城市轨道交通供电系统概论「城市轨道交通供电系统的初步设计」

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城市轨道交通供电系统是为轨道交通运营提供动力能源的一个庞大系统，是国家和城市电网中的用电特大户[供电中心1] 。它从国家和城市电网接受电源，通过变配电，将合适的电源提供给城市轨道交通各个部门和系统。城市轨道交通供电系统又是国家电力系统中的一部分，它的安全、可靠运行离不开国家电力系统的支撑。电力系统是由发电厂、变电所、输电线、配电系统及负荷组成的，国家电力系统运行稳定与否将最终影响城轨供电的可靠性。

一、电力系统基本知识

随着城市轨道交通的迅猛发展，对电能的需求越来越大。城轨交通的电能取自城市电网，电网的电能由发电厂提供。发电厂是电能的生产单位，发电厂发出的电能是不能储存的，电能的生产（电厂）和消耗（用户）必须是随时平衡，也就是说电力的生产、输送、分配和使用的全过程，是由发电厂、变电所和用户紧密联系起来的一个整体在同一瞬间实现的。在这一链条上的每一个环节都必须在同一瞬间持续地共同发挥作用，才能使电力生产维持下去。城轨交通的供电系统就是这链条上的重要用户，城市电网中任何一个环节出现问题，都会影响城轨供电的质量和可靠性。同样如果城轨供电系统出现故障，也会影响城市电网的电力平衡。

1．发电厂

发电厂是把不同形式的能源转换成电能的工厂，例如化学能、水能、原子能等。根据发电厂所利用的能源不同，可以分为以下几类：

（1）火力发电厂

利用煤、石油、天然气等燃料来发电的称火力发电厂，简称火电厂。我国煤炭资源较丰富，我国的火电厂目前仍以煤为主要燃料。有很多电厂建在煤矿边上就称为坑口电厂。为了提高燃烧效率，现代的火电厂都把煤块粉碎成煤粉，炉膛内能够完全燃烧，将锅炉内的水烧成高温、高压的蒸汽（化学能转变成热能），蒸汽冲动汽轮（热能转变成机械能），使其带动与其联轴的发电机旋转，发出电能（机械能转换成电能）。

（2）水力发电厂

从水库引水，利用水的位能冲动水轮机（水能转换成机械能），并使其带动与其联轴的发电机旋转，来产生电能（将机械能转变成电能）的。例如三峡的水力发电，就是在长江中拦江筑坝，提高上游的水位，形成水库，使上、下游形成尽可能大的落差。这样的能源是环保清洁的，是今后能源发展的一个方向。

（3）原子能发电厂

原子核在核反应堆中分裂过程中会产生大量的热能（原子能转换热能），用此热能把水加热成蒸汽，蒸汽冲动轮机使其带动发电机旋转发电。例如我国的秦山核电站，它的电力生产过程与凝汽式火力发电厂相类似，它是以核反应堆代替了蒸汽锅炉。

由于原子能发电厂在电力生产过程中将核废料妥善处置后，便不会产生有害烟尘，不污染空气，所以相对来说是比较环保的。原子能发电的一个重要优点是因为它的能量密度远远高于煤炭，可以少量的原子能燃料代替大量的煤炭，特别是在我国南方少煤地区，建设原子能发电厂具有更重要的经济和科学研究价值。

此外，还有潮汐发电厂、地热发电厂、风力发电厂、太阳能发电厂等。

我国现有的发电厂是以火力发电厂为主，其中凝汽式火力发电厂仍占多数。同时正在大力发展水力和风能发电，例如长江口崇明岛的风能发电。

2．变电站及电力网

电网是指由输配电线路以及由它联系起来的各类变电站的总称，将相近的电厂、送变电站联络起来，形成地区或全国性网络，以便进行统一管理和运行调度，为电能的输送提供一个庞大的网络。另外，为了把电能输送到较远的用电地区，降低输电线路对电压的损耗，通常发电厂发出的电能都须经升压变压器把电压升高（例如到110、220、500千伏等），然后通过电网和输电线路送到用电地区。再经变电所的降压变压器把电压逐级降低后分配使用。所以，变电所的主要任务是变换电压，其次还有集中和分配电能，控制电能的流向和调整电压的任务。电网的电压一般为0.4kV、10 kV 、35 kV 、110 kV 、220 kV 等等，而发电机的电压一般为6.3、10.5、13.8、15.75、18千伏[供电中心1] 等，城市轨道交通电源进线电压为110kV。发电厂不能直接向用户供电，必须通过电网变配电后供给用户。

图1

3．电力系统及其额定电压

（1）电力系统

是指电力生产、变配电、输送和用户使用组成的发、供、用一个整体，通常是两个及以上的发电厂和若干个变配电所及其输电线、配电网和它们的用户组成的一个庞大整体；其中输电线和相连的变电所部分称为电力网。发电厂向电网输送电能，用户从电网接受电能。在这当中电网起着电能调节、分配和输送的重要作用。如果电能不够，它可以通过增加连接发电厂数量或减少用户连接数量（减负荷），来平衡电能；如果电能富余，它还可以通过减少连接发电厂数量或向其他电网输送电能，来平衡电能。

（2）电力系统的额定电压

电力系统的额定电压是指系统中所有电气设备都在这一指定电压下工作的电压，电气设备在此电压下工作，将具有最好的技术和经济效果。

（3）电网的额定电压

从表中[供电中心1] 可以看到，同一电压级别下，各种设备的额定电压并不完全相等，为了使各种相互联接的电气设备都能运行在较有利的电压下，各电气设备的额定电压之间有个现互配合的问题。为此将电力线路的额定电压和系统的额定电压相等，把它称作为电网的额定电压。

（4）电气设备的额定电压

所谓额定电压就是电气备[供电中心2] 能够长时间工作最适合的电压。此时电气设备中的元器件都工作在最佳状态，只有工作在最佳状态时，电气设备的性能才能比较稳定地发挥，电气设备的寿命在这样的工作电压下才得以延长。

变压器的额定电压较为复杂，一次绕组与系统的额定电压相同，二次绕组比系统的额定电压高10％，如果变压器的短路阻抗小于7％或直接与用户连接时，则规定比系统的额定电压高5％。

4．建立统一的电力系统的优点

（1）降低最高负荷

因为在同一电网中，当某一地区出现用电高峰时，另一地区可能是用电低谷，电网中总电能需求量的增加或减少是很少的，此时电网是不需额外增加电能供给的。电网越大、容量越大，出现上述情况的可能性越多，越容易调节。因此可以相对减少发电机的装机容量。

（2）减少备用容量

只要各电厂错开检修时间，就可以利用系统中的有些发电厂备用机组互相支援，不必每个电厂都装备用机组，这样就减少了总的备用容量。

（3）提高供电的可靠性和电能质量

由于电网越大，上网供电的发电机组越多，系统容量也越大，个别机组的容量占整个电网容量的比重相对较小，所以故障时对系统的影响较小，因而提高了供电的可靠性和电能的质量（频率、电压）。

（4）提高发电设备的经济运行

水电厂发电受季节影响，在夏秋丰水期水量过剩，在冬春枯水期水量短缺。水电厂容量占的比例较大的系统（如云南省电网）将造成枯水期缺电，丰水期弃水的后果。组成联合电力系统后，水火电联和运行，丰水期水电厂多发电，火电厂少发电并适当安排检修；枯水期火电厂多发电，水电厂少发电并安排检修，这样充分利用水力资源，减少燃料消耗，从而降低电能成本，提高运行的经济型[供电中心3] 。

5．电力系统的中性点

电力系统中性点（主要是指发电机和主变压器的中性点）的运行方式，一般分两大类：中性点不接地系统、中性点直接接地系统。其中中性点接地系统又可分为：中性点经消弧线圈或接地变接地系统和中性点经接地电阻接地系统，以及中性点不接地系统，通常称为小电流接地系统。中性点直接接地，称为大接地电流系统。我国3～10千伏系统，大多采取中性点不接地的运行方式。允许其单项接地时继续运行二小时，以提高供电的可靠性。按相关规定：3～60千伏系统，当单相接地电流大于30安；20千伏以上电网中，接地电流大于10安时，则采取中性点经消弧线圈接地的运行方式。110千伏及以上的系统，一般采取中性点直接接地的运行方式。对于380/220伏低压配电网络，为得到两个不同的电压级也采取中性点直接接地的三相四线制。

对于电网系统的设备来说其中性点的运行方式不同，技术特性和工作条件也不同。这样对整个电网系统运行的可靠性及其设备的绝缘和继电保护也提出了不同。这是一个影响到经济和技术并由各方面因素决定的综合性问题，下面分别予以讨论。

（1）中性点不接地系统

我国3～10千伏系统，大多采用中性点不接地的运行方式。这主要是因为电压等级不高，单相接地时，虽然非故障相电压升高

倍，而设备的绝缘是根据系统的线电压设计的，对设备绝缘影响不大。当单项接地时系统可以允许继续运行两小时，这就为查找故障赢得了时间，大大提高了供电的可靠性。系统的故障70％以上是接地故障，对线路损害主要由接地点的电容电流造成的。

图2

图3

②系统发生单相接地故障

当任何一相（例如C相）绝缘受到破坏而接地时的电路图，如图1-3（a）所示。此时，C相对地的电压变为零，中性点电位偏移，未[供电中心1] 故障两相对地的电压升高倍，即变为线电压。C相发生完全接地时的向量图，如图1-3（b）所示。

图4

图5

由式可知，单相接地电流等于正常时一相对地电容电流的三倍。

若已知每相的对地电容C，则可得到

图6

因此，接地电流

的值与网络的电压、频率和每相对地的电容有关，而每相对地的电容与电网的结构（电缆、架空线）和线路的长度有关。在实用中，接地电流可近似地用下式计算：

图7

在非金属性接地（包括经过一定电阻或消弧线圈接地[供电中心1] ：接地相对地的电压大于零而小于相电压，非接地相对地的电压则大于相电压而小于线电压。

由前面分析可知，在中性点不接地的系统中发生单相接地时，网络非故障相线电压的大小和相位差仍维持不变，在这种系统中相对地的绝缘水平是根据线电压设计的，虽然未故障相的相电压会升高

倍，但对设备的绝缘没有多大影响。因而中性点不接地系统在发生单相接地时，可以继续运行。但是，不允许长期运行，因为长期运行时可能引起未[供电中心2] 故障相绝缘薄弱的地方损坏而造成相间短路。为此，在这种系统中，一般都装设专门的绝缘监察装置，以监视有无接地故障发生。中性点不接地系统中发生单相接地时，按规定一般允许暂时继续运行不超过两小时。

（2）变压器中性点不接地系统的优、缺点

优点：采用变压器中性点不接地系统，由于限制了单相接地电流，对通讯的干扰较小；另外单相接地可以运行一段时间，提高了供电的可靠性。

缺点：采用变压器中性点不接地系统，当一相接地时，另两相对地电压升高

倍，易产生间隙[供电中心3] 性电弧，使绝缘薄弱地方击穿，从而造成两相接地短路。

（3）中性点直接接地系统

图8

将系统的中性点直接接地也是防止单相接地时产生间歇电弧过电压的一种方法，如图1-4所示。由于单相短路电流很大，因而零序保护灵敏，继电保护装置能可靠动作，将接地的线路切除，使系统的其他部分恢复正常运行。这样在发生单相接地时，就不会产生间歇电弧。同时，因中性点电位为接地体所固定，非故障相对地的电压不升高，因而各相对地的绝缘水平只需按相电压考虑，这就降低了设备对绝缘的要求。设备的绝缘要求降低，实际就降低了高压电气设备的造价。所以110千伏以上的超高压系统，一般采取中性点直接接地的方式。

中性点直接接地系统的缺点：

单相接地时，短路电流值很大，故障被切除前将引起电压降低，会影响系统的稳定。另外，由于强大的短路电流的导体周围形成较强的单相磁场，使邻近的电子设备搜到[供电中心1] 干扰。例如城轨交通的信号和通信设备。因此，在大容量的电力系统中，为了减小单相短路电流，也有采用中性点经电抗器接地的（这样可限制单相短路电流值，不过却损失了部分零序保护的灵敏度）。

在发生单相接地时，由于必须断开故障线路，用户供电不得不中断。为了克服这一缺点、提高供电的可靠性，在中性点直接接地系统中，普遍地装设了自动重合闸装置（ZCH）。当发生单相接地故障时，在继电保护的作用下断路器自动断开，经一定延时后再自动重合，若故障消除，用户供电即可得到恢复。如果单相接地为永久性的，则继电保护将再次断开断路器，这样供电设备还要遭受二次故障电流的损害。对于重要的一类负荷，为保证不间断供电，则应另装设备用电源。

（4）变压器中性点接地系统的优缺点：

优点：对电源中性点接地系统，若发生某单相接地，另两相电压不升高，这样可使整个系统绝缘水平降低；另外，单相接地会产生较大的短路电流，从而使保护装置（继电器、熔断器等）迅速准确地动作，提高了保护的可靠性。

缺点：对电源中性点接地系统，由于单相短路电流很大，开关及电气设备等要选择较大容量，并且还能造成系统不稳定和干扰通讯线路等。

（5）各种电压等级供电线路的接地方式

在110kV及以上的高压或超高压系统中，一般采用中性点直接接地系统，其目的是为了降低电气设备绝缘水平，提高继电保护的灵敏性，免除由于单相接地后继续运行而形成的不对称性。

工厂供电系统采用电压在10kV—35kV，一般为中性点不接地系统，因工厂供电距离短，对地电容小，单相接地电流小，这样允许运行一段时间，提高了系统的稳定性和供电可靠性，对通讯干扰小等优点。

1kV以下的供电系统（380/220伏），除某些特殊情况下（井下、游泳池），绝大部分是中性点接地系统，主要是为了防止绝缘损坏而遭受触电的危险。