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电气化铁路供电系统与城市轨道交通供电系统的分析和对比

时间:2016-10-27来源: 作者: 点击: 186次


刘兵  

(贵阳城市轨道交通有限责任公司, 贵州 贵阳 550081)

 

摘要:供电回路是一条电的通路,无论在电气化铁路供电系统中,还是在城市轨道交通供电系统中,都是一样的,然而,由于城市轨道交通的空间限制及安全性极高的要求,线路上安装的设施尽可能转移到地面上,必须在线路上安装的设备尽可能压缩空间安装,这样就使得城市轨道交通的供电系统必须采取一些新的工艺,采取新的技术措施,引入新的设备,才能确保安全可靠。

关键词:电气化铁路;城市轨道交通;供电系统;牵引供电;  

1  引言

2008年9月,国际金融危机全面爆发后,中国经济增速快速回落,出口出现负增长,大批农民工返乡,经济面临硬着陆的风险。为了应对这种危局,中国政府于2008年11月推出了进一步扩大内需、促进经济平稳较快增长的十项措施,其中第三项措施是加快铁路、公路和机场等重大基础设施建设重点建设一批客运专线、煤运通道项目和西部干线铁路,同时,为了缓解城市日益严重的拥堵现象,各大中城市纷纷申请在城市新建轨道交通,由此,加速推进了电气化铁路与城市轨道交通的快速建设和运营。供电系统作为电气化铁路和城市轨道交通运营的动力,极大的影响着电气化铁路和城市轨道交通的正常运营,而供电从业人员也在不断的从电气化铁路和城市轨道交通中切换角色,因此,分析和对比电气化铁路供电系统与城市轨道交通供电系统,对供电从业人员有着较为重要的指导意义。

2  电气化铁路供电系统

电气化铁路供电系统分为牵引供电系统和配电系统,牵引供电系统由牵引变电所和接触网组成,通过将电网的外部电源引入牵引变电所,采用牵引变压器将三相高压电变为27.5kV的两相电,并在合适的位置接入接触网,供电力机车受电弓取流,并由钢轨和回流线将电流返回至牵引变压器形成回流。配电系统主要是将城市电网的10kV电源线引入,部分也通过电力变压器将电网110kV电源线降压为10kV,在配电所进行电能分配,并由架空线或电缆供给铁路贯通线和自闭线,为铁路沿线车站提供生产用电、生活用电。

3 城市轨道交通供电系统

城市轨道交通供电系统分为集中式供电和分散式供电两种方式,一般多采用集中式供电方式,即通过设置主变电所,将电网110kV电压降为35kV,并组建35kV环网,供给沿线的降压牵引所、降压所、跟随所。其中降压牵引所将35kV电压降压整流为1500v直流,通过接触网供地铁车辆受电弓取流,并由钢轨和回流排将电流返回至牵引降压所形成回流,而降压所和跟随所是将将35kV电压降压为400v,供给车站信号、通信、车站通风、照明、地铁、闸机、售票机等。

4  相同点

电气化铁路供电系统与城市轨道交通供电系统在以下几个方面是相同的:

1)变电所的接线方式  电气化铁路供电系统与城市轨道交通供电系统都是采用双回桥式接线方式作为进线,两路进线互为后备,低压侧采用分段母线,通过母联开关连接。

2)牵引变压器 电气化铁路供电系统与城市轨道交通供电系统牵引变压器都采用三相变两相的牵引变压器。

3)无功补偿 为了提高功率因素,电气化铁路供电系统与城市轨道交通供电系统都安装无功补偿装置,无论是采用SVC还是SVG,都起到了无功补偿和滤波的效果。

5  不同点

1)供电方式 相对城市轨道交通供电的概念来说,电气化铁路的供电方式是分散式的,即各个牵引变电所从不同的地方变电站或同一变电站不同的母线引入两路不同的进线电源,独立的给牵引变电所供电。城市轨道交通供电系统多采用集中式的供电方式,即设置极少主变电站将电网的110kV降压为35kV后,组建中压环网,根据供电分区要求供给对应的牵引变电、降压变电所。

显然,分散式供电方式的需要沟通协调的外部事务较多,不同的牵引变电站可能需要和不同的供电单位对接,牵引变电所电源的可靠性不由自己掌控,比较而言,采取集中式供电方式可控性较高,但成本也较高,相当于重新组建了一个双回路中压环网,核心主变电站一旦出现故障,影响范围较大。

2)整流 电气化铁路如果采用韶山系列的电力机车,就不需要进行整流,通过交-交的方式给牵引电机供电,如果采用和谐系列的电力机车,整流设备就安装在机车的主电路上,通过交-直-交的方式给牵引电机供电;而城市轨道交通供电系统的整流设备安装在牵引变电所,经过并联12脉波整流机组经匹配构成一套等效24脉波整流机组,将35kv交流整流为1500v或750v直流(如图下),最后通过接触网或第三轨给轨道客车车供电,轨道客车受流后利用机车逆变器给牵引电机供电。

 

3)回流 电气化铁路的供电系统的回流分为轨回流和地回流,轨回流通过轨道、吸上线、回流线回到牵引变电所,地回流通过大地回到牵引变电所;城市轨道交通回流主要是轨回流,而地回流是不允许的,但由于不能完全使回流全部通过轨回流回到牵引变电所,因此把这一部分不允许电流叫做杂散电流,城市轨道交通的土建设施多为隧道、高架,采用大量的钢筋混泥土,杂散电流的不规则路径,能加速钢筋混泥土构筑物的电腐蚀,缩短构筑物寿命,在以这些钢筋作为接地极的地方,杂散电流还会影响这些区域的接地网,然目前只能对其进行监测,尽可能通过设备绝缘、增加附属设施的办法将其引入轨回流系统中。

4)供电分区 电气化铁路的供电分区距离多为30km—50km之间,在通过较大的站场时,通常设置分区所、开闭所,提升供电范围。而城市轨道交通供电系统的供电分区一般不超过两个车站区间,平均供电分区距离多为3km左右,其故障影响范围也较电气化铁路小很多。但这就需要增加设置牵引变电所,建设运营成本也相对提升较多。

5)接触网 电气化铁路的接触网采用柔性接触网,主要用简单接触悬挂和链形接触悬挂两种方式,接触网在安装过程中与轨道保持Z”字型,保证与受电弓滑板的均匀接触,并保持稳定的抬升力。而城市轨道交通的接触网在底下目前多采用刚性接触网,即是将在接触线固定在悬吊槽钢内,通过绝缘支撑部件将其安装固定,多采用“T”型、“π”型悬挂,根据地下隧道的情况,采取垂直悬挂安装和水平腕臂安装(如图下),刚性接触网与轨道中心线保持“S”型。刚性接触网由于接触线固定在悬吊槽钢中,断线后不会发生抽脱导致事故,而电气化铁路一般采用滑轮补偿,一旦线路断线后,下锚的坠坨就会下落,导致吊弦、定位、腕臂、电联接等损坏,严重时断线接地,影响整个供电分区。由于刚性接触网抬升力基本没有,导致轨道客车受电弓碳滑板磨耗较大。

6)线路主保护 由于城市轨道交通供电系统主要采取电缆敷设为主,在对线路的保护时,使用了光纤纵联差动保护,这是电气化铁路在线路保护中没有的,电气化铁路馈线线路主保护采用阻抗保护。

7)再生制动系统 再生制动系统其实在电气化铁路和城市轨道交通的长大下坡中都已经使用,主要是为了减少闸瓦磨耗和电阻制动的大量发热对机车和环境的影响,因此在和谐系电力机车及轨道客车都采取再生制动,改变牵引电机工作方式,由电动机变为发电机,将长大下坡的势能转换了电能反馈到接触网,只是城市轨道交通供电系统中将再生制动系统设置在牵引降压供电所内,主要是将接触网的反馈的再生直流收集逆变为35kV的交流。

8)高压开关 电气化铁路的高压开关大多采用户外的断路器和隔离开关,而城市轨道交通的高压开关目前都安装在气体绝缘的密闭空间(GIS)中,安装在变电所的室内,由于在密闭空间中填充了大量的绝缘气体,因此大幅度减少了高压设备之间的安全距离,相比电气化铁路高压开关的安装用地,城市轨道交通的供电系统的高压设备安装用地大大减少。

9)接地系统 电气化铁路牵引供电的接地方式采用直接牵引系统接线方式,即将所有设备的接地,不论工作接地、保护接地统统接牵引变压器的接地网,地回流、轨回流联结后一起接主变压器的接地相。城市轨道交通供电系统采用小电阻接地成套装置,包括接地变压器、电阻器、智能型监控器、电流互感器,通过电阻消耗系统谐振的过电压及利用电阻耗能特点,作为系统对地电容的泄流通道。

6 小结

显然,我们可以看出城市轨道交通供电系统受制于空间的限制及安全可靠性的严格要求,将隧道内安装的设施尽可能转移到地面上,必须在隧道内安装的设备尽可能压缩空间安装,这就要求城市轨道交通的供电系统必须采取一些新的工艺,采取新的技术措施,引入新的设备。对比电气化铁路供电系统和城市轨道交通供电系统,不难发现,城市轨道供电对杂散电流收集、接触网的固定尤为重视,本质上取决于城市轨道交通人流密度较大、安全性需求高。而轨道客车由于需要预留更多的空间用来载客,因此,一些电气回路的设备安装在牵引供电所内,比如整流设备、再生制动系统等。

城市轨道交通供电系统源于电气化铁路供电系统,但随着城市发展的要求和新技术的不断使用,城市轨道交通供电系统的设备,装置显得更加智能化,可靠性更高,对空间的要求也较高,因此,作为轨道交通的供电从业人员,对比分析电气化铁路供电系统和城市轨道交通供电系统,找到不同点及不同点产生的原因,就能很快地切换角色,投入到新的岗位工作中。

 

 

 

 

参考文献:

[1]邱关源.电路[D].北京:高等出版社,第5版

[2]城市轨道交通直流牵引供电系统(GB/T10411-2005)

[3]铁路电力牵引供电设计规范(TB10009-2005)

[4]铁路电力设计规范(TB10008-2006)

[5]35~110kV变电所设计规范(GB50059-92)

[6]35kV~220kV城市地下变电站设计规范(DL/T5216-2005)

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