城市轨道交通供电系统研究与设计.doc

(完整版)城市轨道交通供电系统研究与设计
科研训练结题报告

城市轨道交通供电系统研究与设计

指导教师：张俊芳

学生姓名:尹兆京 梁华斌 宁玉可

学号： 1010190456 10101904

一．背景介绍
目前，大力发展城市轨道交通已成共识。我国城市轨道交通事业正面临着前所未有的良好发展环境和难得的发展机遇。
进入21世纪，我国城市轨道交通建设将进入快速发展的阶段据。初步统计，国内目前已有十几座城市正在建造快速轨道交通工程，已实现运营线路总长度近400km。另外还有相当数量的大中城市，正在着手不同类型轨道交通建设的前期筹备工作，预计在未来中国城市发展中，轨道交通的建设速度将会不断加快。
二、 相关知识简介
1、城市轨道交通供电系统（Power supply system for urban rail transit）由电力系统经高压输电网、主变电所降压、配电网络和牵引变电所降压、换流（转换为直流电）等环节,向城市轨道快速交通线路运行的动车组输送电力的全部供电系统。
城市轨道交通供电系统通常包括两大部分，即对沿线牵引变电所输送电力的高可靠性专用外部供电系统；以及从直流牵引变电所经降压、换流后，向动车组电的直流牵引供电系统。其大致的示意图如下：

从发电厂（站）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(或一次）供电系统”.
从主降压变电站(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。直流牵引变电所将三相高压交流电变成适合电动车辆应用的低压直流电。馈电线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。走行轨道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。
2、供电制式主要包含电流制、电压等级和馈电方式，世界各国城市轨道交通均采用直流供电制式，这是因为城市轨道交通车辆功率相对城际列车是很小的,其供电距离较短，对供电电压要求不高.其电压在DC600V—DC1500V之间，我国规定采用DC750V和DC1500V两种。牵引网馈电方式分为架空接触网和接触轨两种基本类型。一般DC750V采用第三轨馈电方式，DC1500V采用架空接触网馈电方式。采用哪种供电制式必须根据城市具体条件与要求，综合分析论证，经测算采用DC750V与DC1500V供电方式单位工程成本接近，从经济上、运营维护的合理性以及备件的通用性等多方面考虑，选用DC1500V更有利一些.选择合理的供电制式要依据以下原则：
1。要与客流量相适应。城市轨道交通设计的基础为预期乘坐旅客流量。根据预测客流量选择合适的电动客车类型，一般大运量的城市轨道交通系统,多采用DC1500V电压，架空接触网馈电;中小运量的城市轨道交通系统多采用DC750V和接触轨馈电方式。比如上海、广州和大连采用DC1500V接触网馈电；长春轻轨采用DC750V接触网馈电。
2.供电要求安全可靠.城市轨道交通是城市公共交通系统中的脊梁,一旦发生故障，造成列车停运，就会影响市民生活，引起城市交通混乱。安全可靠是选择供电制式的重要条件之一.
3.牵引网使用寿命长,减少维修工作量,降低轨道交通运营成本.
4。根据城市人文景观、地理环境需要选择合适的牵引网。
5。便于安装和事故抢修。选用的牵引网应便于施工安装以及正常运营后的日常维修维护，一旦发生故障，尽快恢复运营。
3、接触网是城市轨道交通系统中不可或缺的组成部分，占有非常重要的位置，是传递能量的桥梁。接触网分为柔性接触网和刚性接触网，柔性接触网由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基础四部分组成，刚性接触网是通过改革研制的新产品，相对柔性接触网来说具有整体结构简单、无需下锚装置、线叉及锚段关节安装调试方便等优点。柔性接触网暴露于空气，长期面临着外界温度应力变化，处于经常被受电弓抬升摩擦的工作环境中，其电可靠性、安全性及供电质量对城市轨道交通起着相当重要的作用。柔性接触网分类大多以接触悬挂的类型来区分，在一条线路上，为了满足供电和机械方面的要求，把接触网分成若干一定长度且相互独立的分段,这就是接触网的锚段。根据每个锚段结构的不同分为简单接触悬挂和链型接触悬挂。简单悬挂的优点是结构简单、支柱高度低、投资小、施工检修方便；缺点是导线的张力、驰度随温度变化较大，导线弹性不均匀，不利于机车高速受流。单链形悬挂按下锚方式分为未补偿简单链形悬挂、半补偿链形悬挂、全补偿链形悬挂。未补偿简单链形悬挂即下锚处不设补偿装置,又称为硬锚，其接触线、承力索张力驰度随温度变化大，我国很少采用；半补偿链形悬挂即接触线补偿下锚，承力索未设补偿装置；全补偿链形悬挂即接触线承力索都设有张力补偿装置。接触线、承力索张力恒定、弹性较均匀、受流质量较好.适合高速行车需要,是我国铁路及城轨交通接触悬挂的主要形式。按悬挂链数分分为单链型、双链型及多链型接触悬挂。单链型接触悬挂按其有无弹性吊弦分为简单链型悬挂和简单弹性链型悬挂，如下图所示。

按照悬接触线、承力索在空间位置关系分为直链形悬挂、半斜链形悬挂、斜链形悬挂,如上图所示。我国城市轨道交通接触悬挂多采用简单斜链型悬挂，这足以支持100KM/H以下的列车运行需要.
4、整流装置由整流变压器与整流器构成.直流牵引变电所的主要功能为,将其交流进线电压通过整流变压器降压，然后经整流器将交流电变成直流电供电动车辆的直流牵引电动机用。为了提高直流电的供电质量,降低直流电源的脉动（波动）量,通常采用多相整流的方法，它可以是六相、十二相整流，还可以增加到二十四相整流.为此，整流变压器不仅起降压作用，还要将三相交流电变成多相交流电供整流器整流，整流变压器与整流器合称为整流装置。
下面就直流牵引变电所应用的多相整流基本工作原理加以叙述。
1)、最简单的三相半波整流电路（图l－7）
图中(a）表示整流变压器的二次侧三相绕组a、b、c成星形联结,a、b、c三相分别接大功率半导体整流管 D1、D2、D3，R为负载电阻,三相交流电压（Ua、Ub、Uc）波形如图(b)所示.在任何时刻，相电压最高的一相的整流管导通，此时整流电压（加在负载R上的电压）即为该相的瞬时电压，如图中ωt1～ωt2时，为a相D1管导通，此时整流电压为Ua,同理依次为D2、D3导通，整流电压依次为Ub、Uc波形。
2）、三相桥式整流电路
以上接线中两组半波整流的负荷电流数值相等，即Id1=Id2，则Id1-Id2=0，零线可以取消，将两组负载用抗叠加为一个，则成为图1-8（b)所示的三相桥式整流电路。
桥式整流电路对同样变压器绕组电压来说,其整流电压升高一倍。反之,如整流电压保持一定，则变压器绕组电压可以降低，因而整流元件承受的反电压可以低些。三相桥式整流变压器无直流磁化问题。整流电压Ud的彼形为六相脉动波形，其整流电压的次序依次为线电压Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb、Uab、……。如图1-9所示。
3）、大功率供电整流电路
对于化工、冶金和电力牵引用的大功率整流设备，由于其直流电压不太高，而电流很大，为了避免整流支路的整流元件(管）并联数目不致太多,而造成元件之间电流分布不均的问题，可以用两组整流器并联工作的方法。同时可以使两组整流器相互之间有相位移（相差)，以求得多相整流，减少整流电压脉动的目的。
目前城市轨道交通直流牵引变电所用的大功单半导体整流装置，为了提高直流供电质量，降低电压脉动量，减少注入电网的谐波含量和提高整流变压器的利用率，普遍采用多相整流电路。
5、牵引变电所的电源一般来自电力系统的区域变电所,牵引变电所的任务就是将电力系统提供的三相工频交流电变为牵引所用的电能。根据牵引制式的不同，牵引变电所又分为直流牵引变电所和交流牵引变电所。根据不同的牵引制式,变电所内完成相应的变压、变相、变流作用。目前我国的牵引变电所主要有电气化铁路的单相工频交流制牵引变电所和城市轨道交通系统（地铁、轻轨）的直流牵引变电所。
6、电力牵引轨道沿线的迷流腐蚀与保护问题
绝大多数电力牵引轨道交通线路是以走行轨为其电回路的，由于钢轨与大地之间不是绝缘的,因此由钢轨回流牵引变电所的电流必有部分经大地流回牵引变电所。这部分电流因大地土壤的导电性质、地下金属管道位置的不同,可以分布很广，故称之为“迷流”或“杂散电流"。
对于直流单边供电区段,一个牵引负荷的情况下，其电流的分布情况，大致示意如图 l—15所示。

由图可见,在牵引变电所回流线与钢轨相接的回流点A处，地电流流回牵引变电所。
当轨道沿线地下有金属管道或建筑物钢筋等导电物时，地中迷流必多沿金属导体流动，到了回流点附近再流向钢轨回变电所，因此在回流点附近的金属管道形成了阳极区〔对大地为正），如图1—16所示：

由图可见对“正"接触导线情况，阳极区总是在回流点处不动，这就使阳极区内的金属物正离子流向大地,发生电解腐蚀现象，损坏了金属。这是直流牵引网存在的一个特殊问题，人们总是在不断地努力寻求改善的各种方法。
当接触网为“负”极性时，与图l-16中电流方向反向，阳极与阴极区将转变，则阳极区将随着列车的移动而移动，这样阳极区是不固定的，则金属物的腐蚀现象较均匀，情况就不会太严重.当然接触网的极性选择不仅决定于此，目前还是以“正"极性为多.
为了改善地中电流造成的迷流腐蚀问题，可以采取增加轨道与大地间的绝缘、降低走行轨道的电阻、缩短变电所之间的距离、金属管道远离轨道线路和其他专门的“电保护"等措施使轨道电流少泄漏人大地,即使有地电流也少流向地下金属物，已经流人地下金属物的电流，也使其在回流点处往专设“电旁泄”直接流回变电所，不形成腐蚀阳极区。所谓“电旁泄”是一种专设的电流通道，它保证杂散电流从被保护建筑物回流人钢轨网、牵引变电所回流线或者直接流入与钢轨网相联的牵引变电所母线，使地下建筑物处于阴极状态。
“电保护”的方法很多,除了电旁泄方法之外，还可以有“阴极”保护方法，即人为地把特设的直流电源的阴极接在被保护的地下金属物上，而阳极接在专设的接地器上，这样被保护的地下金属物对地为负电位，没有电流流向大地，而进人的(牵引）地下电流经特设电源由专设接地器（对地为阳极区）流人大地后回变电所，如图虚线部分。当然还可以用与钢轨并联的专用线做为回流线，其投资更高。加拿大的直线电机轨道交通,在走行轨侧设二根接触轨作为正负供电线，这对迷流腐蚀来说也是一个很好的措施，只是结构复杂一些，投资增加。
7、城市轨道交通供电系统不仅为电力机车提供机械能，还保证旅客在旅行中有良好的卫生环境,为空调设施、自动售检票、自动扶梯、屏蔽门、通信信号、消防设施和各种照明设备提供能量，保证城市轨道交通系统正常运行。可以说，供电系统是城市轨道交通系统的心脏,是最基础的能源设施。整个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：显示和计量功能，全方位的服务功能，远程控制功能，故障自救功能,防止误操作的功能,方便灵活的调度功能,完善的控制功能，电磁兼容功能，系统的自我保护功能.
三．案例选取与相关简介
在本次课程设计中我们选取了上海地铁2号线一期工程供电系统为模板，作了相关改动，并进行潮流计算：

这是二号线现在的状况，我们仿真的是一期工程:
一期工程西起中山公园站，东到龙东路站,本案例中共设车站9个，分别为中山公园站，人民公园站,河南中路站，陆家嘴路站，东昌路站，东方路站，龙东路站，期间共有八段线路，全长12。504km.

下面对此工程作一下描述：
1. 供电系统构成
外部电源方案为集中式供电，设2座110kv主变电所.中压网络采用独立的
33kv牵引供电网络以及独立的10kv动力照明供电系统.全线设7座牵引变电所，30座降压变电所.如图所示：

2. 主变电所
两座主变，分别位于中央公园和静安寺。每座主变从城市引入可靠110kv电
源，每座主变均为线路变压器组接线方式。两路电源与主变分列运行，不设桥路开关。主变电所内设33/10kv总配电变压器，专供照明用电，容量为212.5MVA。中压侧33kv和10kv为分段单母线，设置分段开关，分段开关正常处于断开状态,失压自投，过流闭锁。每座主变电所的33kv两段母线和10kv两段母线各有3路馈出回路,供给牵引供电系统和照明供电系统。主变采用油浸自冷，有载自动调压主变压器。主变电所采用了SF6绝缘全封闭组合电器GIS，占地面积较小.
3. 牵引变电所
牵引变电所的交流侧电压为33kv,采用单母线,双电源，一用一备；直流侧
标称电压值为1500V.每座牵引变电所设两套牵引整流机组,单套牵引整流机组为12脉波整流方式，两套整流机组一期构成24脉波整流方式。牵引变电所分就地和远动二级控制，各控制对象能单独进行控制方式转换。按远期无人值班设计。
四．24脉波整流机组介绍与仿真
由于在本次科研训练中，考虑到在前一学期中学过有关整流的知识，而且对Matlab的使用不是很了解,所以就一起进行了一个简易的24脉波整流电路的仿真。
1.24脉波整流原理
24 脉波整流机组的主电路原理图如图1 所示.整流机组主要由两台12 脉波轴向双分裂式牵引整流变压器和四组全波整流桥组成。每台变压器侧阀二套绕组分别接成d 接法和y 接法,其线电压形成30°相差。两台变压器的网侧采用延边三角形接法,分别移相±7。5°。这样形成的两台变压器的四套阀侧绕组的线电压相量互差15°相位（阀侧电压向量图如2图所示)，分别经全波整流后，在直流侧并联运行,构成24脉波整流机组.值得注意的是，当变压器采用了轴向双分裂式结构，阀侧绕组间具有较大的短路阻抗(分裂阻抗),因此一般
都不设桥间平衡电抗器。

2。 MATLAB—Simulink仿真
总图：

从左到右元件分别为：
三相电压源:

Y-移相变压器2

三相变压器2

三相整流器4

三相整流器由以下元件封装而成：

参数设置如图：

（其余两相电源分别正偏和反偏120相角)

最后得出显示器中结果为：

由图可知，图中0。01s出现了12个脉波，所以为24脉波，这点符合要求,其中数值与预期的1500v存在着一些偏差,主要由于在实际中，绕组匝数必须是整数，因此两阀侧绕组的匝数比不可能完全等同于 ，只能尽可能接近，所以会出现数值的偏差，误差约为2.83%。
五．基于案例的潮流分析
1、城市轨道交通供电系统的中压网络
中压网络由两条以上与城市轨道交通线路平行敷设的电缆线路构成。其作用是: 纵向把电源侧的主变电所和负荷侧的牵引变电所、降压变电所连接起来, 横向把全线的各个牵引变电所和降压变电所连接起来.由于中压网络是供电系统内部变电所之间唯一的电能传输通道, 因此每回电缆线路的容量必须满足所供分区内全部牵引负荷和一、二级动力照明负荷的需求， 而且在网络的接线形式、电压等
级、电缆截面的选择等各方面也应根据负荷情况经详细分析后确定。
2、中压网络分析
2.1潮流分布计算
在进行电力网规划、设计和运行时, 都必须计算电力系统在各种运行方式下各节点的电压和通过网络各元件的功率。这种计算在工程上称为电力系统的潮流分布计算.城市轨道交通供电系统可以等效视为规模较小的电力网络, 正常运行时基本上是三相对称的， 因而在潮流计算中一般只需要建立网络元件的正序等值电路。根据开式电网（ 负荷只能从一个方向获得电能的电力网称为开式电力网) 的定义， 城市轨道交通供电系统可根据自身的网络组成等效成若干开式电网支路， 然后通过反复迭代计算， 就可得到整个网络中各元件的功率和网络中各节点的电压.典型支路潮流计算结构简图如图所示。（具体计算略）

2.2潮流分析的主要目标
潮流计算主要考察的是网络中的各个节点电压和支路功率。就城市轨道交通而言, 对这些数据进行计算整理, 最终考察的主要是以下几个指标.
2。2。1电压损耗
电压损耗是指网络元件首末端电压的数值差。在近似计算中, 电压损耗可以用电压降落纵分量的幅值表示。即：

电压损耗百分值直接反映供电电压的质量。根据电力网电压质量的要求， 一条输电线路的电压损耗百分比在线路通过最大负荷时， 一般不应超过其额定电压的.
2。2。2电压偏移
电压偏移是指网络中某点x 的实际电压与网络额定电压的数值差 .电压偏移常以百分值表示， 即:

电压偏移是衡量电压质量的重要指标。进行电压计算的目的， 在于确定电力网的电压损耗与各负荷点的电压偏移, 分析其原因并采取调压措施, 使之在允许的变化范围内。就目前国内轨道交通工程中的牵引变压器和动力变压器而言, 通常要求进线电压波动不超过网络额定电压（通常为35kV或10kV）的.
2.2。3 各个支路电缆线路的载流能力
计算出各支路通过功率后， 可按S=3UI（式中S为视在功率；U为电压；I为电流强度),推算出支路电流.这样就可以与各型电缆的载流值（这些数据可以在电缆样本中直接查到） 进行比对, 从而校验所选择的电缆是否满足自身网络的要求.
2.2。4 电源汇集点处的输出功率
该点的功率是选择系统容量（或各个主变电所变压器容量)的重要依据。系统容量的确定, 实际上是结合各种运行方式, 绘制不同的潮流计算结构图,分别进行潮流计算， 选择计算结果中的最大值. 。其中代表不同运行方式下的系统容量（即视在功率）。
2。3下面是即将进行潮流分析的案例：

下面是各个元件的参数设置:

潮流分析结果：（均未设上下限）

2.4小结
通过上述理论及案例的分析, 可以对城市轨道交通的中压网络潮流分析有一个初步的认知。在进行中压网络潮流分析时， 首先应明确思路， 确定供电
网络构成， 运用科学合理的计算方法, 结合城市轨道交通供电系统的运行方式, 对中压网络进行科学分析， 以达到进一步优化设计方案的目的。

参考文献：
［ 1 ］ 于松伟,《城市轨道交通供电系统设计原理与应用》
［ 2 ］ 张 颖,张海波. 城市轨道交通供电系统中压网络的潮流分析
［ 3 ］ 谭丽娜。 城市轨道交通供电系统浅析
［ 4 ］ 董海燕。地铁24 脉波整流机组的仿真及谐波电流分析