地铁1号线供电系统设计

工作总结
地铁牵引供电系统设计
分校（站、点）：国顺
年级、专业：08秋机电一体化
教育层次：大专
学生姓名：朱臻
学号：088001483
指导教师：李杰
完成日期： aufwiedesan
目录
一、牵引站一次系统 (3)
二、牵引供电系统各主要设备介绍 (5)
(一）交流系统 (5)
(二）整流器 (6)
(三）直流高速断路器 (9)
(四）中央信号屏 (11)
参考文献 (14)
致谢 (15)
地铁牵引供电系统设计
随着城市的发展,轨道交通越来越离不开人们的日常生活,上海地铁的客流也与日聚增,而供电系统在整个地铁运营中则起着举足轻重的作用。

地铁供电系统主要可分为：主变电系统,牵引供电系统和车站及附属设备供电系统(降压站)三大部分,主变电系统就是将电网的110KV高压电转换为33KV 和10KV供牵引和降压站。

牵引供电系统(以下简称牵引站)要求：供电安全系数高，能适应地铁列车大密度、高频率启动和制动，相邻供电区域间必须没有无电区域。

因此，上海地铁采用了33KV的交流高压电通过整流器转为1500V的直流电并送到触网为列车供电技术。

下面就以92年建成的地铁一号线衡山路牵引站为例作一下系统的介绍。

一、牵引站一次系统
地铁供电系统不同于一般的工业和民用电,属于一级负荷,对安全性和可靠性有着较高的要求,所以牵引站也是按照上述要求来设计的。

衡山路牵引站33kv有两条回路供电,分别是上衡牵和广衡牵33KV进线开关,平时上衡牵运行,广衡牵作备用：采用西门子公司制造的GIS(六氟化硫全封闭高压开关柜)组合式开关柜,比传统高压柜占地面积小,可靠性高,维护工作也大大减少。

本牵引站由两台4.4MVA整流变压器将33KV降到1220V并送往整流器,采用干式双绕组变压器,一次侧为Dd0接法,有利于简少谐波干扰；二次侧
为DY5接法利用三角形和星形互差30度的特点组成交流6相整流电路通过整流以后得到12脉波直流电,比一般三相6脉波整流电路大大减少了脉动系数和纹波系数,更有利于电动列车的平稳运行。

变压器为德国AEG公司制造,采用高强度环氧树脂做绝缘,过载能力大,能长期经受列车启动时的冲击电流.阻燃性好,日常检修和维护方便,比油浸式变压器更安全可靠。

整流器是将交流电转换成直流电的重要设备,每座牵引站都有两台整流器组成。

由于地铁列车负载属于较为典型的冲击负载,为了保证供电的可靠性,整流器和变压器都能承受100%负载长期运行,150%负载1小时运行,和200%负载1分钟运行。

整流器输出端的NC11和NC12是直流正极闸刀,与之对应的NB11和NB12则是负极闸刀,两者都是起到隔离开关的作用,以便在检修和故障时能将相应的整流器组退出运行而不引响其它设备的正常运行。

在直流母线排下方的4个断路器NC21—NC24，就是直流高速开关小车,由西门子公司制造,其主要作用是将整流器输出的1500V直流电可靠的输送到触网,并能在线路故障时及时的断开故障电流,保护了整流器组的安全运行,231—234是触网隔离闸刀,起到故障和检修时隔离开关的作用。

在此有必要阐述一下触网的联接形式,地铁的触网都采用分段联接形式,即每两个牵引站为一个区间(一般2-3公里),并用分段器进行隔离.分段器上装有联络开关,正常情况下此开关断开,故障时起到联络两个区间的作用.每个区间都由两个牵引站的两台直流开关同时供电,我们称之为双边供电这样供电的优点是,可以减少因线路过长而引起的电压损失,以及分散列车的启动电流减少对单台设备的冲击,并能在设备发生故障时灵活的调整运行方式,减小停车间隔，提高运行可靠性。

二、牵引供电系统各主要设备介绍
（一）交流系统
图1
图1为西门子公司生产的3AF系列33KV开关柜,开关采用GIS全封闭结构,断路器额定电流为630A ,线路故障时最大断开电流16KA,采用六氟化硫绝缘气体作为灭弧介质,灭弧速度快,体积小。

每台开关都设有六氟化硫气体压力报警装置，气体压力超出安全范围会发出报警。

两台进线开关设还有三种跳闸保护方式,分别为：差动保护、过流保护及速断保护。

差动保护就是对进线电缆的一种保护方式,利用电缆两端的电流互感器进行检测,正常情况下输入电流Iin=输出电流Iout。

如果电缆中间发生短路或接地故障则Iin>Iout,此时差动保护继电器动作,相应两端的开关同时跳闸,切断故障点.
而过流和速断保护则是起到当载发生大电流过载和三相短路或接地故障时开关能迅速动作跳闸,而不影响其它设备运行的作用,两种保护方式互相配合衔接,从而提高了供电的可靠性.而整流变开关除了过流和速断,还增加
了变压器超温保护,温度保护由铁芯温度和线圈温度两部分组成,通过热敏电阻采样铁芯和线圈的温度,超过设定值时,阻值的改变驱动电子回路发出相应的信号.
（二）整流器
图2
图2为上海整流器厂生产的D1220G1500/2540型整流器,左右两边分别为1#和2#整流器组,两台并列运行,中间为负极闸刀控制柜。

整流器内部结构如图3所示,
图3
整流器由24个大功率高压二极管组成6相12脉波整流电路,技术参数:额定输入电压AC 1220V,输出电压DC 1540V，额定输入电流AC 1051A，输出电流DC 2540A, 整流二极管为大功率平板式结构,自然风冷式。

因U TN ≥(2-3)√6U2φ（取2.5）,则U TN=4300V本整流器选用的是反相重复电压U RRM 为4500V的二极管,额定平均电流I AV ,一般整流元件选取应按照最大负载电流,过载时间,电流波形,等综合因素来计算, 地铁列车属于电感性负载,一般二极管额定电流选取公式为I AV≥(2-3)I TM/K f,K f为波形系数取1.1,I TM为最大负载电流.但考虑到地铁列车启动时的冲击电流较大,还应在此基础上方宽余量,
增加运行的可靠性。

设计时按照8节编组,3分钟间隔计算,一列8节编组的
列车载满乘客启动加速时的电流一般为2500A左右,而正常运行时只有400-500A,3分钟间隔也就是一个区段内上下行共有4列地铁列车,而4列车同时启动的可能性较小,设2列车在站台启动,两列车正常运行,则总负载电流为2500x2+500x2=6000A,每个区段上下行共有4台整流器组并联运行,整流器采用6相12脉波整流,每个管子在一个周期内只有6分之一的周期导通,每一相又采用两个二极管并联,所以每个二极管上流过的平均电流为6000/6/2=500A，考率到早高峰,发车间隔缩短,列车启动频繁,假设4列同时启动则电流为10000A每个管子流过850A电流, 为了能满足100%负载长期运行、150% 1小时运行和200% 1分钟运行的极端条件，并且设计时考率到发生故障时某一台整流器退出运行另一台还能维持运行,所以选用额定电流为Iav=1800A.,正向导通电压<2.1V.的高压大功率二极管型号为:D1809N4500T。

整流器的保护方式有,过压保护,过流保护,和超温保护三种：
过压保护分为交流侧和直流侧两种：交流侧采用RC过压吸收保护装置主要抑制操作时引起的过电压及du/dt上升过快；直流侧则采用阻容吸收+压敏电阻的双重保护,安装在整流器的正负母线之间,用以吸收列车运行和制动过程中引起的电压波动以及雷击造成的过电压。

采用4个560V的压敏电阻串联通过熔断器连接在正负母线之间,当电压平均值超过4x560=2240V 时压敏电阻击穿.熔断器熔断发出报警信号。

过流保护采用快速熔断器作为二极管的过流保护元件：每个二极管都串联一只快熔，选用2000A的快速熔断器并且每个快熔上都安装微动开关。

当某个快熔熔断后连接于熔丝的内部弹簧顶出,带动微动开关动作发出报警信号。

当有一个熔断器报警时,由于每一相都有两个二极管并联所以中央信号屏只是发出警铃声,整流器输出直流波形不变,因此还能维持运行一段时间,
等待检修人员来修复。

如果有两只快熔熔断,则很可能是某一相并联的两只快熔动作,此时直流输出波形脉动增加,直流平均电压下降,将影响列车的安全运行,此刻中央信号屏则会向33KV整流变开关发出跳闸信号.将故障的整流器与电网隔离,避免故障再次扩大。

超温保护主要为了防止二极管温度过高而损坏。

利用安装在散热器上的热敏元件检测二极管温度,并将信号送入中央信号屏,当散热器达到140度时,信号屏发出报警信号,提醒值班人员注意周围的温度和负载情况；而当温度达到150度时,则信号屏发出跳闸信号,防止二极管过热损坏.整流器采用自然风冷式散热器,虽然体积较大,但结构简单,可靠性好,夏季运行可通过牵引站内的空调降低环境温度加强散热。

（三）直流高速断路器
图4
直流高速断路器也称为直流高速开关.图4为直流高速开关的外观图,由于直流电不同于交流电,发生短路后的电弧持续时间长不易自行熄灭,本开关采用磁吹式外加灭弧栅分割电弧,分断性能好,灭弧速度快.地铁一号线用的是西门子公司生产的3WVS直流高速开关,采用单极手车式框架结构具有
结构紧凑,互换性好的特点,配置西门子S5系列PLC控制,并设有相应的开关量和模拟量I/O模块,智能化程度高,保护功能完善。

技术参数,额定电压:DC 1500 V ，额定电流: DC 4000 A ,电磁脱扣电流设置范围2-12KA 。

采用西门子S5系列PLC,设有相应的开关量和模拟量I/O模块.并通过采样电阻对线路电流进行实时采样。

保护方式及种类：
1)电流增量跳闸保护di/dt和△I,di/dt也称为电流上升率保护,主要为了保护整流元件避免受到过快的冲击电流而损坏,一般设定为50A/ms；△I则相当于过流保护,当电流达到4000A,保护装置开始记时，超过5ms则动作跳闸,具有快速灵敏的特点,比传统过流保护方式运行更安全可靠。

2)双边联跳保护功能,前面提到牵引直流运行方式为双边供电方式,这样的运行方式有诸多优点,可以减少电压损失,提高运行的可靠性等。

但是当某一处的触网发生过流或短路故障时,一般距离较近的开关先动作跳闸,而距离较远的开关可能因为线路电流分布不均或检测灵敏度等原因而延迟动作。

而此时,先动作的开关在跳闸的同时发出联跳信号,确保相邻站点的开关可靠动作,而不至于扩大故障。

联跳装置主要由联跳继电器和联跳开关组成,在本体开关跳闸的同时联跳继电器吸合,通过联跳开关向相邻站开关发出信号,将联跳开关F10拉开则能解除联跳保护功能。

3)自动重合闸及检测功能：牵引直流高速开关的跳闸大多都是由于电流突变以及同一区段内列车密度高,瞬间启动电流过大引起的,属于非永久性故障。

为了缩短停电间隔,提高供电的可靠性,直流高速开关上设有自动重合闸功能,但是自动重合闸功能也是把双刃剑,万一将永久性故障重合闸,那将造成重大的事故.所以必须设有自动重合闸检测电路,如图5所示：
图5
当PLC接收到合闸信号后,先闭合k0,+1500V电压经过K0,及R20,R21.R22组成的分压分流电路使电压继电器k5线圈闭合,K5的付触点接通向PLC发出信号,表示线路正常,则PLC先断开K0并在5秒后向开关主触头K1发出合闸信号。

如果线路有短路故障,则R20上的电压将发生变化,而电压继电器k5的动作范围是150V-250V之间可调,大于或小于其整定值都不动作。

所以PLC在5秒内没接收到K5的信号则再次发出线路检测信号,连续5次检测不成功,开关将闭锁,并且面板上的持续短路灯亮,告诉检修人员线路存在故障。

R20和K5的整定值都是经过反复试验后确定,并且每年要定期校准以确保该电路工作正常。

图5中K1为直流开关主触头,R1为主回路采样电阻,用来检测线路电流变化。

另外,该直流开关还设有主触点超温报警,二次回路失压保护,及大电流
电磁脱扣等多种保护功能,为地铁供电系统提供了安全可靠的保障。

（四）中央信号屏
图6
中央信号系统主要担负着信号显示及故障时各开关的变位及控制作用。

由于一号线地铁建设时间较早中央信号屏内部采用西门子早期的S5系列PLC,设有数字和模拟量输入输出模块.数字量模块为DC24V主要显示各开关的运行状态及变位情况,模拟量模块为0-10V，主要用于各种电压电流变送器的信号,如框架保护采样电流号.如图7所示：
图7
人机界面采用LED显示模块,作为报警及跳闸指示,便于检修人员判断故障类型。

框架保护功能：由于牵引直流系统的负极属于不接地系统(梅陇停车场除外),这样设计的目的主要是为了减少迷流对道床和隧道内金属结构的腐蚀,采用一点接地也便于检测保护。

所以整个牵引直流系统也称之为框架系统,牵引站框架系统如图8所示
图8 为了防止框架系统外壳接地或短路引起过电压或过电流事故,专门设有框架保护装置,分为电流型保护和电压型保护两种。

在整流器的负极柜内分别设有电流采样电阻和电压采样模块,当框架系统发生外壳接地故障时,比如隧道顶部连接触网绝缘子击穿,故障电流从正极触网通过大地与采样电阻流回负极,采样电阻上的故障电流信号被送到中央信号屏内,一旦中央信号屏检测到框架保护信号则向4台直流开关发出分闸信号,同时面板上的框架保护动作指示灯亮,警铃响, 直流高速开关接收到框架保护信号后则立即分闸,同时发出联跳信号使邻站的开关一起分闸.并且关闭自动重合闸功能必须等待检修人员到现场排除故障后才能恢复供电,考虑到线路泄漏电流的影响,保
护电流整定值一般设为30-50A.电压框架保护则检测负极轨道电位,轨道电位大于150V则框架保护动作,框架保护装置每年都必须进行检测,以保证其可靠工作。

参考文献：
[1]上海闸北职业技术学校地铁专业内部编译教材
致谢
本人进地铁供电公司工作2年,主要从事供电设备的检修和保养工作.虽然时间不长,但本着对工作的热情和钻研学习精神,再加上工作期间参加了衡山路至莘庄牵引站的33KV和1500V预防性试验, 莘庄牵引站扩容改造任务,和整流器组的检修保养工作对牵引供电系统有了一定的了解。

由于现在上海轨道交通正处于大发展期间,新线的开通以及对供电技术人员需求也不断加大,本人也先后带教了2名新进地铁实习的大专生,期间主要讲授了地铁供电系统的概况和特点,工作时的安全注意事项,及故障类型的判别和一些简单故障的排查等等。

而撰写本文的另一个目的也是为了让新进的员工对牵引供电系统有了一个大概的了解,为以后的检修工作起到一定帮助。

由于本人水平所限,文中错漏之处再所难免,还请各位老师能提出宝贵的意见,谢谢。