2.3 地铁110kV/35kV/10kV供电及直流馈电系统的分析

2.3.1 供、馈电的标准

国标GB-10411中的规定

1）在城市地铁供电系统中、将交、直流配电系统称为供电，仅直流配电称之为馈电。我国的地铁供电系统、馈电系统如图2-6、图2-7、图2-8所示。

2）中压供电网络（地铁子变电站）：将主变电站的35kV中压电源经中压馈出供电网络分配各牵引变电站及降压变电站。（有的城市地铁线路供电系统为35kV—10kV—400V有别于如图2-7所示）。

3）牵引变电站及降压变电站：牵引变电站将35kV中压电源经整流变压器降压为590V（1180V），再经整流器整流后变成供电客车使用的直流750V（1500V）电源。

降压变电站将35kV中压电源经电力变压器降压后成为低压0.4/0.23kV，供车站、区间动力及照明设备电源。

4）如图2-8所示降压混合站一次供电系统图，从35kV电源进线到整流输出、接触网（轨），从交流到直流均清楚地表明了系统的供电走向。如图2-7所示为地铁某站馈电（降压及整流）系统图、从市网110kV进入两个主变电站，经过主变器降压为35kV，分两路供给整流变压器和动力变压器，经整流变压器降压后送入整流柜整流，整流后成为750V（1500V）直流电压，经馈线柜输出进入接触轨（三轨）、（包括站台小三轨）和回流轨（走行轨），形成为电客车提供电能的供电回路。完成牵引接触网系统，其直流馈电回路电原理如图2-9所示。

2.3.2 直流馈电系统

图2-9为直流快速断路器的馈电系统图。馈电方式有单边馈电和双边馈电，双边馈电的概念：一个馈电区间由相邻的两个牵引变电站各经一路馈线同时馈电；单边馈电为一个馈电区间只同一路馈线馈电。我国直流供电地铁接触网普遍采用双边供电方式，在相邻的两个牵引变电站供电的接触网中间设置分区，用隔离开关将接触网连通。运行中的电力机车由两边的牵引变电站同时供电。这种供电方式可降低接触网中的电能损失，减小接触网的电压降，一个牵引变电站停电时，电力机车运行不致中断。接触网在分区处断开，分区隔离开关只在一边牵引变电站停电时接通，由另一边牵引变电站越区供电，同时分区还有上下行末端并联的功能。如图2-9所示中整流变压器输出AC 590V交流电压，经24脉波整流（关于24脉波整流后面内容介绍）后输出DC 750V直流电压，由进线柜（正极柜）馈线柜，接触轨（三轨）、列车、轨道回流、负极柜和整流柜完成回路。

直流牵引：城市轨道交通和地铁的牵引供电系统通常采用较低电压的直流供电制式，主要原因：

1）由于直流制供电无电抗压降，因而比交流制供电的电压损失小。

2）电网的供电范围（距离）、电动车辆的功率都不大，（线路满载不大于4000A，因此ΔI一般也定在此值）因此不需太高的供电电压。

3）城市轨道交通和地铁的供电线路都处在城市建筑群之间，供电电压不宜过高，以确保安全。

4）直流制供电对象为早期使用的直流牵引电动机和近期采用的变频调速异步牵引电动机，均具有良好的起动和调速特性，可充分满足电动车辆牵引特性的要求。基于上述原因，世界各国城市轨道交通的供电电压均在550～1500V之间，其中间档级很多，主要是由各种不同交通形式、不同发展历史时期造成的。国际电工委员会拟定的电压标准为600V、750V、1500V三种，后两种电压为推荐值。我国国标亦规定为750V和1500V，不推荐600V电压等级。我国北京地铁、天津地铁采用的是750V直流供电电压，上海地铁、广州地铁、深圳地铁等均采用的是1500V直流供电电压。究竟应选择哪种电压等级?应根据供电系统的技术经济指标、供电质量、运输的客流密度、供电距离和车辆等因素选择，还应根据各城市的具体条件和要求，通过综合技术论证后选择。近年来，由于交流变频调速技术的发展，车辆的牵引电动机已逐步采用结构简单、运行可靠、价格低廉的笼型交流异步电动机代替原有的直流电动机。在城市轨道交通中采用交流变频调速异步牵引电动机是一项新技术。通常采用的是“交-直-交”（AC-DC-AC）变频调速方式，尽管在运营车辆上采用的是交流异步电动机，但其接触网架线供电电压还是直流的。从供电的角度分析，仍然可以认为是属于直流馈电制式的扩大运用范畴。如图2-10所示地铁牵引供电系统的各组成部分示意图。

主变电站降压后送至牵引变电站，由整流装置、馈电线路、接触网、走行轨道和回流轨等构成“牵引馈电系统”，如图2-11所示为S5-95智能控制单元应用于牵引馈电系统。

2.3.3 地铁供电系统中母线和母线之间的联络

（1）母线的作用

母线是用来汇集电流和分配电流的,保证电网的稳定和供电的可靠性。如A组电源和B组电源调整到同一等级的电压后一同接到母线上去（相当于汇集电流）。然后，再由母线把电送到C组和D组，地铁每个变电站都有自己的母线系统。

（2）母线的几种接线方式

①单母线方式 分为单母线、单母线分段、单母线加旁路、单母线分段加旁路。

②双母线方式 双母线、双母线分段、双母线加旁路、双母线分段加旁路。

③三母线 三母线分段、三母线分段加旁路。

④3/2、4/3接线方式3/2接线分段、4/3接线分段是在3个回路中送出2个回路或4个回路送出3个回路供电，一般用在220kV及以上电网中。该方式耗用断路器，CT较多费用高且保护复杂。

⑤桥形接线方式 内桥形接线、外桥形接线、复式桥形接线。

⑥环形接线方式 三角形接线、四角形接线、多角形接线。

地铁供电母线系统常用单母线分段、单母线分段加旁路及内桥形接线方式。其中单母线分段带旁路方式，它可以在单母线不中断供电的情况下检修配出线断路器。例如，需检修线路断路器时，接通母线分段的隔开和旁路母线的隔开，合上母线分段断路器，然后断开断路器及两侧隔离开关，这样，利用母线分段断路器代替线路断路器。该方式的缺点是旁路母线投资大、结构复杂，仅在重点线路使用。内桥式母线连接方式一般用在地铁主变电站变压器之间的联络上。

（3）母线的联络

1）在地铁供电系统中，母线之间用母线联络断路器或隔离开关将一条线路分段连接，母线或电压等级相同的不同母线之间的连接称为母线的联络，除常用的隔离开关外，也会使用母线联络断路器，其防误操作的闭锁装置,可有效地解决只用隔离开关作为变电站母线联络开关时, 存在的该隔离开关与多台断路器之间无操作闭锁的问题。如图2-12所示为地铁某变电站单母线联络开关接线方式：

图中的变电站采用两路进线双回路供电，由单母线联络开关K1，两路进线各接一降压变压器提供站内动力、照明电源负荷及直流后备系统的控制、操作。

2）母线常见故障 地铁供电系统母线常见的故障是失电压，故障发生后，在找到故障并排除之前不应该随意再次合闸。为了查找故障，可先将多路负荷断开，然后合上电源侧断路器。若电源侧断路器能够顺利合闸，说明母线没有问题，然后再逐个将负荷开关闭合，遇到合上某路断路器时，电源侧断路器再次跳闸时，说明刚刚合上的一路负荷存在故障。将故障负荷再次断开，重新给各路负荷逐路送电，最终能将存在故障的负荷线路查找出来，并恢复正常负荷线路的供电。