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：
城市电网 主变电所 高压供电系统 牵引变电所 牵引供电系统 接触网 馈线 回流线 轨道 图2-1 地铁供电系统
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。