第2章 地铁的供（馈）电系统

2.1 地铁的交流供电系统及接地系统

2.1.1 地铁的交流供电系统

1.系统组成

地铁的交流供电系统是城市轨道交通系统中最为重要的基础能源设施，其功能是为轨道交通系统中的电力车辆供电，确保轨道交通列车车辆的正常运行，地铁的交流供电系统是为地铁运营提供所需电能的重要部门。地铁列车是电力牵引的电动列车，它的动力是电能，此外，地铁中为地铁运营服务的其他设施如：动力照明、环境控制系统、排水系统、防灾系统、通信、信号、自动扶梯等，均都依赖电能，并消耗电能。在运营的过程中，供电一旦发生故障或中断供电会造成地铁运输的瘫痪，还会危及乘客的生命安全和造成财产的重大损失。因此，安全、可靠、经济合理的供给电力是地铁正常运营的重要前提。

地铁的供电要求安全可靠，通常由城市电网供给。目前，国内各城市对地铁及城市轨道交通的供电一般有三种方式，即分散供电方式、集中供电方式和分散与集中相结合的混合供电方式。分散供电方式是指沿地铁线路的城市电网（通常是10kV电压等级）分别向各沿线的地铁牵引变电站和降压变电站供电。前提条件是城市电网在地铁沿线有足够的变电站和备用容量，满足地铁牵引供电的可靠性要求。例如早期的北京地铁一号线、天津地铁一号线就是采用这种供电方式，集中供电方式是指城市电网（通常是110kV电压等级）向地铁的主变电站供电，主变电站再向地铁的牵引变电站和降压变电站供电，地铁自身组成完整的供电网络系统。近几年新建的地铁系统多采用集中供电方式，如北京、天津、上海、广州、深圳地铁等。分散与集中相结合的供电方式是上述两种供电方式的结合，可充分利用城市电网的资源，节约投资，但供电可靠性不如集中供电方式，管理亦不够方便。

2.集中和分散两种供电方式的比较

集中供电方式的外电源引自城市高压电网（如110kV），电压等级高，系统短路容量大，抗干扰能力强，输电容量大，电网电压波动小；另外，主变电站一般设有载调压装置，因此35kV馈线侧电压相对稳定，供电质量很高。《国家电网公司电力系统电压质量和无功电力管理规定》：

1）35kV及以上用户供电电压正、负偏差绝对值之和不得超过额定电压的10%。

2）10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%。

3）220V单相供电电压允许偏差为额定电压的+7%～-10%。

对于大型城市，尤其一些工业城市，部分城市的电网末端电压基本接近7%的指标。如果采用分散供电的方式，首先应了解该城市10kV电网的电压波动情况，如果波动较大，应尽量避免采用该供电方式；如果采用，应采取相应的技术措施来弥补不足之处。例如：增大变压器容量以提高过载能力；或增加有载调压装置以减少系统电压波动对地铁供电系统的影响。

3.产生谐波的比较

由谐波理论可知，整流机组的脉波数越高，产生的低次谐波就越少。因此，无论采用集中供电方式还是分散供电方式，地铁直流牵引系统注入城市电网的谐波含量都非常低，对城市电网影响非常小。

但是两种方式相比较，采用集中供电方式时，高次谐波经过多级变电站变换、分流以后，注入城市电网的谐波含量将会更少。

4.网压波动的比较

1）在网压波动方面，由于地铁牵引系统是一个剧烈变化的移动负荷，电源电压将会受到很大的影响。采用集中供电方式时，地铁供电系统是一个相对独立的小型电网，牵引负荷产生的电压波动和闪变在地铁供电系统内部经过两级变压器的转换，使其逐渐变得平衡，对城市电网其他用户的影响相对要少得多。采用分散供电方式时，地铁牵引变电站直接接入城市10kV电网，牵引负荷产生的网压波动经过一级变压器转换后就会波及与地铁接入同一供电系统的其他用户，如果该变压器容量较小，那么产生的影响就会更明显。

2）地铁交流供电的无功补偿。地铁电力系统的特点：大部分城市的地铁采用110/35kV主变电站集中供电方式，系统中包含了大量的低压供电设备及长电缆线路，其自然功率因数较低，动力及照明负荷功率因数在0.7~0.8左右，主变的负荷变动较大（夜间停运低谷，日间运营高峰）。无功补偿就是采用外置的电流源补偿负载运行过程中所消耗的无功功率，提高系统的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。大多数的电力电子装置的功率因数很低，给电网带来额外的负担，并影响供电的质量。目前，较好的解决方法是对地铁牵引供电系统的主要负荷无功特性进行分析,建立等值电路模型,给出合理的补偿容量计算依据及补偿方案。例如后文介绍的SVG（Static Var Generator，无功补偿）等。以国内某地铁工程为例,对该装置的无功输出容量、动态无功跟随能力以及谐波补偿效果进行了仿真验证。现场实测波形和主要指标结果表明,经过计算的方案无功补偿效果显著,提高了系统的功率因数,且能很好地抑制电压波动,保证了地铁供电系统的高效、可靠运行。

地铁集中供电方式与分散供电方式相比较除了接口较少，另外还有一些明显的优点，如供电局与地铁产权划分明确，计费方便，维修简单等。

3）集中和分散两种不同供电方式的比较见表2-1，分散与集中相结合的供电方式优缺点介于两者之间。

对某一城市究竟应采用哪种供电方式，应根据地铁和城轨交通用电负荷并结合该城市电网的具体情况进行分析。若该城市的电力资源缺乏，变电站较少，采用分散供电方式需要新建多个地区变电站而使投资增大，因此采用集中供电方式比较合适，该供电方式具有管理方便、供电可靠性相对较高等优点。若城市的电力资源较丰富，沿地铁和城轨交通线路的地区变电站较多且容量也足够给地铁和城轨交通供电，则采用分散供电方式可节约建设资金。当城市电网的情况介于上述两种情况之间时，可考虑采用分散与集中相结合的供电方式。由于我国目前大多数地铁和城轨交通均采用集中供电方式，故本文将介绍以集中供电方式为主的地铁供电系统和设备。

2.1.2 地铁变电站的接地系统

1.变电站接地网安全和经济的设计

为实现变电站接地网安全和经济的设计，在电力系统运行和故障时起到保证一、二次系统和人身安全的目的，且技术经济指标合理。接地网是指110kV/35kV及以上电压等级、中性点有效接地、大接地短路电流系统变电站用，兼有泄流和均压作用的较大型的水平网状接地装置，通常由水平接地体和垂直接地极组成，为了降阻的需要，还包括深井接地极、电解离子接地极和接地模块等,其安全指标如下：

1）接地阻抗 反映接地网散流能力的宏观量化指标，是衡量接地网性能最基本的特性参数，习惯一直沿用接地电阻的称谓。实质上，接地网的感性分量是占一定比例的，不能忽略。

2）变电站接地故障短路电流 变电站内发生短路故障时，由系统提供的经接地网泄放的故障电流，包括单相短路故障和两相短路故障等情形，尤以单相短路故障的情形最为普遍。由于变电站不同电压等级场区发生短路时，系统提供的短路电流不同，又细分为故障时由每条线路和主变提供的故障电流。

3）地线分流和地线分流系数 变电站内发生接地短路故障时，由于运行变电站存在架空出线、电力电缆出线和电力电缆终端（包括电缆分接箱）接地装置，架空避雷线（包括普通地线、OPGW（光纤地线,Optical Fiber Composite Overthead Ground Wire）和电缆外护套将向外流出部分故障电流，即由于地线和电力电缆外护套分流的作用，导致实际经接地网泄放的故障短路电流有较大幅度的下降。地线分流系数为架空地线和电缆外护套对注入地网的故障电流的分流与故障电流之间的比值。

4）变压器中性点环流 变电站内发生接地短路故障时，从故障点经过接地网部分导体流回中性点接地运行变压器的电流。

5）接地网最大入地电流 变电站内发生接地短路故障时，考虑剔除地线对接地故障短路电流的分流影响因素后，实际通过接地网入地的故障短路电流部分。

6）接地网电位升高（GPR,Ground Potential rise）变电站内发生接地故障时，实际通过接地网入地的故障短路电流所引起的接地网电位升高，即接地网与大地零电位点之间的电位差，也称为地电位升高。

7）接地网电位差（GPD,Grounding Potential difference）习惯上将接地网作为等电位网来考虑，而由于水平接地网材质电阻率的差异，铜质接地网的电位分布较为均衡，接地网电位差较小；而钢材质接地网（我国普遍采用钢材质）由于电阻率和磁导率较大，接地网非等电位分布特性较为明显，内部呈现一定的电位差。当接地网通过入地故障电流时，接地网的电位分布实际上是不均匀的，接地网上不同两点之间存在的电位差，称为场区压差。当入地故障电流较大时，该电位差是造成控制电缆烧毁的主要原因之一。严格起见，为便于操作，常考核场区最大电位差，或最大压差。

8）跨步电压或跨步电位差 接地短路（故障）电流流过接地网时，地面上水平距离为1.0m的两点间的电位差，反映人体两脚接触地面两点间的电位差。跨步电压最高的区间一般在接地网边缘附近。

9）接触电压或接触电位差 接地短路（故障）电流流过接地网时，人体两脚站在地面离设备水平距离为1.0m处与人手接触设备外壳、构架或墙壁离地面垂直距离1.8m处的两点间的电位差。

10）接地故障电流持续时间 接地故障出现起直至其终止的全部时间。在计算选取上偏严，一般考虑一级后备保护（主保护失灵）动作的时限。

11）接地网导体热稳定性 系统发生接地短路故障时，在继电保护隔离短路故障前，持续的系统工频接地短路故障电流流经接地导体所带来的发热效应非常显著，接地网导体应能够承受系统最大运行方式和最恶劣系统短路初始条件下工频故障电流载流而不发生断裂或熔断。

12）接地网特性参数的取值 接地阻抗、地网电位升高和电位差、接触电位差和跨步电位差等作为接地网安全性能好坏宏观指标的接地网特性参数，其取值和评价主要围绕着设备安全和人身安全两个方面进行，对于前者，综合考虑地网接地阻抗和入地短路电流水平，控制地网允许电位升高水平和网内电位差在安全值以下；对于后者，则要确保接触电压和跨步电压满足安全限值要求。

地铁变电站的接地网金属导体只有可靠的、牢固的连接才能保证接地网的运行可靠，良好的接地系统应具备以下两个主要条件：

①提供一个尽可能低的低电阻对地路径（接地电阻），接地电阻越低、雷电流、浪涌和故障电流就可越安全地消散到大地，过电压值就越低。

②接地导体应具有良好的防腐能力并能重复通过大的故障电流，接地系统的寿命应不小于地面主要设备的寿命。一般至少要求30年以上寿命。长期、可靠、稳定的接地系统是维持设备稳定运行、保证设备和人员安全的根本保障。

接地系统长期安全可靠运行的关键在于正确选择合适的接地材料和可靠的连接。目前,我国传统接地体大多采用钢材质，大部分地区仍然使用镀锌扁钢作为接地材料，但是，几十年的实践证明镀锌钢并不能解决接地装置的腐蚀问题，像华北电网天津北郊500kV变电站投运8年后，开挖检查发现接地装置腐蚀严重，有的甚至已被腐蚀断，不得不投巨资更换成铜接地装置。还有北京房山变电站，大同二电厂等大型500kV变电站投运10~11年后，因腐蚀严重均重新更换了原镀锌钢接地装置。相反大量采用铜质材料作为接地材料，如天津塘沽110kV变电站、上海杨树浦电厂等，经检查，其接地装置至今有50年，检测仍然合格且可使用。近年来，北京、上海、江苏、浙江、山东、广东、辽宁、天津等地区已开始选用热稳定性能好、导电性能强、耐腐性强的铜材作接地，其连接采用先进的放热焊接技术。

铜的熔点为1083℃，短路时最高允许温度为450℃；而钢的熔点为1510℃，短路时最高允许温度为400℃。因此，接地体截面相同时，铜材热稳定性较好。同等热稳定性能时，钢接地体所需的截面积为铜材的3倍，是30%镀铜钢绞线的2.5倍，是40%镀铜钢绞线的2.8倍。

接地体的腐蚀主要有化学腐蚀和电化学腐蚀两种形式，在多数情况下，这两种腐蚀同时存在。铜在土壤中的腐蚀速度大约是钢材的1/10~1/50，是镀锌钢的耐腐蚀性的3倍以上，而且电气性能稳定。铜的表面会产生附着性极强的氧化物（铜绿），能够对内部的铜起很好的保护作用，阻断腐蚀的形成。当铜与其他金属（钢结构、水管、气管、电缆护套等）共存地下时，铜作为阴极不会受腐蚀，被腐蚀的是后者。钢材是逐层腐蚀，镀锌层具有一定的抗腐蚀性。钢接地体接头部位经过高温电弧焊接加工后会出现点腐蚀情况，一般最多只能保证10年。而铜腐蚀不存在点蚀情况，寿命较长。可见，铜接地体的耐腐性显著优于钢接地体。

目前我国地铁变电站接地系统均存在不同的腐蚀问题，特别是有些运行十年以上的变电站腐蚀相当严重。像天津地铁一号线局部运行时间30多年（标号7047工程，20世纪70年代建设），一些变电站接地系统腐蚀严重。因此，地铁的供电系统接地网的连接与防腐是工程中的重点，要达到要求的阻值（按规定是0.5Ω），土壤电阻率（很重要），地网设计使用年限（规范中是30年）。在变电站内，不同用途和不同电压的电气装置、设施，应使用一个总的接地装置，接地电阻应符合其中最小值的要求。设备接地引下线及地网主干线满足3kA接地短路电流的热稳定要求。变电站接地装置的型式和布置考虑保护接地的要求，应降低接触电位差和跨步电位差，直击雷的防护,防雷电反击和感应雷的处理方法，并应符合规范要求。