁线路的示意图

集中式供电和分散式供电的优缺点比较如表1.2所示。分散式供电方式虽然不需要专门建立主变电所，但其要求的电源点多，与电力部门接口较多，管理难度大。本书讲解以集中式供电方式为主。

表1.2　供电方式比较表

续表

2. 主变电所（或者电源开闭所）

为地铁建设的专用变电所，只有采用集中式供电方式时才设置，专为地铁牵引供电系统和供配电系统供电。主变电所一般沿地铁线路靠近车站的位置建设，以便于电缆线路的引入。

3. 中压网络

联系主变电所、牵引变电所、降压变电所的供电网络，一般采用电缆线路、环网供电方式。

4. 牵引供电系统

牵引供电系统包括牵引变电所、沿线敷设的牵引网。专为电动列车服务，完成向列车输送电能的任务。

（1）组成与要求

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（称轨道回路）、回流线流回牵引变电所。由馈电线、接触网（接触轨）、轨道回路及回流线组成的供电网络称为牵引网。

城市轨道交通牵引供电系统示意如图1.18所示，其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。一般情况下与车站的降压变电所合建，称为牵引降压混合变电所。

接触网（或接触轨）：经过电动列车的受电器向电动列车供给电能的导电网（有接触轨和架空接触网两种形式）。

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，将接触网分成若干段，称为电分段。

图1.18　牵引供电系统示意图

1—牵引变电所；2—馈电线；3—接触网（轨）；4—电动列车；5—钢轨；6—回流线；7—电分段

轨道：列车行走时，利用走行轨作为牵引电流回流的电路。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。

牵引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。接触网按其悬挂方式又可分为柔性（弹性）接触网和刚性接触网。习惯上，由于接触轨式是沿线路敷设的与轨道平行的附加轨，故又称第三轨。

从电压等级看，国内牵引网系统有DC 1 500 V和DC 750 V两种等级：DC 1 500 V采用架空接触网形式，个别线路（如广州地铁四号线）采用接触轨形式；DC 750 V一般采用接触轨形式。直流牵引供电系统的电压及其波动范围应符合表1.3的规定。

表1.3　直流牵引供电系统电压及其波动范围

（2）牵引供电系统供电方式

牵引供电系统供电方式指的是牵引变电所对牵引网的供电方式，包括单边供电、双边供电和大双边供电三种。

单边供电是指任何一个馈电区（牵引网）仅能从一侧牵引变电所取得电源的供电方式。车辆段内一般采用单边供电方式。

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。地铁的牵引供电系统，正常运行时正线均应采用双边供电方式。

双边供电比单边供电具有明显的优点。双边供电牵引网的平均电压损失、列车带电运行时受流器上的电压损失、列车最大平均电压损失、列车启动时最大电压损失、牵引网的功率损失等，都是单边供电的l/3～1/4。双边供电时，列车的再生能量可以被同行列车吸收，当车流密度高时再生能量更易被同行列车利用；而单边供电时，再生能量被其他同行列车吸收的可能性极小。此外，杂散电流值双边供电是单边供电的1/3～1/4。

《地铁设计规范》（GB 50157—2013）指出：“正常运行方式下，两相邻牵引变电所应对其同一供电分区采用双边供电方式”。双边供电示意图如图1.19所示，走行轨对地电位分布如图1.20所示。

图1.19　双边供电示意图

图1.20　双边供电走行轨对地电位示意图

鉴于双边供电与单边供电相比有很多优点，《地铁设计规范》（GB 50157—2013）还规定：“当正线的中间牵引变电所退出运行时，应由相邻的两座牵引变电所依靠其两套牵引整流机组的过负荷能力实施大双边供电。”

实现大双边供电有以下两种方式：

（1）利用解列的牵引变电所的直流母线构成大双边供电

如图1.21所示。当牵引变电所只有两套整流机组退出运行，并且直流母线、上下行4路馈线开关及其二次回路完好无损且能正常运行时，图中QF1、QF2、QF3、QF4、1DG、2DG、3DG、4DG合闸，可以实现该种大双边供电。

图1.21　利用直流母线构成大双边供电

利用故障变电所的直流母线将上下行的接触轨（接触网）并联起来，虽然改善了电压质量、降低了损耗，但同时也会扩大事故范围，因接触轨（接触网）一点发生短路故障时，可能引起多路馈线开关（图中QF1、QF2、QF3、QF4）跳闸，从而使事故范围扩大。

（2）利用纵向电动隔离开关构成大双边供电

当牵引变电所故障解列时，利用电分段处的纵向电动隔离开关构成大双边供电，使整座牵引变电所（含隧道开关柜）退出运行，牵引网运行不受故障牵引变电所的影响，图中两台纵向电动隔离开关lZDG、2ZDG处于合闸状态，如图1.22所示。

5. 动力照明系统

动力照明系统包括降压变电所、低压配电系统，专为地铁除电动车辆以外的所有动力照明负荷（如车站和区间的动力、照明及其他为地铁服务的自动化用电设施）供电。

图1.22　利用纵向电动隔离开关构成大双边供电

在城市轨道交通供电系统中，动力照明系统和牵引供电系统同等重要。动力照明系统中压电源侧可以和牵引供电系统中压交流侧电压一致，采用混合网络，如北京地铁、大连轻轨采用10 kV电压级；广州地铁、南京地铁、深圳地铁采用35 kV电压级；也可以和牵引供电系统电压不一致，采用独立网络，如上海地铁1、2号线，牵引供电系统采用33 kV电压级，而动力照明系统则采用10 kV电压级。动力照明系统的低压侧则完全和地面工程相同，采用220/380 V三相四线制TN-S系统，中性线和接地线分开，即三根相线、一根中性线、一根接地线。

动力照明系统的低压侧需设置有源滤波设备，一个作用是滤除大量电子变频设备产生的谐波，另外一个作用就是根据系统需求自动进行无功补偿。

低压负荷应按照动力、照明、广告照明、空调分别计量。低压开关柜一般选用抽出式开关柜。

低压负荷按其用途和重要性可分为3级：

① 一级负荷：排烟风机、消防泵、主排水泵、自动售检票机、屏蔽门、电力监控、变电所操作电源、防灾报警、通信信号、人防系统、地下车站站台、站厅照明及应急照明等。

② 二级负荷：局部通风机、普通风机、排污泵、自动扶梯、电梯等。

③ 三级负荷：空调、冷冻机、热风幕、广告照明、维修电源等。

对三种负荷供电的技术要求为：

一级负荷为双电源、双电缆，供电末端自动切换，来电自复；二级负荷为双电源、单电缆，在电源端自动切换，来电自复；三级负荷为单电源、单电缆，当电源失压时，可以自动切除。

对于一级负荷，大功率设备双电源可以来自变电所两段母线，小功率设备双电源可来自不同母线上的配电箱；对二级负荷，由两路电源单回路供电，电源在变电所自动切换；对三级负荷，由一路电源供电，当一台配电变压器故障解列时，可根据运行需要自动切除。

当一台配电变压器故障解列时，另一台配电变压器可承担全部一、二级负荷。

6. 电力监控系统

电力监控系统也称为SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）系统，即数据采集与监视控制系统。SCADA系统是以计算机为基础的DCS与电力自动化监控系统，它的应用领域很广，可以应用于电力、冶金、石油、化工、燃气、铁路等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。

地铁的电力监控系统是贯穿于整个地铁供电系统的监视控制部分，是控制技术在地铁供电系统中的应用。系统功能包括遥控、遥信、遥测、遥调，并应具备数据传输及处理、报警处理及统计报表、用户画面、自检、维护和扩展、信息查询、安全管理、系统组态、在线检测、时钟同步、培训等功能。

电力监控系统包括电力调度系统（主站）、变电所综合自动化系统（子站）以及联系主站和子站的专用数据传输通道。电力调度系统（主站）设在地铁的运营控制中心（Operation Control Center，OCC），对全线变电所及沿线供电设备实行集中监视、控制和测量。电力调度系统（主站）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、设备状态监视以及控制命令的发送等功能。变电所综合自动化系统（子站）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。专用数据传输通道一般采用光缆型式。

二、城市轨道交通供电系统的供电要求及电压等级

一般大工厂和企业用电多集中在一个地方，而地铁用电则在沿线路的几千米到几十千米范围内的一条线上，这是地铁与其他用户不同的地方。

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，都要求能获得两路电源。对双路电源的要求是：

① 双路电源要求来自不同的变电所或同一变电所的不同母线。

② 双路电源应分列运行，互为备用，即当一路电源故障时，由另一路电源承担全部一、二级负荷。

③ 电源容量按地铁远期用电量设计。为便于运营管理和减少损耗，要求集中式供电的主变电所的站位和分散式供电的电源点，要尽量靠近地铁线路，以减少引入地铁的电缆截面面积及电缆通道的距离，尽量减少电缆通道和城市地下管网的交叉和干扰。

地铁供电系统电压等级，有以下几种：

① 交流110 kV、63 kV：主变电所从城市电网引入的进线电源电压，其中63 kV电压等级为东北地区电网所特有。

② 交流35 kV：上海、广州、香港、南京、深圳地铁的牵引供电系统电源电压皆为这一电压等级。35 kV这一电压等级在各大城市电网中，将逐渐消失，而由10 kV取代，为地铁内部专用，35 kV电压等级还将继续存在下去。同时，20 kV电压等级也具有潜在的发展趋势。

③ 交流10 kV：牵引供电系统和动力照明系统可用这一电压等级，北京地铁、大连轻轨为这一电压等级。通常把3～35 kV电压等级称之为中压。

④ 交流380/220 V：动力、照明等低压负荷用电的电源电压。

⑤ 直流1 500 V：一般为架空接触网的电源电压。

⑥ 直流750 V：接触轨（第三轨）的电源电压，轻轨线路的架空接触网采用这一电压等级。

⑦ 直流220 V：变电所操作电源、应急照明电源电压。

⑧ 直流110 V：变电所操作电源电压。

由以上各种不同等级的电压构成城市轨道交通完善、适用、安全、可靠的供电系统，以保证地铁正常运行所必需的电能供应。

复习思考 >>>

1. 变电所的类型和作用有哪些？

2. 供电设备、用电设备和电力网的额定电压之间有何关系？

3. 供电质量指标主要有哪些？

4. 电力系统中性点运行方式主要有哪些？各自的应用范围是什么？

5. 中性点不接地运行方式中发生单相金属性接地故障时电压电流特点是什么？对运行有何要求？

6. 变配电所中的高压电气设备有哪些？各有什么功能？

7. 变配电所中断路器与隔离开关的操作顺序有哪些特殊要求？为什么？

8. 简述城市轨道交通的概念及其分类。

9. 简述城市轨道交通的设备系统。

10. 简述城市轨道交通供电系统的功能。

11. 简述城市轨道交通供电系统的构成及其各部分功能。

12. 简述城市电网对城市轨道交通供电系统的供电方式种类、概念及其优缺点。

13. 简述牵引供电系统供电方式种类、概念及应用。

14. 城市轨道交通供电系统对电源有哪些基本要求？

15. 城市轨道交通供电系统的电压等级有哪些？