第2章 地鐵的供（饋）電系統

2.1 地鐵的交流供電系統及接地系統

2.1.1 地鐵的交流供電系統

1.系統組成

地鐵的交流供電系統是城市軌道交通系統中最為重要的基礎能源設施，其功能是為軌道交通系統中的電力車輛供電，確保軌道交通列車車輛的正常運行，地鐵的交流供電系統是為地鐵運營提供所需電能的重要部門。地鐵列車是電力牽引的電動列車，它的動力是電能，此外，地鐵中為地鐵運營服務的其他設施如：動力照明、環境控制系統、排水系統、防災系統、通信、信號、自動扶梯等，均都依賴電能，并消耗電能。在運營的過程中，供電一旦發生故障或中斷供電會造成地鐵運輸的癱瘓，還會危及乘客的生命安全和造成財產的重大損失。因此，安全、可靠、經濟合理的供給電力是地鐵正常運營的重要前提。

地鐵的供電要求安全可靠，通常由城市電網供給。目前，國內各城市對地鐵及城市軌道交通的供電一般有三種方式，即分散供電方式、集中供電方式和分散與集中相結合的混合供電方式。分散供電方式是指沿地鐵線路的城市電網（通常是10kV電壓等級）分別向各沿線的地鐵牽引變電站和降壓變電站供電。前提條件是城市電網在地鐵沿線有足夠的變電站和備用容量，滿足地鐵牽引供電的可靠性要求。例如早期的北京地鐵一號線、天津地鐵一號線就是采用這種供電方式，集中供電方式是指城市電網（通常是110kV電壓等級）向地鐵的主變電站供電，主變電站再向地鐵的牽引變電站和降壓變電站供電，地鐵自身組成完整的供電網絡系統。近幾年新建的地鐵系統多采用集中供電方式，如北京、天津、上海、廣州、深圳地鐵等。分散與集中相結合的供電方式是上述兩種供電方式的結合，可充分利用城市電網的資源，節約投資，但供電可靠性不如集中供電方式，管理亦不夠方便。

2.集中和分散兩種供電方式的比較

集中供電方式的外電源引自城市高壓電網（如110kV），電壓等級高，系統短路容量大，抗干擾能力強，輸電容量大，電網電壓波動小；另外，主變電站一般設有載調壓裝置，因此35kV饋線側電壓相對穩定，供電質量很高。《國家電網公司電力系統電壓質量和無功電力管理規定》：

1）35kV及以上用戶供電電壓正、負偏差絕對值之和不得超過額定電壓的10%。

2）10kV及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7%。

3）220V單相供電電壓允許偏差為額定電壓的+7%～-10%。

對于大型城市，尤其一些工業城市，部分城市的電網末端電壓基本接近7%的指標。如果采用分散供電的方式，首先應了解該城市10kV電網的電壓波動情況，如果波動較大，應盡量避免采用該供電方式；如果采用，應采取相應的技術措施來彌補不足之處。例如：增大變壓器容量以提高過載能力；或增加有載調壓裝置以減少系統電壓波動對地鐵供電系統的影響。

3.產生諧波的比較

由諧波理論可知，整流機組的脈波數越高，產生的低次諧波就越少。因此，無論采用集中供電方式還是分散供電方式，地鐵直流牽引系統注入城市電網的諧波含量都非常低，對城市電網影響非常小。

但是兩種方式相比較，采用集中供電方式時，高次諧波經過多級變電站變換、分流以后，注入城市電網的諧波含量將會更少。

4.網壓波動的比較

1）在網壓波動方面，由于地鐵牽引系統是一個劇烈變化的移動負荷，電源電壓將會受到很大的影響。采用集中供電方式時，地鐵供電系統是一個相對獨立的小型電網，牽引負荷產生的電壓波動和閃變在地鐵供電系統內部經過兩級變壓器的轉換，使其逐漸變得平衡，對城市電網其他用戶的影響相對要少得多。采用分散供電方式時，地鐵牽引變電站直接接入城市10kV電網，牽引負荷產生的網壓波動經過一級變壓器轉換后就會波及與地鐵接入同一供電系統的其他用戶，如果該變壓器容量較小，那么產生的影響就會更明顯。

2）地鐵交流供電的無功補償。地鐵電力系統的特點：大部分城市的地鐵采用110/35kV主變電站集中供電方式，系統中包含了大量的低壓供電設備及長電纜線路，其自然功率因數較低，動力及照明負荷功率因數在0.7~0.8左右，主變的負荷變動較大（夜間停運低谷，日間運營高峰）。無功補償就是采用外置的電流源補償負載運行過程中所消耗的無功功率，提高系統的功率因數，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環境。大多數的電力電子裝置的功率因數很低，給電網帶來額外的負擔，并影響供電的質量。目前，較好的解決方法是對地鐵牽引供電系統的主要負荷無功特性進行分析,建立等值電路模型,給出合理的補償容量計算依據及補償方案。例如后文介紹的SVG（Static Var Generator，無功補償）等。以國內某地鐵工程為例,對該裝置的無功輸出容量、動態無功跟隨能力以及諧波補償效果進行了仿真驗證。現場實測波形和主要指標結果表明,經過計算的方案無功補償效果顯著,提高了系統的功率因數,且能很好地抑制電壓波動,保證了地鐵供電系統的高效、可靠運行。

地鐵集中供電方式與分散供電方式相比較除了接口較少，另外還有一些明顯的優點，如供電局與地鐵產權劃分明確，計費方便，維修簡單等。

3）集中和分散兩種不同供電方式的比較見表2-1，分散與集中相結合的供電方式優缺點介于兩者之間。

對某一城市究竟應采用哪種供電方式，應根據地鐵和城軌交通用電負荷并結合該城市電網的具體情況進行分析。若該城市的電力資源缺乏，變電站較少，采用分散供電方式需要新建多個地區變電站而使投資增大，因此采用集中供電方式比較合適，該供電方式具有管理方便、供電可靠性相對較高等優點。若城市的電力資源較豐富，沿地鐵和城軌交通線路的地區變電站較多且容量也足夠給地鐵和城軌交通供電，則采用分散供電方式可節約建設資金。當城市電網的情況介于上述兩種情況之間時，可考慮采用分散與集中相結合的供電方式。由于我國目前大多數地鐵和城軌交通均采用集中供電方式，故本文將介紹以集中供電方式為主的地鐵供電系統和設備。

2.1.2 地鐵變電站的接地系統

1.變電站接地網安全和經濟的設計

為實現變電站接地網安全和經濟的設計，在電力系統運行和故障時起到保證一、二次系統和人身安全的目的，且技術經濟指標合理。接地網是指110kV/35kV及以上電壓等級、中性點有效接地、大接地短路電流系統變電站用，兼有泄流和均壓作用的較大型的水平網狀接地裝置，通常由水平接地體和垂直接地極組成，為了降阻的需要，還包括深井接地極、電解離子接地極和接地模塊等,其安全指標如下：

1）接地阻抗 反映接地網散流能力的宏觀量化指標，是衡量接地網性能最基本的特性參數，習慣一直沿用接地電阻的稱謂。實質上，接地網的感性分量是占一定比例的，不能忽略。

2）變電站接地故障短路電流 變電站內發生短路故障時，由系統提供的經接地網泄放的故障電流，包括單相短路故障和兩相短路故障等情形，尤以單相短路故障的情形最為普遍。由于變電站不同電壓等級場區發生短路時，系統提供的短路電流不同，又細分為故障時由每條線路和主變提供的故障電流。

3）地線分流和地線分流系數 變電站內發生接地短路故障時，由于運行變電站存在架空出線、電力電纜出線和電力電纜終端（包括電纜分接箱）接地裝置，架空避雷線（包括普通地線、OPGW（光纖地線,Optical Fiber Composite Overthead Ground Wire）和電纜外護套將向外流出部分故障電流，即由于地線和電力電纜外護套分流的作用，導致實際經接地網泄放的故障短路電流有較大幅度的下降。地線分流系數為架空地線和電纜外護套對注入地網的故障電流的分流與故障電流之間的比值。

4）變壓器中性點環流 變電站內發生接地短路故障時，從故障點經過接地網部分導體流回中性點接地運行變壓器的電流。

5）接地網最大入地電流 變電站內發生接地短路故障時，考慮剔除地線對接地故障短路電流的分流影響因素后，實際通過接地網入地的故障短路電流部分。

6）接地網電位升高（GPR,Ground Potential rise）變電站內發生接地故障時，實際通過接地網入地的故障短路電流所引起的接地網電位升高，即接地網與大地零電位點之間的電位差，也稱為地電位升高。

7）接地網電位差（GPD,Grounding Potential difference）習慣上將接地網作為等電位網來考慮，而由于水平接地網材質電阻率的差異，銅質接地網的電位分布較為均衡，接地網電位差較小；而鋼材質接地網（我國普遍采用鋼材質）由于電阻率和磁導率較大，接地網非等電位分布特性較為明顯，內部呈現一定的電位差。當接地網通過入地故障電流時，接地網的電位分布實際上是不均勻的，接地網上不同兩點之間存在的電位差，稱為場區壓差。當入地故障電流較大時，該電位差是造成控制電纜燒毀的主要原因之一。嚴格起見，為便于操作，常考核場區最大電位差，或最大壓差。

8）跨步電壓或跨步電位差 接地短路（故障）電流流過接地網時，地面上水平距離為1.0m的兩點間的電位差，反映人體兩腳接觸地面兩點間的電位差。跨步電壓最高的區間一般在接地網邊緣附近。

9）接觸電壓或接觸電位差 接地短路（故障）電流流過接地網時，人體兩腳站在地面離設備水平距離為1.0m處與人手接觸設備外殼、構架或墻壁離地面垂直距離1.8m處的兩點間的電位差。

10）接地故障電流持續時間 接地故障出現起直至其終止的全部時間。在計算選取上偏嚴，一般考慮一級后備保護（主保護失靈）動作的時限。

11）接地網導體熱穩定性 系統發生接地短路故障時，在繼電保護隔離短路故障前，持續的系統工頻接地短路故障電流流經接地導體所帶來的發熱效應非常顯著，接地網導體應能夠承受系統最大運行方式和最惡劣系統短路初始條件下工頻故障電流載流而不發生斷裂或熔斷。

12）接地網特性參數的取值 接地阻抗、地網電位升高和電位差、接觸電位差和跨步電位差等作為接地網安全性能好壞宏觀指標的接地網特性參數，其取值和評價主要圍繞著設備安全和人身安全兩個方面進行，對于前者，綜合考慮地網接地阻抗和入地短路電流水平，控制地網允許電位升高水平和網內電位差在安全值以下；對于后者，則要確保接觸電壓和跨步電壓滿足安全限值要求。

地鐵變電站的接地網金屬導體只有可靠的、牢固的連接才能保證接地網的運行可靠，良好的接地系統應具備以下兩個主要條件：

①提供一個盡可能低的低電阻對地路徑（接地電阻），接地電阻越低、雷電流、浪涌和故障電流就可越安全地消散到大地，過電壓值就越低。

②接地導體應具有良好的防腐能力并能重復通過大的故障電流，接地系統的壽命應不小于地面主要設備的壽命。一般至少要求30年以上壽命。長期、可靠、穩定的接地系統是維持設備穩定運行、保證設備和人員安全的根本保障。

接地系統長期安全可靠運行的關鍵在于正確選擇合適的接地材料和可靠的連接。目前,我國傳統接地體大多采用鋼材質，大部分地區仍然使用鍍鋅扁鋼作為接地材料，但是，幾十年的實踐證明鍍鋅鋼并不能解決接地裝置的腐蝕問題，像華北電網天津北郊500kV變電站投運8年后，開挖檢查發現接地裝置腐蝕嚴重，有的甚至已被腐蝕斷，不得不投巨資更換成銅接地裝置。還有北京房山變電站，大同二電廠等大型500kV變電站投運10~11年后，因腐蝕嚴重均重新更換了原鍍鋅鋼接地裝置。相反大量采用銅質材料作為接地材料，如天津塘沽110kV變電站、上海楊樹浦電廠等，經檢查，其接地裝置至今有50年，檢測仍然合格且可使用。近年來，北京、上海、江蘇、浙江、山東、廣東、遼寧、天津等地區已開始選用熱穩定性能好、導電性能強、耐腐性強的銅材作接地，其連接采用先進的放熱焊接技術。

銅的熔點為1083℃，短路時最高允許溫度為450℃；而鋼的熔點為1510℃，短路時最高允許溫度為400℃。因此，接地體截面相同時，銅材熱穩定性較好。同等熱穩定性能時，鋼接地體所需的截面積為銅材的3倍，是30%鍍銅鋼絞線的2.5倍，是40%鍍銅鋼絞線的2.8倍。

接地體的腐蝕主要有化學腐蝕和電化學腐蝕兩種形式，在多數情況下，這兩種腐蝕同時存在。銅在土壤中的腐蝕速度大約是鋼材的1/10~1/50，是鍍鋅鋼的耐腐蝕性的3倍以上，而且電氣性能穩定。銅的表面會產生附著性極強的氧化物（銅綠），能夠對內部的銅起很好的保護作用，阻斷腐蝕的形成。當銅與其他金屬（鋼結構、水管、氣管、電纜護套等）共存地下時，銅作為陰極不會受腐蝕，被腐蝕的是后者。鋼材是逐層腐蝕，鍍鋅層具有一定的抗腐蝕性。鋼接地體接頭部位經過高溫電弧焊接加工后會出現點腐蝕情況，一般最多只能保證10年。而銅腐蝕不存在點蝕情況，壽命較長。可見，銅接地體的耐腐性顯著優于鋼接地體。

目前我國地鐵變電站接地系統均存在不同的腐蝕問題，特別是有些運行十年以上的變電站腐蝕相當嚴重。像天津地鐵一號線局部運行時間30多年（標號7047工程，20世紀70年代建設），一些變電站接地系統腐蝕嚴重。因此，地鐵的供電系統接地網的連接與防腐是工程中的重點，要達到要求的阻值（按規定是0.5Ω），土壤電阻率（很重要），地網設計使用年限（規范中是30年）。在變電站內，不同用途和不同電壓的電氣裝置、設施，應使用一個總的接地裝置，接地電阻應符合其中最小值的要求。設備接地引下線及地網主干線滿足3kA接地短路電流的熱穩定要求。變電站接地裝置的型式和布置考慮保護接地的要求，應降低接觸電位差和跨步電位差，直擊雷的防護,防雷電反擊和感應雷的處理方法，并應符合規范要求。