第1章 地鐵供電

1.1 地鐵的概念

1.地鐵是地下鐵道的簡稱

它是一種獨立的軌道交通系統，不受地面道路情況的影響，能夠按照設計的運載能力正常運行，并快速、安全、舒適地運送乘客。地鐵效率高，無污染，能夠實現大運量的需求，具有良好的社會效益。地鐵是有軌交通，其運輸組織、功能實現、安全保證均應遵循有軌交通的客觀規律。在運輸組織方面：實行集中調度、統一指揮、按運行圖組織行車；在功能實現方面：各有關專業，如隧道、線路、供電、車輛、通信、信號、車站、機電設備及消防系統均應保證狀態良好，運行正常；在安全保證方面：主要依靠行車組織和設備正常運行來保證必要的行車間隔和正確的行車路徑。為了保證地鐵列車運行安全、正點，在集中調度、統一指揮的原則下，行車組織、設備、車輛檢修、設備運行管理、安全保證等均由一系列規章制度來規范。地鐵是一個多專業、多工種配合、圍繞安全行車這一中心而組成的有序聯動是時效性極強的系統。地鐵中采用以電子計算機處理技術為核心的各種自動化設備，代替人工的、機械的、電氣的行車組織、設備運行和安全保證系統。如ATC（列車自動控制Automatic train control）系統可以實現列車自動駕駛、自動跟蹤、自動調度；SCADA（數據采集與監視控制Supervisory Control and Data Acguisition）系統可以實現主變電站、牽引變電站、降壓變電站設備系統的遙控、遙信、遙測和遙調；如ATC（列車自動控制）系統可以實現列車自動駕駛、自動跟蹤、自動調度BAS（環境監控系統,Building Automation System）和FAS（火災報警系統Fire Alarm System）可以實現車站環境控制的自動化和消防、報警系統的自動化；AFC（自動售檢票系統Automatic Fare Collection System）可以實現自動售票、檢票、分類等功能。這些系統全線各自形成網絡，均在OCC（運行控制中心Operation Control Center）設中心計算機，實行統一指揮，分級控制。根據功能的不同，地鐵供電系統一般劃分為以下幾部分：外部電源；主變電站；牽引供電系統、動力照明系統、與之配套的具有雜散電流腐蝕防護系統、電力監控系統。

2.地鐵供電簡介

地鐵是我國大型城市公共交通的重點發展方向，可靠的供電是地鐵安全運營的重要保障，功能強大的地鐵供電變電站自動化系統是保證供電質量的基礎。地鐵供電變電站的一次設備、運行方式及管理模式與大電網變電站有一定的差異，導致其自動化系統的功能與大電網變電站的功能存在諸多差異。

（1）一次系統

地鐵供電變電站按功能主要劃分4種類型:主變電站、牽引變電站、降壓變電站和跟隨變電站。主變電站將110kV電網電壓降為35kV，為牽引變電站和降壓變電站供電（電壓等級僅為參考值，進口處一次設備可能略有差異，以下同）；牽引變電站將35kV交流電經變壓器、整流器轉換為直流1500V/750V，為接觸網/接觸軌供電；降壓變電站將35kV電網電壓降為400V，提供車站的動力和照明電源，同時也是跟隨變電站的進線電源；跟隨變電站無變壓器，是降壓變電站400V側在地理上的延伸，為離降壓變電站較遠的地鐵設備供電。主變電站、降壓變電站、跟隨變電站與交流電網上的其他變電站并無本質的區別，無論是電氣接線方式還是運行方式均與普通變電站類似，只有直流牽引變電站是地鐵供電系統所特有的。地鐵變電站自動化系統的很多獨特之處也多與直流牽引變電站有關。

（2）系統功能

現代意義的變電站自動化系統的功能在《IEC 61850-5:2003變電站的通信和系統 第5部分：功能和設備模型的通信要求》中作了系統、全面的闡述。IEC 61850-5將系統的功能從邏輯上分為變電站層、間隔層和過程層3個層次，系統支持功能（如自檢、時鐘同步）、系統配置或維護功能（如測試、配置參數）、運行或控制功能（如遙控）、本地過程自動化功能（如數據采集、繼電保護）、分布式自動化支持功能（如聯鎖、同期）和分布式過程自動化功能（如順控、電壓無功控制），共6種類別。而傳統意義的變電站自動化系統指的是數據采集與監控系統（SCADA）（不包括繼電保護等功能）的子站部分，或稱為遠動終端設備。遠動終端設備可以視為現代意義的變電站自動化系統的一部分。

2002年頒布實施的國家標準《GB/T 13729—2002遠動終端設備》，對遠動終端設備的功能要求作了明確的規定。鐵道行業標準《TB/T2831—1997電氣化鐵道牽引供電遠動系統技術條件》則在引用GB/T 13729—1992的基礎上，對系統功能做出了針對行業應用的更為具體的要求。地鐵變電站自動化系統的功能不僅要符合上述兩個有關遠動終端設備的標準，還應該盡快向即將推出的《IEC 61850-5—2003變電站的通信網絡和系統 第5部分：功能和設備模型的通信要求》靠攏，將繼電保護、故障錄波等功能有機地、無縫地融入到自動化系統中。具有地鐵變電站典型特征的自動化系統的基本功能如下：

1）遙控功能《TB/T 2831—1997電氣化鐵道牽引供電遠動系統技術條件》提出的功能要求包括6項內容:遙控、遙信、遙測、打印、接口和自檢。遙信、遙測、打印、接口和自檢功能的要求與《GB/T13729—2002運動終端設備》的要求是基本一致的。而遙控功能則賦予了其更多的內涵。地鐵變電站自動化系統的遙控功能按受控對象的數量分為單控和程控兩種。單控是指對單個對象的控制，也就是通常所指的基本遙控功能；而程控則是對多個對象的程序控制。單控、程控的概念是地鐵變電站所特有的，不管是單控還是程控，其內涵均包括控制和相關的聯鎖兩部分。單控聯鎖功能通常是由受控的間隔層設備來完成的。例如，牽引變電站直流饋線開關的合閘，是由安裝于直流開關柜內的保護測控單元來實現的。合閘出口繼電器動作以前，必須進行一系列的聯鎖邏輯判斷:首先檢查開關是否處于分位，手車是否處于運行位；然后檢查是否有合閘閉鎖信號；最后進行線路測試，確認無短路后，方可進行合閘。若受控的間隔層設備無聯鎖功能，則可由變電站層的通信控制器來完成。程控功能按操作對象和聯鎖關系分為兩個層次:

①操作對象和聯鎖關系均在同一變電站內，稱為站內程控功能。例如，降壓變電站的動力變壓器的停電/恢復，需要對相鄰的多個斷路器進行操作。站內程控功能通常由變電站層的通信控制器來完成。

②操作對象或聯鎖關系涉及多個變電站，稱為站間程控功能。例如，接觸網/接觸軌的越區供電，需要對多個牽引變電站的多個直流斷路器以及分段隔離開關進行操作。站間程控功能可由某一變電站的通信控制器來完成，也可由運行控制中心（OCC）供電調度主站來完成。前者需將鄰站納入采集和監控的范圍，增加了硬件投資，但可脫離OCC供電調度運行；后者只能由OCC供電調度進行操作，對主站的依賴性太高，不利于緊急情況的處理。所以前一個方案更可取。值得一提的是程控并不是簡單的多個單控的組合，因為受控的多個對象之間可能存在復雜的聯鎖或閉鎖的關系。而單控僅存在受控對象與其他非受控對象之間的聯鎖邏輯關系。IEC61850-5中，單控屬于控制和分布式聯鎖功能的組合，而程控屬于分布式順控和分布式聯鎖功能的組合。

2）網絡通信功能 GB/T13729—2002提出了一些選配功能，其中的網絡通信功能也應作為地鐵變電站自動化系統的基本功能要求，而不是選配功能。其理由如下:

①GB/T13729—2002僅是遠動終端設備的標準，而地鐵變電站自動化系統不僅包括遠動終端設備的功能。網絡通信功能是現代意義的變電站自動化系統區別于傳統RTU（遠動終端設備,Remote trerminal Unit）的本質特征之一。

②網絡通信是今后變電站自動化系統的發展方向。在IEC61850-5中，網絡通信是根本，是整個IEC61850-5思想體系的核心和基礎。在IEC61850-5對功能的分類中，網絡通信不再是獨立的功能，因為它已是所有功能的基礎。

③網絡通信已在地鐵變電站自動化系統中得到了大量的應用。如本世紀投入運行的上海、廣州地鐵，正在實施的南京、武漢、重慶等地鐵（或輕軌）變電站項目，無一例外地具備了網絡通信的功能。事實上，地鐵變電站自動化系統不僅已經具備了網絡通信功能，而且還在同一個站內具有五花八門的通信硬件和軟件協議，這與大電網變電站有很大區別，因為，大電網變電站自動化系統的網絡通信已經與《IEC60870-5-103通信規的基本要點》標準統一，而地鐵變電站（尤其是牽引變電站）自動化系統間隔層設備的網絡通信，由于諸多原因尚無法統一。

在通信網絡短時間內不能統一的前提下，地鐵變電站自動化系統要能夠支持各種通信硬件和網絡協議。從長遠看，地鐵變電站自動化系統的通信網絡終將與IEC61850-5統一的。

3）繼電保護功能 繼電保護設備與遠動終端設備一樣，是現代變電站自動化系統的核心設備。自從IEC60870-5-103誕生以來，兩者就已經是一個有機的整體，不再是兩個孤立的子系統。對于地鐵供電領域來說，除了牽引變電站外，其他類型變電站（如主變電站、降壓變電站）的繼電保護功能與大電網交流變電站的繼電保護功能是完全相同的。而牽引變電站采用直流饋線，使其繼電保護功能具有顯著的差異。目前，國內尚無任何標準對直流牽引變電站的繼電保護功能做出完整的描述，筆者通過對國外保護設備的研究，認為應該具備以下功能:

①所有直流斷路器本體必須安裝大電流脫扣保護。

②直流饋線以di/dt及ΔI保護為主保護，定時限過電流保護、Imax保護或其他類型的保護為后備保護，同時必須具有自動重合閘的功能，采用雙邊供電的還必須具備聯跳鄰站斷路器的功能。

③直流進線則必須有逆流保護。

④框架保護。地鐵直流牽引系統框架保護是供電系統的重要保護，框架保護動作后將導致斷路器的跳閘。框架保護動作后斷路器不會自動重合閘，會造成接觸網大面積停電，影響客運。因此，框架保護的正確動作對整個牽引供電系統尤為重要。

⑤其他保護：其他的保護功能可根據實際需要選配。

1.1.1 外部電源及主變電站

1）地鐵供電系統的外部電源是地鐵供電系統主變電站供電的外部城市所電網電源。外部電源方案的形式有集中式供電、分散式供電、混合式供電。集中式供電通常從城市電網110kV側引入兩回路電源，按照地鐵設計規范要求，至少有一回路電源為專線。

2）主變電站在地鐵供電系統中用于直接接受城市電網的電能，并將其分配給牽引變電站和車站變電站，因地鐵供電系統的第一級變電站而賦名，主變電站的功能是接受城網高壓電源（通常為110kV），經降壓為牽引變電站、降壓變電站提供中壓電源（通常為35kV或10kV），主變電站適用于集中式供電。主變電站接線方式為線變式或橋型接線，線變式接線方式用于變電站只有一路進線與一臺變壓器的接線，其特點是投資少，操作簡便，易于擴建。橋形接線適用于僅有兩臺變壓器和兩回出線的裝置中，僅有3臺斷路器，橋形接線屬于無母線接線，“橋”即是回路連接線，根據橋回路斷路器的位置不同，橋形接線分為內橋和外橋兩種接線。內橋:橋回路置于線路斷路器與主變內側。外橋：橋回路置于線路斷路器與主變外側。（線路斷路器特指低壓側出線斷路器）

1.1.2 內橋連接方式及內橋特點

1）線路操作方便。線路故障，僅跳開故障線路斷路器，其余線路正常工作。

2）正常運行時主變操作復雜。若變壓器檢修或故障時，需跳開線路側斷路器和橋回路斷路器，使未發生故障線路受影響而短時停電。

3）橋回路檢修或故障時，兩個回路單元失去聯系；同時出線斷路器檢修時會造成回路停電。

適用于兩回路進線、兩回路出線，線路較長且故障可能性較大，變壓器不需要經常切換運行方式的系統。

1.1.3 外橋連接方式及外橋特點

1）變壓器操作方便。如變壓器檢修或故障時，僅斷開線路側斷路器，其余回路正常。

2）線路投入與切除復雜。如線路故障或檢修時，需斷開線路側斷路器和橋斷路器，并使本線路變壓器短時停電。

3）橋回路檢修或故障時，兩個單元失去聯系；同時出線側斷路器檢修或故障時，造成線路變壓器停電。

1.1.4 牽引供電

1.牽引供電系統

牽引供電是指拖動車輛運輸所需電能的供電方式，牽引供電系統的功能按IEC標準將交流中壓經降壓整流變成直流1500V或直流750V電壓，為地鐵列車提供牽引供電，系統包括牽引變電站與牽引網，牽引網包括接觸網與回流網。接觸網有架空接觸網（直流1500V）和接觸軌（直流1500V或750V）兩種方式，我國地鐵基本采用走行軌兼回流軌；目前國外僅美國、加拿大、馬來西亞的地鐵設置獨立的回流軌，就是第四軌，牽引供電站通過接觸軌給列車供電，從獨立設置的回流軌（不是走行軌）回流，雖然一次投資大，但卻解決了雜散電流帶來的一切問題。

2. 牽引供電的優點

牽引供電，主要由牽引變電站和接觸網兩大部分組成。牽引變電站將電力系統輸電線路電壓從110kV（或220kV）降到35kV（27.5kV），經饋電線送入整流變壓器整流后饋入接觸網為地鐵列車供電。

牽引供電的優越性主要有以下幾點：

1）電力牽引的動力大，生產效率高 電力牽引的能量取于強大的電力系統，牽引動力大，能最大限度適應鐵路運輸多拉快跑的需要。據有關資料統計，電力牽引的生產效率比內燃機車的生產效率高50%以上，對于客貨運輸繁忙的鐵路干線，電力牽引的這種優越性尤為顯著。

2）電力牽引節省能源，經濟效益好 一方面電力機車本身的電能轉換效率高；另一方面電力的生產能夠高效率地綜合利用各種廉價的自然能源，這對于節約國家有限的煤炭、石油資源，提高鐵路運輸的經濟效益十分有利。

3）有利于優化生態環境，改善勞動條件 電力機車運行時不會產生有害氣體，對鐵路沿線的居民和列車乘客不會造成危害，特別是在多隧道的山區線路，這種無有害氣體產生的優點更為可貴。電力機車的司乘人員工作條件好，維護檢修工作量小，大大降低了工人的勞動強度。

3.牽引供電的缺點

1）基本建設投資較大。

2）電力機車的功率因數較低，高次諧波含量較大等因素都會給電力系統造成不良的影響。

3）對鐵路沿線附近的通信線路造成一定的電磁干擾。

4）接觸網需要停電檢修，要求在列車運行圖中留有一定的天窗時間，在此時間內，列車要停止運行。

4.動力照明供電系統

地鐵的動力照明供電系統是地鐵車站建設的重要組成部分,與車站的安全、穩定運行息息相關，與車站及相應區間范圍大部分機電設備相關聯，為其配電，并且實現保護和控制。動力照明供電系統的功能是將交流中壓（35kV或10kV）降壓變成交流400V電壓，為運營需要的各種機電設備提供220/380V交流電源。其范圍主要包括配電變壓器后的低壓柜、交直流盤饋出的電纜至車站的動力、照明、通信、信號等設備，系統范圍大致為站臺層、站廳層、設備及管理用房的環控、排水、消防、電梯、自動扶梯、自動售、檢票及站控室等。

5.雜散電流腐蝕防護系統

城市軌道交通工程采用直流牽引供電系統，通過架空接觸網或接觸軌受電，利用列車走行鋼軌作為負回流線。列車運行時，牽引電流沿鋼軌流回牽引變電站時在鋼軌上形成電壓降，從而導致鋼軌與大地之間產生電位差而引起泄漏電流，即雜散電流。雜散電流容易對土建結構鋼筋、設備金屬外殼及其他地下金屬管線產生電化學腐蝕，即雜散電流腐蝕。雜散電流腐蝕防護系統的功能是減少因直流牽引供電回流軌對地泄漏雜散電流（迷流）并防止其對外擴散，盡量避免雜散電流對城市軌道交通主體結構及其附近結構鋼筋、金屬管線的電腐蝕，并對雜散電流及其腐蝕保護情況進行監測。由于軌道交通結構中雜散電流很難直接測量，所以腐蝕危險性指標只能采取間接指標（泄漏電流引起的電位極化偏移（電壓）值）來表示。《地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程》中規定，結構外表面受雜散電流腐蝕危害的控制指標用泄漏電流引起的結構電壓偏離其自然電位的數值來表示（ΔV）。對于鋼筋混凝土材質的軌道交通主體結構鋼筋,其極化電壓的正向偏移平均值不應超過0.5V。

6.數據采集與監控系統（SCADA）

數據采集與監控系統（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）的主要功能是對供電設備（包括變電及接觸網設備）進行監視、控制和采集。數據采集與監控系統的主要設備設置在控制中心。遠程控制終端設備RTU（Remote Terminal Unit,遠程測控單元裝置）設置在各變電站內，RTU通過通信網絡OTN（Open Transport Network,開放式傳輸）與控制中心設備相連接，控制中心命令由OCC（Operating Control Center,運行控制中心）發往各RTU，再由RTU傳向供電系統，供電系統的信息通過RTU傳向控制中心。SCADA系統所有計算機和RTU都有自監功能，系統設備具有高度可靠性，各設備狀態可在CRT（cathode raytube,顯示器）上顯示。數據采集與監控系統的功能是實時對地鐵變電站、接觸網設備進行遠程數據采集和監控。在城市軌道交通控制中心，通過調度端、通信通道和變電站綜合自動化系統對主要電氣設備進行四遙控制，實現對整個供電系統的運營調度和管理。

7.我國地鐵供電的負荷類型

1）我國地鐵供電負荷類型在《GB50157—2013地鐵設計規范》中針對動力照明供電系統有以下規定

①動力照明供電系統應包括降壓變電站與動力照明配電系統。

②動力照明的用電負荷應按照用電可靠性要求及失電影響程度分為一級負荷、二級負荷和三級負荷。

③一級負荷必須采用雙電源雙回線路供電。

④一級負荷中特別重要的負荷，除有雙電源雙回線路供電外，應增設應急電源，并嚴禁其他負荷接入。

⑤二級負荷宜采用雙電源單回線路專線供電。

⑥三級負荷可采用單電源單回線路供電。

⑦當系統中只有一個電源工作時可切除三級負荷。

2）地鐵用電設備的負荷等級應符合下列規定

①一級負荷 火災自動報警系統設備、防排煙風機及各類防火排煙閥、防火（卷簾）門、消防疏散用自動扶梯、消防電梯、應急照明、主排水泵雨水泵、防淹門及火災或其他災害仍需使用的用電設備；通信系統設備、信號系統設備、綜合監控系統設備、電力監控系統設備、環境與設備監控系統設備、門禁系統設備、安防設施；自動售檢票設備、屏蔽門（安全門）設備、變電站操作電源、地下站廳站臺等公共區照明、地下區間照明、采暖區的鍋爐房設備等。其中，火災自動報警系統設備、環境與設備監控系統設備、專用通信系統設備、信號系統設備、變電站操作電源、地下車站及區間的應急照明為一級負荷中特別重要負荷。

②二級負荷 乘客信息系統、變電站檢修電源、地上站廳站臺等公共區照明、附屬房間照明、普通風機、排污泵、電梯、非消防疏散用自動扶梯和自動人行道。

③三級負荷 區間檢修設備、附屬房間電源插座、車站空調制冷及水系統設備、廣告照明、清潔設備、電熱設備、培訓及模擬系統設備。