《城市轨道交通供电》学习包

城市轨道交通供电学习包第一章 电力牵引供电系统综述一、 电力牵引的制式 对牵引列车的电动车辆或电力机车特性的基本要求： 1、起动加速性能 要求起动加速力大而且平稳，即恒定的大的起动力矩，便于列车快速平稳起动。 2、动力设备容量利用 对列车的主要动力设备牵引电动机的基本性能要求为，列车轻载时，运行速度可以高一些，而列车重载时运行速度可以低一些。这样无论列车重载或轻载都可以达到牵引电动机容量的充分利用，因为列车的牵引力与运行速度的乘积为其功率容量，这时近于常数。 3、调速性能 列车运输，特别是旅客运输，要求有不同的运行速度，即调速。在调速过程中既要达到变速，还要尽可能经济，不要有太大的能量损耗，同时还希望容易实现调速。 低频单相交流制是交流供电方式，交流电可以通过变压器升降压，因此可以升高供电系统的电压，到了列车以后再经车上的变压器将电压降低到适合牵引电动机应用的电压等级。由于早期整流技术的关系，这种制式采用的牵引电动机在原理上与直流串激电动机相似的单相交流整流子电动机。这种电动机存在着整流换向问题，其困难程度随电源频率的升高而增大，因此采用了“低频”单相交流制，它的供电频率和电压有 25 HZ、6.511 kV和16HZ、1215 kV等类型。由于用了低频电源使供电系统复杂化，需由专用低频电厂供电，或由变频电站将国家统一工频电源转变成低频电源再送出，因此没有得到广泛应用，只在少量国家的工矿或干线上应用。 “工频单相交流制”。这种制式既保留了交流制可以升高供电电压的长处，又仍旧采用直流串激电动机作为牵引电动机的优点，在电力机车上装设降压变压器和大功率整流设备，它们将高压电源降压，再整流成适合直流牵引电动机应用的低压直流电，电动机的调压调速可以通过改变降压变压器的抽头或可控制整流装置电压来达到。工频单相交流制是当前世界各国干线电气化铁路应用较普遍的牵引供电制式。我国干线电气化铁路即采用这种制式，其供电电压为25kV。 在牵引制的发展过程中曾出现过“三相交流制”的形式，但由于供电网比较复杂，必须要有两根（两相）架空接触线和走行轨道构成三相交流电路，两根架空接触线之间又要高压绝缘，造成的困难和投资更大，因此被淘汰。 关于直流制式的电压等级应用情况大致如下：干线电气化铁路的供电电压有 3 kV的，电压没有再提高是因为受到直流牵引电动机端电压的限制，其值一般为 l5 kV左右，用 3 kV供电，一般就需要将两台电动机串联联接，再提高供电电压其联接就更复杂，还涉及当时整流装置绝缘水平的问题。这种制式在原苏联和东欧一些国家应用最普遍。 供电电压为 1.21.5 kV的直流制多用于工矿和部分国家的干线电力牵引，如日本等国家。 城市轨道交通几乎毫无例外地都采用直流供电制式，这是因为城市轨道交通运输的列车功率并不是很大，其供电半径（范围）也不大，因此供电电压不需要太高，还由于直流制比交流制的电压损失小（同样电压等级下），因为没有电抗压降。另外由于城市内的轨道交通，供电线路都处在城市建筑群之间，供电电压不宜太高，以确保安全。基于以上原因，世界各国城市轨道交通的供电电压都在直流 5501500V之间，但其档级很多，这是由各种不同交通形式，不同发展历史时期造成的。现在国际电工委员会拟定的电压标准为：600 V、750 V和1500V三种。后两种为推荐值。我国国标也规定为 750V和 1500 V，不推荐现有的600 V。 我国北京地铁采用的是 750 V直流供电电压，上海地铁采用的是1500 V直流供电电压。必须根据各城市的具体条件和要求，综合论证决定。 二、电力牵引供电系统的组成 我国和大多数国家一样，电力生产由国家经营管理，因此无论是干线电气化铁路，还是工矿电力牵引和城市轨道交通电力牵引用电均由国家统一电网供给。为了说明电力牵引供电系统各个组成部分的关系和作用，下面以城市轨道交通直流电力牵引供电系统为例，用示意图1-1表示之。 电厂可能与其用户相距甚远，为了能得到经济输电，必须将输电电压升高，以减少线路的电压损失和能量损耗，因此在发电厂的输出端接入升压变压器以提高输电电压。目前我国用得最普遍的输电电压等级为110220 kV。 通常国家供电系统总是把在同一个区域（或大区）的许多发电厂通过高压输电线和变电所联结起来成为一个大的统一的供电系统，向该区域的负荷供电，这样由各级电压输电线将发电厂、变电所和电力用户联结起来的一个发电、输电、变电、配电和用户的统一体被称为电力系统。组成统一的电力系统有如下的一些优越性。 1可以充分利用动力资源。火力发电厂发出多少电能就需要相应地消耗多少燃料，而其他的某些类型发电厂，它能发出多少电能取决于当时该发电厂的动力资源情况，如水电站的水位高低，它随自然条件的变化而变化，因此，组成统一的电力系统以后，在任何时候，可以动态地调整各种动力资源，以求其发挥最大效益。 2减少燃料运输，降低发电成本。大容量火力发电厂所消耗的燃料是很可观的，如果不用高压远距离输电，则发电厂必然要建在负荷中心附近而不能建在燃料资源的生产地，这样就要大量运输燃料，造成发电成本升高。采用高压输电电力系统以后就可以解决以上问题，将发电厂建在动力资源丰富的地方。 3提高供电的可靠性。由于供电区域内的负荷是由多个发电厂组成的电力系统共同供电的，这样与单个发电厂独立向自己的负荷供电比较起来，对负荷的供电可靠性就可以提高很多，因为系统内发电厂之间可以起到互为后备的作用。与此同时，整个系统的发电设备容量也可以减少很多，降低了设备的投资费用。 4提高发电效率。没有组成电力系统之前，每个发电厂的容量是按照它的供电负荷大小来设计选择的，如果该地区负荷小，则发电设备单机容量必小。通常单机小容量的发电设备总是比大容量的设备运行效率低些，因此组成电力系统以后，不但各发电厂的单机容量可以尽可能选得大一些，以提高单机的运行效率，而且总机组数目也可减少，还不受各地区负荷大小的牵制，因为它们是由统一系统供电的，这就达到了提高发电效率的目的。 通常高压输电线到了各城市或工业区以后通过区域变电所（站）将电能转配或降低一个等级，如 3510 kV向附近各用电中心送电。城市轨道交通牵引用电既可从区域变电所高压线路得电，也可以从下一级电压的城市地方电网得电，这取决于系统和城市地方电网具体情况以及牵引用电容量大小。 对于直接从系统高压电网获得电力的城市轨道交通系统，往往需要再设置一级主降压变电站，将系统输电电压如110220kV降低到1035 kV以适应直流牵引变电所的需要。从管理的角度上看，主降压变电站可以由电力系统（电业部门）直接管理，也可以归属于城市轨道交通部门管理。 以上，从发电厂（站）经升压、高压输电网、区域变电站至主降压变电站部分通常被称为牵引供电系统的“外部（或一次）供电系统”。 从主降压变电站（当它不属于电力部门时）及其以后部分统称为“牵引供电系统”。它应该包括：主降压变电站、直流牵引变电所、馈电线、接触网、走行轨及回流线等。直流牵引变电所将三相高压交流电变成适合电动车辆应用的低压直流电。馈电线是将牵引变电所的直流电送到接触网上。接触网是沿列车走行轨架设的特殊供电线路，电动车辆通过其受流器与接触网的直接接触而获得电力。走行轨道构成牵引供电回路的一部分。回流线将轨道回流引向牵引变电所。 三、向牵引变电所供电的接线图 1环行供电接线（图1-2）以下各图符号意义相同。 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（图13） 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（图l4） 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。单边供电设备较少，投资也少些。 4辐射形供电接线（图l5） 每个牵引变电所用两路独立输电线与主降压变电站联接。这种接线方式适合于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。四、 直流牵引变电所的整流装置 直流牵引变电所的主要功能为，将其交流进线电压通过整流变压器降压，然后经整流器将交流电变成直流电供电动车辆的直流牵引电动机用。为了提高直流电的供电质量，降低直流电源的脉动（波动）量，通常采用多相整流的方法，它可以是六相、十二相整流，还可以增加到二十四相整流。为此，整流变压器不仅起降压作用，还要将三相交流电变成多相交流电供整流器整流，整流变压器与整流器合称为整流装置。 下面就直流牵引变电所应用的多相整流基本工作原理加以叙述。1、最简单的三相半波整流电路（图l7）图中（a）表示整流变压器的二次侧三相绕组a、b、c成星形联结，a、b、c三相分别接大功率半导体整流管 D1、D2、D3，R为负载电阻，三相交流电压（Ua、Ub、Uc）波形如图(b)所示。在任何时刻，相电压最高的一相的整流管导通，此时整流电压（加在负载R上的电压）即为该相的瞬时电压，如图中t1t2时，为a相D1管导通，此时整流电压为Ua，同理依次为D2、D3导通，整流电压依次为Ub、Uc波形。 这种线路的特点为： 1)变压器副边每相绕组只导通1/3周期，即相差120利用率较差。 2)整流管承受的反向电压高。当一个整流管导通时，另外两个管必承受反向电压，其值为副边绕组线电压。如D1导通时，D2、D3分别承受反电压Uab、Uac。 3)变压器绕组总是通过单方向电流，引起直流磁化，造成铁心饱和，必要求加大铁心尺寸，且阻抗增大，损耗增大。 以上电路属共阴极接线，即三相整流管的阴极连接在一起。要改善以上整流电路，首先可以设想有两组负荷相近的整流电路（都是三相半被整流电路），但是一组为共阴极接线，另一组则为共阳极接线，即a、b、c三相绕组连接的三个整流管的阳极连接在一起。如图1-8（a）所示。此时整流电路的工作情况就有所改善。 图（a）为两组半波共阴、阳极串联电路，如其负荷电流Id1、Id2相等，则零线电流I0为零，零线可以取消，同时两组整流器共用一组三相副边绕组，对每相绕组其通过的电流方向依次相反，各占13周期，这样就提高了各绕组的通电时间（加倍），提高了利用率，而且先后的电流方向是相反的，又消除了直流磁化的问题。 2、三相桥式整流电路 以上接线中两组半波整流的负荷电流数值相等，即Id1=Id2，则Id1-Id2=0，零线可以取消，将两组负载用抗叠加为一个，则成为图1-8（b）所示的三相桥式整流电路。桥式整流电路对同样变压器绕组电压来说，其整流电压升高一倍。反之，如整流电压保持一定，则变压器绕组电压可以降低，因而整流元件承受的反电压可以低些。三相桥式整流变压器无直流磁化问题。整流电压Ud的彼形为六相脉动波形，其整流电压的次序依次为线电压Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb、Uab、。如图1-9所示。 3、大功率供电整流电路 对于化工、冶金和电力牵引用的大功率整流设备，由于其直流电压不太高，而电流很大，为了避免整流支路的整流元件（管）并联数目不致太多，而造成元件之间电流分布不均的问题，可以用两组整流器并联工作的方法。同时可以使两组整流器相互之间有相位移（相差），以求得多相整流，减少整流电压脉动的目的。下面介绍两种这样的电路； 1)带平衡电抗器的双反星形整流电路（图1-10） 所谓双反星形是整流变压器的次边每相有两个匝数相同的绕组，分别接成两组三相半波整流电路，即a、b、c和a、b、c两组。a与a、b与b、c与c分别绕在同一个铁芯上，其极性相反，或者说电压的相位差180。如图1-10中表示同名端的“”符号所示，故称双反星形电路。两组整流电路的整流电压、电流波形如图1-11所示。实际上两组整流电路并联连接，要达到真正并联工作，必须两个电源的情况完全相同（平均值和瞬时值均相等）才行。在双反星形电路中，虽然两组整流电压的平均值Ud1和Ud2相等，但是它们的脉动波相差60，它们的瞬时值ud1和ud2是不同的。为了解决这个问题，在两组整流电路的中心点O1与O2。之间接入了一个平衡电抗器Lp，Lp分成两半，两组整流电路各占一半。平衡电抗器的作用既起到限制由于瞬时电压ud1与ud2的不同而造成的在两组整流电路内部流通的不平衡电流ip称环流的数值，从而均化两组整流电路的负荷电流，同时还在中点O1O和O2O中产生感应电势以补偿两个整流电路瞬时电压ud1和ud2的差异，使两组整流电路加在负载上的电压相等，即两组整流电路真正并联工作。此时的整流电压波形如图1-12所示。 为了说明平衡电抗器的作用过程，可见图1-13。从图1-12中，在t1时Ub电压最高二极管D6。导通，此电流流经Ip时，平衡电抗器的一半绕组(OO2)端要感应一电势Up，它的方向是要阻止电流增长（即O端为正，O2端为负）。因为平衡电抗器的另一半（OO1端）是与（OO2端）绕在同一铁心上的，且匝数相等，绕向相同，所以在绕组（OO1端）上也要感应出电势Up来，它的方向为O1端正，O端为负。很显然，OO2。绕组上的电势与Ub方向是相反的，而 OO1端绕组上的电势与Ua的方向是一致的，因此只要平衡电抗器上感应的电势Up与Ub、Ua的差值相等，则Ub-Up=Ua+Up 此时整流管D1与D2必同时导通，达到了该期间两组整流电路的相应整流管并联工作的目的。同样理由，在其他任何时间，必然会有另外两个属于不同整流电路的整流管同时导通，这就达到两组整流电路并联工作运行的目的。 2)两组三相桥并联组成的十二相整流电路 目前城市轨道交通直流牵引变电所用的大功单半导体整流装置，为了提高直流供电质量，降低电压脉动量，减少注入电网的谐波含量和提高整流变压器的利用率，普遍采用多相整流电路。五、电力牵引轨道沿线的迷流腐蚀与保护问题 绝大多数电力牵引轨道交通线路是以走行轨为其电回路的，由于钢轨与大地之间不是绝缘的，因此由钢轨回流牵引变电所的电流必有部分经大地流回牵引变电所。这部分电流因大地土壤的导电性质、地下金属管道位置的不同，可以分布很广，故称之为“迷流”或“杂散电流”。 对于直流单边供电区段，一个牵引负荷的情况下，其电流的分布情况，大致示意如图 l-15所示。由图可见，在牵引变电所回流线与钢轨相接的回流点A处，地电流流回牵引变电所。 当轨道沿线地下有金属管道或建筑物钢筋等导电物时，地中迷流必多沿金属导体流动，到了回流点附近再流向钢轨回变电所，因此在回流点附近的金属管道形成了阳极区对大地为正），如图1-16所示： 由图可见对“正”接触导线情况，阳极区总是在回流点处不动，这就使阳极区内的金属物正离子流向大地，发生电解腐蚀现象，损坏了金属。这是直流牵引网存在的一个特殊问题，人们总是在不断地努力寻求改善的各种方法。 当接触网为“负”极性时，与图l-16中电流方向反向，阳极与阴极区将转变，则阳极区将随着列车的移动而移动，这样阳极区是不固定的，则金属物的腐蚀现象较均匀，情况就不会太严重。当然接触网的极性选择不仅决定于此，目前还是以“正”极性为多。 为了改善地中电流造成的迷流腐蚀问题，可以采取增加轨道与大地间的绝缘、降低走行轨道的电阻、缩短变电所之间的距离、金属管道远离轨道线路和其他专门的“电保护”等措施使轨道电流少泄漏人大地，即使有地电流也少流向地下金属物，已经流人地下金属物的电流，也使其在回流点处往专设“电旁泄”直接流回变电所，不形成腐蚀阳极区。所谓“电旁泄”是一种专设的电流通道，它保证杂散电流从被保护建筑物回流人钢轨网、牵引变电所回流线或者直接流入与钢轨网相联的牵引变电所母线，使地下建筑物处于阴极状态。 “电保护”的方法很多，除了电旁泄方法之外，还可以有“阴极”保护方法，即人为地把特设的直流电源的阴极接在被保护的地下金属物上，而阳极接在专设的接地器上，这样被保护的地下金属物对地为负电位，没有电流流向大地，而进人的（牵引）地下电流经特设电源由专设接地器（对地为阳极区）流人大地后回变电所，如图虚线部分。当然还可以用与钢轨并联的专用线做为回流线，其投资更高。加拿大的直线电机轨道交通，在走行轨侧设二根接触轨作为正负供电线，这对迷流腐蚀来说也是一个很好的措施，只是结构复杂一些，投资增加。第二章 变电所的主要电气设备一、概 述 变电所内的电气设备按所属电路性质分为两大类：一次高压电路中所有的电气设备，即为一次设备；二次控制、信号和测量电路中的所有电气设备即为二次设备。 一次设备按其在一次电路中的功用又可分为变换设备、控制设备、保护设备、补偿设备和成套设备等类型。 1变换设备 用以变换电能电压或电流的设备。如电力变压器、整流器、电压互感器、电流互感器等。 2控制设备 用以控制电路通断的设备。如各种高、低压开关设备。 3保护设备 用以防护电路过电流或过电压的设备。如高、低压熔断器和避雷器等。 4补偿设备 用以补偿电路的无功功率以提高系统功率因数的设备。如高、低压电容器、静止无功补偿装置等。 5成套设备 按一定的线路方案将有关一次、二次设备组合而成的设备。如高压开关柜，低压配电屏，高、低压电容器柜和成套变电站等。二、 变 压 器 1、变压器的作用 变压器是变电所最主要的设备之一。其作用是将交流电源的电压进行升高或降低。2、变压器的工作原理 变压器的工作原理如图2-1所示，它是一种按电磁感应原理工作的电气设备。一个单相变压器的原、副边两个线圈绕在一个铁心上，副边开路，原边施加交流电压U1。则原边线圈中流过电流I1，在铁心中产生磁通。磁通穿过副边线圈在铁心中闭合，在副边感应一个电动势E2。当变压器副边接上负载后，在电势的作用下将有副边电流I2通过，这样负载两端会有一个电压降U2，电压降 U2约等于 E2，U2约等于 E1，所以 U1/U2=E1/E2=W1/W2=K式中U1、U2为原、副边线圈的端电压，W1、W2为原、副边线圈的匝数，K称为变压器的变比。由上式可以看出，由于变压器原、副边线圈匝数不同，因而起到了变换电压的作用。变压器的电压变比是绕组的匝数比，电流变比是绕组匝数比的倒数。根据上述原理可以制造出单相、三相等各种变压器。 3、变压器的结构 电力变压器根据容量、电压等级、线圈数的不同，外形和附件不完全相同，但主要部件基本上是相同的。变压器的外形和结构可参看图2-2。变压器的主要部件及其功能如下： 1)铁心 铁心是用导磁性能良好的硅钢片叠装组成，它形成一个磁通闭合回路，变压器的一、二次绕组都绕在铁心上。 2)线圈 线圈又称为绕组，是变压器的导电回路。线圈用铜线或铝线绕成多层圆筒形。线圈绕在铁心柱上，导线外边包有绝缘材料，形成导线之间及导线对地的绝缘。 3)油箱 油箱是变压器的外壳，内部充满变压器油，铁心和绕组都安装在油箱内，铁心和绕组浸在油中。变压器油是绝缘的，它一方面起绝缘作用，同时也起散热作用。变压器的一些部件安装在油箱上。 4)油枕 油枕也称油柜。变压器油固温度变化会发生热胀冷缩现象，油面也将随温度的变化而上升或下降、油枕的作用是储油与补油，使变压器油箱内保证充满油，同时油枕缩小了变压器与空气的接触面，减少了油的老化速度。油枕侧面装有油位计，可以监视油的变化。 5)呼吸器 油枕内空气随变压器油的体积膨胀或缩小，排出或吸入的空气都要经过呼吸器。呼吸器内装有干燥剂，吸收空气中的水分，并对空气起过滤作用，保持变压器油的清洁。 6)防爆装置 防爆装置有防爆管和压力释放装置两种。防爆装置是安装在变压器顶盖上的。当变压器内部发生故障，变压器油剧烈分解产生大量气体，使油箱内压力剧增时，防爆装置将油及气体排出，防止变压器油箱爆炸或变形。 7)散热器 散热器安装在油箱壁上，上下有管道与油箱相通，变压器上部油温与下部油温有温差时，通过散热器形成油的对流，经散热器冷却后流回油箱，起到降低变压器油温度的作用。为了提高冷却效果，可以采用自冷、强迫风冷和强迫水冷等措施。 8)绝缘套管 变压器绕组的引出线采用绝缘套管，以便与箱体绝缘。绝缘套管有纯瓷、充油和电容等不同形式。 9)瓦斯继电器 瓦斯继电器又称为气体继电器，是变压器内部故障的主保护装置，它装在油箱和油枕的连接管上。当变压器内部发生严重的障时，瓦斯继电器接通断路器跳闸回路；当变压器内部发生不严重故障时，瓦斯继电器接通故障信号回路。 10)温度计 温度计用来测量油箱里上层油温，监视变压器运行是否正常 11)调压装置 调压装置是为了保证变压器二次测电压而设置的。当电源电压变动时，利用调压装置调节变压器的二次电压。调压装置分为有载调压和无载调压两种。有载调压可以在变压器带负载的状态下进行电压调节，而无载调压装置的调压则必须在不带负才能进行操作。 4、变压器的主要技术参数 1)额定电压UN 包括变压器一次侧和二次侧的额定电压UN1和UN2。变压器的二次侧额定电压UN2是指变压器空载状态下当一次线圈加其额定电压UNI时，获得的二次测线圈端压。 2)额定电流IN指线圈额定电流。 3)额定容量SN 额定容量指变压器在额定电压和额定电流条件下，连续运行时输送的容量。单相变压器的额定容量为SN=UNIN；三相变压器的额定容量为 SN= UNIN，这里 UN和IN为相应变压器的额定线电流和线电压。 4)变比K 变比是指变压器一次绕组额定电压和二次绕组额定电压之比，也是变压器一次绕组线圈匝数和二次绕组线圈匝数之比。 5)铜损面S0 铜损是指变压器一次、二次额定电流流过绕组时产生的能量损耗。 6)铁损SK 铁损是指变压器在额定电压下，在铁心中产生的能量损耗。 7)阻抗电压降U0 阻抗电压降是指变压器在二次绕组短接的情况下，一次绕组中流过额定电流时所引起的电压降。一般以百分数（）表示。 8)空载电流人IK 空载电流是指变压器在额定电压下空载运行时，一次绕组中流过的电流。一般以百分数表示。 9)连接组别 连接组别是指三相变压器一次绕组与二次绕组连接的方式，如星形（Y）连接、三角形（）连接。 5、变压器的分类 变压器的分类方法很多，主要有： 1)按变压器的应用方式分 有升压变压器和降压变压器。 2)按变压器的相数分 有单相变压器、三相变压器和多相变压器。 3)按线圈形式分 有单线圈变压器（自耦变压器）、双线圈变压器和三线圈变压器。用途最广的是双线圈变压器。 5)按变压器铁心和线圈的相对位置分 有心式变压器和壳式变压器两种。心式变压器的线圈包在铁心的外围，壳式变压器的铁心包在线圈的外围。 6)按变压器绝缘和冷却的方式分有油浸式、干式和充气式三种。油浸式变压器的铁心和线圈都浸在盛满变压器油的油箱中，用油绝缘；冷却方式有自冷、强迫风冷、水冷或强迫油循环冷却等形式；干式变压器的铁心和线圈利用空气绝缘和冷却；充气式变压器的器身放在一密封的铁箱内，箱内充以特种气体，箱内的气体通过热交换器冷却。必须指出，城市轨道交通电力牵引变电所如采用地下式的（例如地下铁道用），为了防止油箱爆炸引起的严重后果，多应甩干式变压器。 7)按调压装置的种类分 分有载调压变压器和无载调压变压器。三、高压开关设备 1、高压断路器 （1）断路器的作用 断路器又叫高压开关，它是变电所的重要设备之一。断路器不仅可以切断与闭合高压电路的空载电流和负载电流，而且，当系统发生故障时，它与保护装置、自动装置相配合，可以迅速地切断故障电流，以减少停电范围。防止事故扩大，保证系统的安全运行。 （2）断路器的结构和种类 断路器的主要结构大体分为导流部分、灭弧部分、绝缘部分和操作机构部分。 断路器在闭合时起接通口路的作用。当断路器断开时，触头虽已分开，但触头间仍会产生电弧，因而断路器应具有灭弧能力。断路器的灭弧方法有多种，从灭弧方法上可以将断路器分为以下几类： 1)油断路器 油断路器有少油断路器和多油断路器两种。 油断路器的灭弧室和触头都安装在瓷套中，瓷套中的油作天弧介质。油断路器在早期使用较多，随着技术的发展，已逐步被性能更优越的断路器所取代。2). 六氯化硫断路器 六氧化硫是一种无色、无臭、无毒、不燃的惰性气体，它月有良好的灭弧和绝缘性能，用六氯化硫气体作为灭弧和绝缘介质的新型气吹断路器，已得到了广泛的应用。六氟化硫断路器在吹弧的过程中，气体不排入大气，而在封闭系统中反复使用。图2-3所示为一敞开式六氯化硫断路器结构图。 3)真空断路器真空断路器是利用真空作为绝缘和灭弧手段的断路器。其核心部件是真空灭弧室，真空灭弧室的结构如图2-4所示。真空断路器电寿命长，能频繁操作，新型的真空断路器可以开断额定电流上万次，开断短路电流数十次，而且无爆炸、火灾的危险，目前正得到广泛的应用。 断路器的工作是由操作机构进行控制的，断路器的操作机构有电磁操作机构、弹簧操作机构、液压操作机构和气动操作机构等。电磁操作机构是利用电磁铁作为操作动力，其特点是结构简单，动作可靠，但需大容量的直流电源。弹簧操作机构是利用电动机使合闸弹簧压缩贮能作为操作动力，其特点是结构简单，不需要大容量直流电源。液压操作机构是利用氮气压缩贮能，以油作为传递压力的媒介，由工作缸活塞的运动带动断路器工作。这种机构效率高，一次贮能可以多次动作，而且动作平稳，但各部件加工精度要求较高，工作中要保持良好的密封性能。气动操作机构是利用压缩机将空气压缩存在气缸内，由压缩空气推动操作机构中的气缸活塞，使断路器动作，其优点是操作平稳可靠，不需大容量直流电源，但需有压缩空气系统。图2-5所示为CD10型电磁操作机构示意图。 2、隔离开关 隔离开关是没有灭弧装置和开关的开关电器，在分闸状态下有显的断口，在合闸状态下能可靠的通过额定流和短路电流。因隔离开关没有灭弧装置，不能切断负荷电和短路电流，因隔离开关通常和断路器配合使用，且在操作中必须注意与断路器操作的先后顺序。当合闸时，先合隔离开关，后合断路器；分闸时，先分断路器，后分隔离开馆。这种操作通常称为倒闸操作。为了保证安全，一般采用连锁装置，以防止误操作。 隔离开关的主要用途有： 1)为设备或线路的检修与分段进行电气隔离； 2)在断口两端电位接近相等的情况下，倒换母线，改变接线方式； 3)分合一定长度的母线和电缆；4)分合一定容量的空载变压器、一定长度的空载线路和电压互感器。 3、熔断器 熔断器是一种在通过的电流超过规定值时使其熔体熔化而切断电路的保护电器。熔断器的功能主要是对电路及其中设备进行短路保护，但也有的具有过负荷保护的功能。 熔断器由金属熔体、支持熔体的触头装置和外壳等组成，当电路中电流过大时，熔体将被烧断，这样，当电路中过载或短路时，熔断器能迅速切断电路，使电路中的各种电气设备得到保护。熔断器的优点是结构简单，价格低，体积小，维护与更换方便，应用广泛。其缺点是不能用以正常切断或接通电路，而必须与其他电器配合使用；另外，当熔体熔化后必须更换，需短时停电。 熔断器主要有管式熔断器和跌落式换断器两种。管式熔断器和跌落式解断器的典型结构分别如图2-7和图2-8所示。 4、负荷开关” 负荷开关是在高压隔离开关的基础上加人简单的灭弧装置而成的，能切、合负荷电流，；但不能切断短路电流。因此。负荷开关必须与高压熔断器配合使用，短路电流由蒋断器切断，面它专门在高压装置中通断负荷电流，也能在过负荷的情况下自动跳闸（在装有热脱扣器时）。 负荷开关常在一些需要经常进行分、合问的地方使用。负荷开关的结构与断路器相似，只是开断性能要求比断路器低、因此；构造比断路器简单，操作机构的操动力较小，价格也较断路器低。 高压负荷开关分户外和户内两大类。负荷开关和隔离开关一样，断开时有明显可见的断开间隙，它也能起隔离电流用作用，保证检修时的人身安全。负荷开关灭弧介质有真空式和六氟化硫式。真空负荷开关尺寸小，重量轻，电寿命长，维护工作量小。图29所示为FN310RT型高压负荷开关结构图，其灭弧装置（压气式）工作示意图如图210所示。5、直流开关 直流开关又称为直流快速开关或直流快速自动开关，它是一种操作和保护电器，能对直流额定电压 6001500 V电路中盲流电机、整流机组和直流演线等进行分问、合间操作，并在短路、过载、逆流（反向）时起保护跳闸作用。 直流电弧的媳灭过程和交流电弧不同，适用于干线、矿山及城市直流牵引供电系统。其电弧电流在时间上不过零点，属于非周期变化的，因而在直流电弧的熄灭上较交流电弧困难。一般来说，熄灭直流电弧的直流开关在速度上有较高的要求，目的是为了加速断开短路或过负荷的直流电流所产生的电弧。直流开关采用固有动作时间很小（几个。）的快速开关迅速断开直流电弧。电孤的熄灭过程如图211示。图中曲线1为短路电流；曲线2为快速开关断开电流BT为快速开关全分断时间；T为低速开关全分断时间。 从图中可以看出；采用直流快速开关对于保护直流系统的电器设备具有非常重要的意义。目前的直流快速开关的固有动作时间在几个ms。全分听时间可以在十几个ms以内。 和交流开断设备相似，直流开关一般由导电部分、灭弧部分、操作及传动部分等组成。直流快速自动开关的类型较多，图212所示为DS14系列直流快速开关结构和外形图。 四、 互 感 器 互感器是电压、电流变换设备。供电系统中的高电压、大电流参数无法直接测量，供电设备的运行状态也无法直接从主回路上取得参数，因此，需要将高电压、大电流变成低电压和小电流，以供继电保护和电气测量使用。 电压互感器又称为仪用变压器，电流互感器又称为仪用交流器，二者被统称为互感器。从结构和工作原理来说，互感器是一种特殊变压机 互感器的功能主要有两个： 1)安全绝缘 采用互感器作一次电路与二次电路之间的中间元件，既可以避免一次电路的高电压直接引人仪表、继电保护设备等二次设备，又可避免二次电路的故障影响一次电路，提高了两方面工作的安全性和可靠性，特别是保障了人身安全。 2)、 扩大范围 采用互感器以后，相当于扩大了仪表、继电器的使用范围。由于使用了互感器，可使二次的仪表、继电器等的电流、电压规格统一，有利于大规模标准化生产。 1、电压互感器 电压互感器的基本结构原理如图213所示。它的结构特点是：一次绕组匝数很多，而二次绕组匝数较少，相当于降压变压器。它接人电路的方式是：一次绕组并联在一次电路中；二次绕组则并联仪表、继电器的电压线圈。由于二次仪表、继电器的电压线图阻抗很大，所以电压互感器工作时二次回路接近于空载状态。二次绕组的电压一般为100V。 电压互感器的一次电压U1与其二次电压U2之间有下列关系： U1=U2W1/W2=KuU2 式中，W1、W2分别为电压互感器一次和二次绕组的匝数；Ku为电压互感器的变压比。 电压互感器的主要技术参数有： 1)变比Ku 变比Ku一般定义为一次恻额定电压与二次测额定电压之比。 2)准确级 电压互感器的误差用准确级表示。根据不同的需要可以选用不同的准确级。 3)额定容量 电压互感器的误差与其二次负荷有关，因此，不同的电压互感器给出其在保证准确级下的最大负荷。若二次负荷超出所给定的负荷时，其误差将加大。同时，还给出最大负荷功率，这是由热稳定确定的，当超过最大负荷功率时，互感器将烧坏。 电压互感器在运行时二次倒不允许短路。这是因为，电压互感器二次例有一定的电压，应接于能承受该电压的回路里。电压互感器本身阻抗很小，如二次侧短路，二次侧通过的电流增大造成保险熔断，影响表计指示及引起保护误动作，如果保险容量选择不当极易损坏电压互感器。 2、电流互感器 电流互感器是将大电流变换成小电流的电气设备，其一次绕组匝数少（有的利用一根导线穿过其铁芯，只有一匝），串联接在一次回路中；二次绕组匝数很多，与仪表、继电器等的电流线自串联，形成一个闭合回路。电流互感器的基本结构原理如图214所示。 由于电流互感器二次例所接的仪表、继电器等的电流线图阻抗很小，所以，电流互感器工作时二次回路接近于短路状态。二次绕组的额定电流一般为5A。 电流互感器的一次电流I1与二次电流I2之间有下列关系：I1=I2W2/W1=KiI2 式中，WI、WZ分别为电流互感器一次和二次绕组的匝数:Ki为电流互感器的交流比。 电流互感器的主要技术参数有： 1)变比Ki 变比Ki一般定义为一次测额定电流与二次测额定电流之比； 2)准确级 与电压互感器类似，电流互感器的误差也用准确级表示。 3)额定容量 电流互感器的误差与其二次负荷有关，不同的电流互感器给出在保证准确级下的最大负荷。若二次负荷超出所给定的负荷时，其误差将加大。 电流互感器在运行时二次恻不允许开认这是因为，电流互感器二次侧开路时，二次电流等于零，一次侧电流完全变成了减磁电流，在二次线圈上产生很高的电势，其峰值可达几kV，威胁人身安全，或造成仪表、保护装置、电流互感器二次绝缘损坏。另一方面，原边绕组磁化力使铁心孩通密度过度增大，可能造成铁心强烈过热而损坏。五 避雷装置 避雷装置又称防雷装置，其作用是防止电气设备的雷电过电压。雷电过电压，是由于电力设备或建筑物遭受直接雷击或雷电感应而发生的过电压。雷电过电压又称为大气过电压或外部过电压。雷电过电压产生的雷电冲击波，其电压幅值可达 100 MV，电流幅值可达几百kA，因此，对电气设备的正常运行危害极大，必须采取措施加以防护。 一个完整的扬雷设备一般由接冈器、避雷器、引下线和接地装置等三个部分组成。 1、接闪器 接闪器就是专门用来接受雷闪的金属物体。接闪器的金属杆称为避雷针；接用器的金属线称为避雷线或架空地线；接问器的金属带、金属网，称为避雷带、避雷网。所有接闪器都必须经过引下线与接地装置相联。 2、避雷器 避雷器是干种过电压保护设备，用来防止雷电所产生的大气过电压沿架突线路侵入变电站或其他建筑物内，以免危及被保护设备的绝缘。避雷器也可以用来限制内部过电压。避雷器与被保护设备并联且位于电源流其放电电压低于被保护设备的绝缘耐压值。六、 六氟化硫全封闭组合电器（GIS） 六氯化硫全封闭组合电器是将变电站（所）一次接线中的高压电器元件：断路器、母线、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、出线套管、电缆终端等的组合，全部元件封闭于接地的金属桶体内，充以一定压力的六氯化硫气体，形成以六氟化硫为绝缘介质的金属封闭式开关设备，并通过电缆终端、进出线套管或封闭母线与外界相连。 在地铁变电所中，由于空间相对较小。对设备之间的安全距离、设备检修等方面有较高的要求，十分适合采用封装式的组合电器。 全封闭组合电器（GIS）具有很大的优省性，但前提条件是封装的电气设备要具有很高的可靠性。由于六氯化硫气体具有很高的绝缘强度周刚有全封闭组没电器可缩小各元件之间的绝缘距离，从而使整套配电装置的占地面积和空间体积缩小，且现场的施工工作量大大减少电气设备进行封装以后、避免了各种恶劣环境的影响，减少了设备故障的可能性，提高了人身安全和设备检修周期。图215所示为ZF220型GIS结构进出线回路布置示意图。七、 配电装置的类型及对它的要求 1、配电装置 各种电气设备和导体按照不同的布置方式和结构形式连接起来，实现接受和分配电能的任务；以满足技术、经济上的要求，即构成了按照不同需要而形成的配电装置。 2、我国电装置的分类 配电装置按其设置场所的不同。基本上可分为两类。 1)屋内配电装置安装在建筑物内的电气设备。 2)屋外配电装置。 露天布置的电气设备。有些配电装置受场地或运行条件的限制，部分设备安装在建筑物内，部分设在室外，形成混合式布置。 我国电力系统中：电压在20kV以下采用屋内配电装置，电压在 35 kV以上采用屋外配电装置。城市轨道交通系统，受城市用地及环境条件限制，而将大部分电气设备设在屋内，地铁供电系统中，牵引、降压变电所大都设在屋内，有时将主变电所也设在屋内（或地下）。 3、配电装置的布置。 配电装置各配电间隔的配置应与电气主接线的各条电路相对应，并使电源进线、使出线及其他电路合理分配于各间隔中。进线电路配置时，应注意做到：一个母线分段故障。不致影响另一分段的正常工作；尽量将电源进线布置在母线分段的中部，以减小母线中通过的工作电流；此外，还应考虑债出线路的方便，以及布置对称、便于操作，并考虑到易于扩建。 对于全地下设置的主变电所，如选用油浸式设备和充气绝缘开关设备，除需考虑散热、去潮、换气等正常措施外，对油浸式设备的防爆处理和充气开关设备SF6泄露后的排气处理，还应采取下列三项措施： 1)针对 110 kV SF6组合电器和 33 kV SF6组合电器可能发生 SF6气体泄露的事核，专门设计排气系统。SF6气体比重大于空气，需用足够强力的风机排气。 2)针对主变压器、降压变压器、消弧线圈、充油电缆等可能发生的燃爆事故，应专门设计防爆灭火系统，采用化学灭火设备和相应的火灾报警系统。并沿克油电缆敷设温感电缆，以检查电缆是否超温运行或故障引起超温。 3)针对主变压器和降压变压器等主要发热设备，采用独立的机械送风和机械排风系统。对无油设备的房间则采用自然进风和机械排风系统、另外，各走廊均设置事故排烟系统。 4、配用装置的选型 城轨交通由于所处地理位置，及其在城市交通系统中的重要作用，所以对牵引供电系统提出了更高的要求，其配电装置选型时应遵循下列原则 1)全线各变电所的同类设备型式应力求一致，以便于运营维护、管理 2)制造工艺成熟、技术先进、质量可靠、价格合理、无维修或少维修的国产设备作为优选对象。 3)应满足城市的地区环境条件要求。第三章 牵引变电所一、 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频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频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。 1、 交流牵引变电所 交流牵引变电所按其主变压器接线方式的不同又分为：单相牵引变电所、三相牵引变电所、三相-二相牵引变电所。分述如下； 1)三相牵引变电所 其结构原理如图3-1所示。 将一个三相 Y联接的变压器，Y侧接人 110 kV或 220 kV的电力系统，侧作为牵引侧，一个端接入轨道作为公共地，另外两端分别接入接触网的两个相邻供电区段。这样两个相邻区段上的电压将是大小相等，相位相差一定角度的两个线电压，其标准电压是 25 kV，如图所示，左供电臂上的电压比Uac将超前右供电管Ubc60，所以两个相邻的接触网区段用分相绝缘器连接。 2) 单相牵引变电所其原理如图32和图33所示。 图32所示单相变电所的主变压器是一台单相变压器，其一次侧接入电力系统的不同两相取线电压，二次侧一端接钢轨。另一端接入接触网。也可按图33，在牵引变电所中设置两台双绕组的单相变压器，其一次侧和二次侧连成开口三角形。此开口三角形的两个开口端和一个公共端，在一次侧联人电力系统的三相电网，在二次侧将公共端口与钢轨连接，另两个端口则分别用换电线接人接触网的两个相邻区段。如此连接的两个接触网区段上的电压大小相等，相位不同，区段中间必须采用分相绝缘结构。 3)三相二相牵引变电所 其原理如图34所示。这种接线称为斯柯特（Scott）接线，由两台单相变压器构成。在一次侧，底绕组BC和高绕组AO连成倒T形，其H个出线端接人电力系统的三相电网。二次绕组则连成相位相差90的V形，公共端接钢轨，另两个端分别接人接触网的不同区段。此种接线方式的优点是当两个供电区段上的电流大小相等时，一次侧的三相电流对称，这样就克服了前两种接线缺陷，使三相电力系统负负荷平衡。Scott接线的这一特点是由它的接线所决定的，其二次侧两绕组匝数相同，设为W2，一次侧两绕组接成正三角型的底与高的关系，设底绕组BC的总匝数为W1，半个低绕组匝数为W1 /2,则底绕组变压比n=W1/W2。从图3-4（b）可知，当变压器空载时，二次侧绕组端电压分别为，及，其间相位差为/2。二次侧电压在有负荷时近似地保持=-j1 ,因此二次侧的负荷电流如果数值相等，则有=-j我们可得一组方程： 可见，如二次侧负荷电流数值相等时，一次侧三相电前是对称的。具有以上优点的变压器接线方式还有：列勃兰接线、变形伍德桥接线。 2、直流牵引变电所 直流牵引变电所从双电源受电，经整流机组变压器降压、分相后，按一定整流接线方式由大功率硅整流器把三相交流电变换为与直流牵引网相应电压等级的直流电，向电动车组供电，图35所示是直流牵引变电所的接线原理。 整流机组是直流牵引变电所的关键设备，为降低整流直流中的脉动分量和整流变压器一次侧的谐波含量，一般应采用12相脉动的整流接线方式。现代整流机组的单机功率可达3500 kV以上。 地铁、城市轻轨交通直流牵引变电所，有时常与向车站、区间供电的降压变电所合并，形成牵引、降压混合变电所。此时，主电路结构和电气设备与一般直流牵引所相比有所不同。 在有再生电能需向交流网返送的情况下，直流牵引变电所必须增设可控硅逆变机组（包括交流侧的自耦变压器），其功能和设备也相应增加，运行、技术都较复杂。直流牵引变电所间距离仅几km，一般不设分区所和开闭所。二、 电气主接线 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，能适应调度的要求，灵活、简便、迅速地改变运行方式，且故障影响范围最小。这就要求主接线力求简捷、明了、没有多余的电气设备，投入或切除某些设备和线路的操作方便，避免误操作，灵活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能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，要增强主接线的可靠性与灵活性，就需增加设备和投资。因此，在确定主接线的型式时，要进行经济技术比较，在安全可靠、运行灵活的前提下，尽量使投资和运行费用最省。 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