(完整版)城轨供电系统毕业论文设计

毕业设计（论文）

《城轨供电系统》

系 部： 轨道交通系

班 级： 11级南昌地铁供电

学 号：

学生姓名： 指导教师姓名： 陈庆 指导教师职称： 讲师

二〇一三年十一月八日

摘 要

以长沙地铁为设计参考，给出设计负荷和供电方式。主要采用1500V 直流供电，牵引变压器采用37500KV ，一用二备，一级负荷。设计内容主要包括；牵引变电所，变流所，城轨接触网三大部分。

关键词：牵引变电所，变流所，城轨接触网 ABSTRACT

The Changsha Metro design reference, given the design load and power supply mode. The main use of 1500V DC power supply, the 37500KV traction transformer, a prepared with two, a level load. The design content mainly includes; traction substations, converter, city rail contact of three parts.

Key words：traction substations, converter, city rail contact of three parts.

目 录

摘 要 ........................................................................................................... I .................................................................................................................... II

概 述 ................................................................................................................................... 1

第一章 牵引变电所 .......................................... 1

1.1 牵引变电所的类型及原理 ....................................................................................................... 1

1.2 牵引变电所供电的接线图 ....................................................................................................... 1

................................................................................................... 1

第二章 变流所 ........................................... 2

2.1 变流所的认识 ................................................................................................................... 2

2.2 变流所的功能 ................................................................................................................... 2

第三章 城轨接触网 .......................................... 5

3.1 接触网的组成 ............................................................................................................... 5

3.2接触网的特点及要求..................................................... 5

3.3 接触网的分类 ................................................................................................................... 5 3.4接触网的供电方式 .................................................... 6

结 论 ............................................... 7

参 考 文 献 ..................................................................................................................... 8

致 谢 ................................................... 8

1 城市轨道交通的定义

1.1供电对象

1.11为城市轨道交通电动列车提供牵引供电;

1.12为城市轨道交通运营服务的其他设施提供电能。

1.2 供电制式

1.21城市轨道交通供电制式组成；变电所，接触网，回流网。

1.22牵引网的供电制式主要指电流制，电压等级和馈电方式。 我国国家标准 ≤地铁直流牵引供电系统≥，规定了DC1500V 和DC750V 两种电制式

1.3 供电制式选择原则

1.31供电制式与客流量相适应

1.32供电安全可靠性

1.33便于安装和事故抢修

1.34牵引网实用寿命长，维修工作量小

1.35注重环境和景观效果

2 牵引变电所

2.1 牵引变电所的类型及原理

牵引变电所的电源一般来自电力系统的区域

变电所，牵引变电所的任务就是将电力系统提供的

三相工膝交流电变为牵引所用的电能。根据牵引制式

的不同，牵引变电所又分为直流牵引变电所和交

流牵引变电所。根据不同的牵引制式，变电所内完成相

应的变压、变相、变流 作用。目前我国的牵引

变电所主要有电气化铁路的单相工新交流制牵引变电

所和城市轨道交通系统（地铁、轻轨）的直流牵引变电所。

2.2 牵引变电所供电的接线图

1.环行供电接线

由两个或两个以上主降压变电站和所有的牵引变电所用输电线联成一个环行。环行供电是很可靠的供电线路，因为在这种情况下，一路输电线和一个主降压变电站同时停止工作时，只要其母线仍保 持通电，就不致中断任何一个牵引变电所的正常供电。但其投资较大。

2．双边供电接线

由两个主降压变电站向沿线牵引变电所供电，通往牵引变电所的输电线都经过其母线联接，为了增加供电的可靠性，用双路输电线供电，而每路按输送功率计算。这种接线可靠性稍低于环行供电。当引入线数目较多时，开关设备多，投资增加。

3．单边供电接线

当轨道沿线附近只有一侧有电源时，则采用单边供电。单边供电较环行供电和双边供电的可靠性差，为了提高可靠性，应用双回路输电线供电。单边供电设备较投资少。

4．辐射形供电接线

每个牵引变电所用两路独立输电线与主降压变电站联接。这种接线方式适合 轨道线路成弧形的情况。这种接线简单，但当主降压变电所停电时，将全线停电。

应当指出，实际情况常常是以上某些典型接线方式的综合。变配电接线图的选择应该是这样的，当供电系统的一个元件故障损坏时，它应能自动解列而不致破坏牵引供电。

2.3变电所内的控制和信号电路

二次接线（电路）图及控制方式概述

1) ．二次接线（电路）图

供变电装置中，为了保证高压电气设备的安全运行和实现对一次设备的操作控制而设置的控制、信号、检测与继电保护、自动装置等一系列低压、弱电电气设备，通常称为二次设备。用来表明二次设备相互联接的电气接线图，称为二次接线图。二次接线图一般有三种表达形式，即：

（1）原理接线图：也称归总式原理图，用来表示二次设备中的监视仪表、控制与信号、

保护和自动装置等的工作原理。使人们对整个装置易于形成完整而清晰的概念。其特点是图中标有相关的主体部分，各设备元件都以整体形式表示。并将所包括的交流电压回路、交流电流回路和直流控制、信号电路等各组成部分一并画出。

（2）展开接线图：展开接线是在相应原理接线图的基础上，将其总体形式的电路分解为交流电流、电压回路及直流回路等相对独立的各个组成部分。这时电路中设备元件的不同线圈与接点等将分别绘入相应部分的回路中。例如，电流继电器的线圈绘于交流电流回路中，而其接点则绘于直流回路中。

（3）安装接线图：安装接线图是为二次设备的制造、安装或调试检修而专门绘

制的。安装图一般应包括盘面布置图、盘后接线图和端子排接线图等组成部分。

变电所的电气主接线是指由变压器、断路器、开关设备、母线等及其连接导线所组成的接受和分配电能的电路。电气主接线反映了变电所的基本结构和功能，在运行中，它能标明电能的输送和分配的关系以及变电所一次设备的运行方式，成为实际运行操作的依据。 在设计中，主接线的确定对变电所的设备选择、配电装置布置、继电保护配置和计算、自动装置和控制方式选择等都有重大影响。此外，电气主接线对牵引供电系统运行的可靠性。电能质量、运行灵活性和经济性起着决定性作用，因此，电气主接线是牵引变电所的主体部分。

一、对电器主接线的基本要求

1．可靠性

保证在各种运行方式下，牵引负荷以及其他动力的供电连续性。牵引负荷是一级负荷，中断供电将造成重大经济损失与社会影响，甚至造成人员伤亡，所以，高质量、连续的供电是对电气主接线的首要要求。

2．灵活性

灵活性是指在系统故障或变电所设备故障和检修时，能适潮调度的要求，灵活、简便、迅速地改变运行方式，且故障影响吗范围最小。这就要求主接线力求简捷、明了、没有多余的电气细备，投人或切除某些设备和线路的操作方便，避免误操作，灵周性还表现在具有适应

发展的可能性。

3．安全性

保证在进行一切操作切换时，工作人员和设备的安全以及朗在安全条件下进行维护检修工作。

4．经济性

应使主接线投资与运行费用达到经济、合理。经济性主要取决于母线的结构类型与组数、主变压器容量、结构型式和数量、高压断路器数量、配电装置结构类型和占地面积等因素。 经济性往往与可靠性之间存在着矛盾，要增强主接线的因此，在确定主接线的型式时，要进行、可使在变供电，或者保证用户的馈线能从不同的变压得特别重要单母线不分段是比较简单的接线器和隔离开关后分别与母线特点是接线简单，设备少，配电可靠性与灵活性，就需增加设备和投资。

此外，随着经济的高速发展，铁路和城市交通的运量相应迅速增长，牵引变电所增容。增加馈线和其他设备的改建、扩建经常存在，因此，电气主接线的设计应当长远规划，精心设计，给将来的扩建留有余地。特别是在城市轨道交通变电所设计中．还应注意场地条件安排与城市规划发展相结合．

变电所的变压器与债线之间采用什么方式连接，以保证工作可靠、灵活是十分重要的问题、解决的措施是采用母线制。应用不同的母线连接方式、可使在变压器数量少的情况下也能向多个用户供电，或者保证用户的馈线能从不同的变压器获得电能。母线又称汇流排，在原理上它是电路中的一个电气节点。

它起着集中变压器的电能和给各用户的馈电线分配电能的作用，所以，若母线发生故障，将使用户供电全部中断。故在主接线的设计中．选择什么样的母线制就显得特别重要行维护检修工作。

此外，随着经济的高速发展，铁路和城市交通的运量相应迅速增长，牵引变电所增容。增加馈线和其他设备的改建、扩建经常存在，因此，电气主接线的设计应当长远规划，精心设计，给将来的扩建留有余地。特别是在城市轨道交通变电所设计中．还应注意场地条件安排

与城市规划发展相结合．

变电所的变压器与债线之间采用什么方式连接，以保证工作可靠、灵活是十分重要的问题、解决的措施是采用母线制。应用不同的母线连接方式压器数量少的情况下也能向多个用户器获得电能。

母线又称汇流排，在原理上它是电路中的一个电气节点。它起着集中变压器的电能和给各用户的馈电线分配电能的作用，所以，若母线发生故障，将使用户供电全部断。故在主接线的设计中．选择什么样的母线制就显。

合闸时，如遇永久性故障，继电保护立即使其跳闸。为此，如控制开关未复归或自动装置出口继电器触点被卡住，使合闸回路一直通电，将引起断路器再次，合闸继而又跳闸，如此反复即出现“跳跃”现象，导致断路器损坏。为防止此种情况，应在控制回路中设电气防跳措施，或断路器本身设置机械防跳。

（5）采用液压和气压操动的机构，跳、合闸操作回路中应分别设有液压或气压闭锁，在低于规定标准压力情况下，闭锁操作回路。断路器与隔离开关配合使用时，应有防误操作的闭锁措施。

（6）对跳、合闸回路及其电源的完好性，应能进行监视。

控制、信号回路的接线方式有多种，按监视方式可分为灯光监视的回路和音响监视的回路，前者适用于一般有人值班的变电所，后者可用于无人值班的变电所和大型变电所。

1) ．中央信号系统概述

牵引变电所主控制室中的中央信号装置，用于集中监视变电所中电气设备的运行状况，便于值班人员及时了解和处理故障及各种异常情况。

中央信号装置通常由事故信号装置和预告信号装置两部分组成。事故一般指主电路系统发生短路故障，继电保护动作并导致有关断路器跳闸、在切除短路故障部分的同时，造成该部分主电路系统的停电，这是事故区别于一般故障的主要特征。

事故信号装置通常包括事故音响与事故闪光信号两部分。预告信号则包括除上述事故以外的一、二次电气设备的故障与不正常运行状态，即所有非正常运行状态均应给出预告信号。事故音响信号和全部预告信号都安装在公用的中央信号盘上。

2) 、中央信号装置的功能与要求

（1）事故信号装置功能。所内所有断路器事故跳闸后，应能立即发出音响信号（如蜂鸣器音响），并应使该断路器的位置状态信号灯（绿色信号灯LD ）发出闪光。

（2）预告信号装置功能。当电气设备、装置发生故障或各种不正常的运行状态时，应能发出区别于上述事故音响的另一种音响信号（如警铃音响），并使相应具体设备监视异常状态

的有关光字牌亮灯。

(3)事故信号、预告信号装置都应能进行装置功能状态良好与否的试验，以便经常检查。

（4）事故、预告信号音响都应能手动或自动复归。表明故障或不正常运行状态性质的光字牌显示，则应保留至事故消除、恢复正常运行以后，方允许自动或手动复归。

3变流所

3.1变流所的认识

变流所是一种大型变流技术的设备，变流技术是一种电力变换的技术，相对于电力电子器件制造技术而言，是一种电力电子器件的应用技术，它的理论基础是电路理论。

变流技术主要包括：用电力电子器件构成各种电力变换的电路，对电路进行控制，以及用这些技术构成更为复杂的电力电子装置和系统．通常所说的“变流”是指：交流电变直流电，直流电变交流电，直流电变直流电和交流电变交流电。

直流供电系统： 直流供电系统由整流器、蓄电池、直流变换器和直流配电屏等部分组成，当市电中断时，蓄电池单独给通信设备供电。由于蓄电池通常处于充足电状态，所以市电短期中断时，由蓄电池保证不间断供电。若市电中断期过长，整流器应由油机发电机组供电。

直流供电系统特点：

1． 整流器的交流电源由交流配电屏引入，整流器的输出端通过直流配电屏与蓄电池和负载连接。

2． 当通信设备需要多种不同数值的电压时，采用直流变换器将基础电源的电压变换为所需的电压。

3. 由于直流供电系统中设置了蓄电池组，可保证不间断供电。

4． 目前广泛应用的直流供电方式为并联浮充供电方式。

并联浮充供电方式是将整流器与蓄电池并联后对通信设备供电。在市电正常的情况下，整流器一方面给通信设备供电，一方面又给蓄电池充电，以补充蓄电池因局部放电而失去的电量。

在并联浮充工作状态下，蓄电池还起一定的滤波作用。

当市电中断时，蓄电池单独给通信设备供电。由于蓄电池通常处于充足电状态，所以市电短期中断时，由蓄电池保证不间断供电。若市电中断期过长，整流器应由油机发电机组供电。

并联浮充供电方式的优点是结构简单、工作可靠，供电效率较高。但是，采用这种工作方式时，在浮充工作状态下，输出电压较高，当蓄电池单独供电时，输出电压较低，因此负载电压变化范围较大。 直流供电系统设备：直流屏

直流屏通用名为智能免维护直流电源屏，简称直流屏，通用型号为GZDW 。简单地说，直流屏就是提供稳定直流电源的设备。（在输入有380V 电源时直接转化为220V ，在输入（市电和备用电）都无输入时，直接转化为蓄电池供电——直流220V ：实际上也可以说是一种工业专用应急电源）。

发电厂和变电站中的电力操作电源现今采用的都是直流电源，它为控制负荷和动力负荷以及直流事故照明负荷等提供电源，是当代电力系统控制、保护的基础。直流屏由交配电单元、充电模块单元、降压硅链单元、直流馈电单元、配电监控单元、监控模块单元及绝缘监测单元组成。

主要应用于电力系统中小型发电厂、水电站、各类变电站，和其他使用直流设备的用户（如石化、矿山、铁路等），适用于开关分合闸及二次回路中的仪器、仪表、继电保护和故障照明等场合。 直流电源

直流电源（DC power ）有正、负两个电极，正极的电位高，负极的电位低，当两个电极与电路连通后，能够使电路两端之间维持恒定的电位差，从而在外电路中形成由正极到负极的电流。

单靠水位高低之差不能维持稳恒的水流，而借助于水泵持续地把水由低处送往高处就能维持一定的水位差而形成稳恒的水流。与此类似，单靠电荷所产生的静电场不能维持稳恒的电流，而借助于直流电源，就可以利用非静电作用（简称为“非静电力”）使正电荷由电位较低的负极处经电源内部返回到电位较高

的正极处，以维持两个电极之间的电位差，从而形成稳恒的电流。

因此，直流电源是一种能量转换装置，它把其他形式的能量转换为电能供给电路，以维持电流的稳恒流动。

交流供电系统

通信交流供电系统一般有以下组成：

1、主用交流电源（一般是市电，特殊可用风电等）

2、备用交流电源（油机发电机组或者燃气发电机组等）

3、高压开关柜

4、电力降压变压器

5、低压配电屏

6、低压电容屏

7、交流调压稳压设备

具有以下特点：

1． 电信局的电源一般由高压电网供给。为了提高供电可靠性，重要通信枢纽局一般由两个变电站引入两

路高压电源，并且用专线引入，一路主用，另一路备用。

2． 电信局内通常设有降压变电室。室内装有高、低压配电屏和降压变压器。通过这些变、配电设备，将高压电源（一般为10 kV）变为低压电源（三相380 V），为整流设备和照明设备供电。

3． 在高层通信大楼中，为了缩短低压供电线路，降压变电站可设在主楼内，此时，电力变压器应选用干式变压器，配电设备中的高压开关应选用户内高压真空断路器。

4． 为了不间断供电，电信局内一般配有油机发电机组。当市电中断时，通信设备由油机发电机组供电。采用无人值守自动启动油机发电机组，当市电中断时，能自动启动。由于市电比油机发电机供电经济可靠，因此，在有市电的条件下，通信设备由市电供电。

5． 通过低压交流配电屏完成低压市电和油机发电机的转换。低压交流配电屏将低压交流电分别送给整流器、照明设备和空调装置。它还能监测交流电压和电流的变化情况，当市电中断或电压发生较大变化时，自动发出告警信号。

6． 为了确保通信电源不中断、无瞬变，采用静止型交流不间断电源（UPS ）。该电源系统一般由蓄电池、整流器、逆变器和静态开关等部分组成。市电正常时，市电经整流和逆变后，给通信设备供电，此时，蓄电池处于并联浮充状态。当市电中断时，蓄电池通过逆变器（DCAC 变换器）给通信设备供电。通过交流静态开关完成逆变器和市电的转换。

3.2变流所的功能

交叉新技术

变流技术是伴随着半导体器件的发展而发展出来的一种交叉新技术。半导体器件制造技术中已经先后经历了以晶闸管为代表的分立器件，以可关断晶闸管（GTO ）、巨型晶体管（GTR ）、功率MOSFET 、绝缘栅双极晶体管（IGBT ）为代表的功率集成器件（PID ），以智能化功率集成电路（SPIC ）、高压功率集成电路（HVIC ）为代表的功率集成电路（PIC ）等三个发展时期。

器件结构

在器件结构上，从分立器件，发展到由分立器件组合成功率变换电路的初级模块，继而将功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合在一起的复杂模块。功率集成器件从单一器件发展到模块的速度更为迅速，今天已经开发出具有智能化功能的模块（IPM ）。

器件控制

在器件的控制模式上，从电流型控制模式发展到电压型控制模式，不仅大大降低了门极（栅极）的控制功率，而且大大提高了器件导通与关断的转换速度，从而使器件的工作频率由工频→中频→高频不断提高。

1. 一般工业

直流电动机有良好的调速性能，给其供电的可控整流电源或直流斩波电源都是电力电子装置； 近年来电力电子变频技术的迅速发展，使交流电机的调速性能可与直流电机媲美，交流调速技术大量应用并占据主导地位。几百W 到数千kW 的变频调速装置，软起动装置等；

电化学工业大量使用直流电源，如电解铝、电解食盐水等。

冶金工业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合，需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源。

2 . 交通运输

电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。直流斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制；

飞机、船舶需要很多不同要求的电源，因此航空和航海都离不开电力电子技术； 如果把电梯也算做交通运输，那么它也需要电力电子技术。以前的电梯大都采用直流调速系统，近年来交流变频调速成为主流。

3. 电力系统

据估计，发达国家在用户最终使用的电能中有60%以上至少经过一次电力电子变流装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中，电力电子技术是关键技术之一。毫不夸张地说，离开电力电子技术，电力系统的现代化是不可想象的。

直流输电（HVDC) 在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置。

近年发展起来的柔性交流输电（FACTS ）可以大幅度提高电网输电能力和稳定性。

手段：快速、精确、连续地控制大容量有功和无功等参数实现对系统潮流变化、功率流向、输送能力、阻尼振荡的性能加以改进和提高。如有源滤波器（APF Active Power Filter) 可进行用户端的无功补偿和谐波抑制。

4. 不间断电源（UPS ）和各种开关电源

各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。在各种电子装置中，以前大量采用线性稳压电源供电，由于高频开关电源体积小、重量轻、效率高，现在已逐渐取代了线性电源。

5. 家用电器

照明在家用电器中有十分突出的地位。由于电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，通常被称为“节能灯”，正逐步取代传统的白炽灯和日光灯。 变频空调器是家用电器中应用电力电子技术的典型例子之一。电视机、音响设备、家用计算机等电子设备的电源部分也都需要电力电子技术。此外，有些洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。

4. 接触网

4.1接触网的组成

接触网是沿铁路上空架设的一条特殊形式的输电线路，它由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与

基础等几个部分组成，如图1—1—1所示。

图1-1-1 架空是接触网空间结构示意图

一、支柱及其基础类型

支柱与基础用以承受接触悬挂、支持装置和定位装置的全部重量，并将接触悬挂固定在规定的位置和高度上。

我国接触网中采用预应力钢筋混凝土支柱和钢柱，其中钢筋混凝土支柱又可按外观形态上分为矩形横腹杆和等颈圆支柱两种。预应力钢筋辊凝土支柱与基础整体制成，下端直接埋入地下。钢支柱通过焊接或螺栓连接等方式固定在地下用钢筋}昆凝土制成的基础上。基础承受支柱传给的全部荷载，将荷载传递并分散到地基土层中，以保证整个支柱的安全和稳定性。

二、支持装置

支持装置用以支持接触悬挂，并将其负荷传给支柱或其他悬挂的全部设备。根据接触网所在区间、站场和大型建筑物而有所不同。支持装置包括腕臂、水平拉杆、悬式绝缘子串、捧式绝缘子及其它建筑物上的特殊支持设备。

支持装置结构应能适应各种场所，尽量轻巧耐用，有足够的机械强度，方便施工和检修。

三、定位装置

定位装置其作用是固定接触线的位置，在受电弓滑板运行轨迹范围内，保证接触线与受电弓不脱离，使接触线磨耗均匀，同时将接触线的水平负荷传给支柱。定位装置包括定位管、定位器、支持器及其连接零件。

四、接触网的悬挂装置

接触悬挂是通过支持装置架设在支柱上的供电装置，它将牵引变电所获得的电能输送给电力机车。电力机车运行时，受电弓顶部的滑板紧贴接触线摩擦滑行取流。因此，要求接触线弹性均匀，弛度变化小，保证在任何条件下都能不问断地给机车供电。接触悬挂包括接触网导线(接触线) 、吊弦、承力索和坠砣补偿器等。

接触悬挂的弹性是其质量优劣的主要标志。接触悬挂的弹性是指悬挂中某一点在受电弓的压力下，每单位垂直力使接触线升高的程度。

衡量接触悬挂的弹性有两个指标：一是弹性的大小，取决于接触线的张力；二是弹性的