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李建國 第6章 城市軌道交通系統構成供電與牽引_圖文

第6章 城市軌道交通系統的構成——供 電與牽引

第6章 城市軌道交通系統的構成——供電與牽引
【學習目標】 【教學建議】 6.1 城市軌道交通供電系統 6.2 城市軌道交通牽引系統

【學習目標】
1.能掌握城市軌道交通供電系統的組成。 2.能說出直流牽引變電所的核心設備——整流裝置的工作原理。 3.能掌握電力牽引的制式、電力車輛牽引供電系統的組成。 4.了解城市軌道交通常用的電力電子器件。

【教學建議】
1.教學場地:在教室和牽引供電模擬實訓室中進行,課后可實地參 觀。 2.設備要求:至少具有接觸網或接觸軌及操作模擬演示軟件1套,仿 真受電弓、受電靴等教具1套。 3.課時要求:共6課時,其中課堂講授4課時,模擬操作2課時。

6.1 城市軌道交通供電系統
1.供電系統概述 2.供電系統的組成 (1)發電廠 發電廠將其他形式的能源轉換為電能。 1)火電廠。 2)水電廠。 3)核電廠。

6.1 城市軌道交通供電系統

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(2)電力網和電網電壓 電力網簡稱電網,由輸電線路、配電線路和 變電所組成。 (3)變電所 變電所除具有變換電壓的作用外,還具有集中電能、分 配電能、控制電能以及調整電壓的作用。 1)樞紐變電所。 2)地區變電所。 3)用戶變電所。 (4)一次供電網絡 一次供電網絡是指直接向牽引變電所供電的地區 變電所(或發電廠)及高壓輸電線路。

6.1 城市軌道交通供電系統
(5)牽引變電所 牽引變電所的作用是降壓,并將三相電源轉換成兩 個單相電源,然后通過饋電線分別供電給牽引變電所兩側的接觸網。 1)橋接線方式。

圖6-1 牽引變電所的引入線方式

2)雙T接線方式。 3)單母線分段方式。

6.1 城市軌道交通供電系統
(6)牽引網 牽引網是由饋電線、接觸網、鋼軌和回流線組成的雙導 線供電系統。
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1)單線區段的供電。 ① 單邊供電:即接觸網的每個分段由牽引變電所從一邊供應電能。 每個牽引變電所的兩個臂供兩個接觸網區段,相鄰兩個變電所之間

的兩段接觸網相互絕緣。但為了在必要時實行越區供電,在接觸網 分界點設有柱上隔離開關,且照慣例,此兩段接觸網供同相電()。

6.1 城市軌道交通供電系統

圖6-2 單線區段單邊供電方式

② 雙邊供電:當相鄰兩牽引變電所之間的兩段接觸網用分區亭中的 斷路器連接,并從兩變電所同時供電,這種供電方式稱單線雙邊供 電。分區亭的作用是縮小接觸網故障停電范圍和檢修時的停電范圍。

6.1 城市軌道交通供電系統
2)復線區段的供電。

圖6-3 復線區段的供電方式

① 單邊末端并聯供電:由于復線區段牽引變電所同一側的上、下行 接觸網均供同相電,故可在接觸網供電分段的末端用分區亭中的斷 路器連接起來,形成單邊末端并聯供電()。

6.1 城市軌道交通供電系統

圖6-4 復線單邊末端并聯供電

② 單邊全并聯供電:單邊全并聯供電是近年來采用的一項新技術。 單邊全并聯供電是在每個車站利用柱上負荷開關將上、下行接觸網 并聯,形成并聯網絡。并聯負荷開關可以自動投切,也可以經設于 車站的遠動終端RTU由電力調度控制(見圖6-5)。

6.1 城市軌道交通供電系統

圖6-5 復線單邊全并聯供電

(7)分區亭 為了增加供電的靈活性,提高運行的可靠性,在兩個相 鄰牽引變電所供電的接觸網區段通常加設分區亭。 1)可以使相鄰兩供電區段實行并聯供電或分開供電,也可使復線區

段的上、下行實行并聯或分開供電。 2)相鄰牽引變電所發生故障而不能繼續供電時,可以閉合分區亭內 的斷路器由非故障牽引變電所實行越區供電。

6.1 城市軌道交通供電系統
(8)開閉所 電氣化鐵道的樞鈕站場(如編組站、客站和機車整備線 等)均由接觸網供電。 3.供電制式 (1)直流制 直流制是世界上早期電氣化鐵道普遍采用的方式。 (2)低頻單相交流制 為了克服直流制的缺點,在20世紀初,西歐一 些國家采用了低頻單相交流制,并使該技術得到了較大的發展。 (3)三相交流制 在牽引電流制的發展過程中,個別國家(如瑞士、 法國等)還采用了3.6kV的三相交流制,電力機車牽引電動機采用三 相交流異步電動機。 (4)工頻單相交流制 工頻單相交流制是電氣化鐵道發展中的一項先 進的供電制式,該技術最早出現在匈牙利,電壓為16kV。 1)工頻單相交流制的主要優點如下:

6.1 城市軌道交通供電系統
① 牽引供電系統結構簡單。牽引變電所從電力系統獲得電能并經過 電壓變換后,直接供給牽引網,不需要在變電所設置整流和變頻設 備,變電所結構大為簡化。 ② 牽引供電電壓增高,既可保證大功率機車的供電,提高機車的牽 引定數和運行速度,又可使變電所之間的距離延長,導線截面積減 少,建設投資和運營費用顯著降低。 ③ 交流電力機車的粘著性能和牽引性能良好。通過機車上變壓器的 調壓,牽引電動機可以在全并聯狀態下工作,牽引電動機并聯運轉 可以防止輪對空轉的惡性發展,從而提高了運用粘著系數。 ④ 和直流制比較,交流制的地中電流對地下金屬的腐蝕作用小,一 般可不設專門的防護裝置。 2)工頻單相交流制存在的主要問題如下:

6.1 城市軌道交通供電系統
① 單相牽引負荷將會在電力系統中形成負序電流,當電力系統容量 較小時,負序電流的影響尤為突出。 ② 電力牽引負荷是感性負荷,功率因數低,特別是采用相控整流后, 牽引電流變為非正弦波,出現較大的諧波電流,將使功率因數更低。 ③ 牽引網中的單相工頻電流將對沿線通信線路造成較大的電磁干擾。 4.外部供電方式 (1)環形供電 環形供電即電力系統將牽引變電所聯成環形網。

6.1 城市軌道交通供電系統

圖6-6 外部供電方式——環形供電

(2)雙側供電 雙側供電即電源來自電力系統的兩個地區變電所,給 鐵路供電的輸電線是聯絡這兩個地區變電所的線路。

6.1 城市軌道交通供電系統

圖6-7 外部供電方式——雙側供電

(3)單側供電 單側供電即由一個地區變電所給數個牽引變電所供電。

6.1 城市軌道交通供電系統

圖6-8 外部供電方式——單側供電

(4)放射式供電 當各牽引變電所離開電源差不多等距并且比單側供 電更經濟時,可采用放射供電方式(見圖6-9)。

6.1 城市軌道交通供電系統

圖6-9 外部供電方式——放射式供電

6.2 城市軌道交通牽引系統

圖6-10 城市軌道交通電力牽引系統

1.牽引概念

6.2 城市軌道交通牽引系統
(1)牽引變電所 牽引變電所的作用是將城市電網的交流電壓(一般 為110kV、35kV或10kV)降壓并整流成為直流電壓。

圖6-11 牽引變電所主接線

6.2 城市軌道交通牽引系統
(2)牽引網 牽引網由饋電線、接觸網、軌道和回流線組成。 1)接觸軌式是沿走行軌道一側平行鋪設第三軌,電動車組從側面伸 出受電器——接觸靴與其滑動接觸而取得電能。 2)架空式接觸網是架設在走行軌道上部的接觸導線和承力索系統。 2.電力牽引供電的發展 (1)世界電力牽引供電的發展 電力牽引最早始于19世紀90年代。 (2)我國電力牽引的發展 我國鐵路牽引動力電氣化起步于20世紀50 年代末,當時即確定采用先進的25kV單相工頻交流電流制。 (3)城市軌道交通電力牽引的發展 城市地下鐵道是最早采用直流制 電力牽引的領域,該技術的應用范圍原先主要集中在若干發達國家 的少數城市。 3.電力牽引的技術特性

6.2 城市軌道交通牽引系統
(1)電力牽引的優點 1)電力牽引為非自給式牽引動力。 2)電力牽引的總功效(做功效率)最高,可顯著節省能源并降低運營 成本。 3)電力牽引列車和車輛噪聲小,不排出廢氣和有害氣體,有利于環 境保護。 4)電力牽引各主要組成環節均為獨立的電氣系統,且又連成整體, 它們與電子技術和計算機控制手段相結合,易于實現全面自動化和 信息化,為鐵路和城市交通的技術進步、勞動生產率的提高,提供 了廣闊的發展前景。 (2)電力牽引存在的缺陷 電力牽引增加供電系統裝置,使其一次投 資費用比其他牽引動力形式要高些。

6.2 城市軌道交通牽引系統
(3)電力機車 電力牽引在現實生活中最好的體現就是電力機車。 4.牽引變電所容量的計算和確定 (1)確定牽引變壓器的容量 1)確定計算容量。 2)確定校核容量。 3)確定安裝容量。 (2)牽引變壓器的安裝容量 牽引變壓器的安裝容量是在計算容量和 校核容量的基礎上,再考慮備用方式,最后按變壓器的產品規格所 確定的變壓器臺數與容量。 1)移動備用。 2)固定備用。 5.電力牽引的遠動監控裝置

6.2 城市軌道交通牽引系統
(1)地下迷流 在直流牽引供電中,牽引電流并非全部由鋼軌直接流 回牽引變電所,而是有一部分由鋼軌雜散泄漏流入大地,再由大地 流回鋼軌和牽引變電所,這種地下雜散電流被稱為地下迷流。 (2)諧波 由于牽引變電所大功率整流設備和其他變流裝置等的非線 性負荷特性,使牽引供電系統成了城市電網的一個重要諧波源。 (3)電動車組 由牽引供電系統供給電能,驅動車輛上的電動機,產 生牽引力牽引在軌道上行駛的列車組。 (4)車輛電氣 車輛電氣包括車輛上各種電氣設備及其連接導線。 6.牽引網 (1)牽引網的種類 按電力機車集電方式的不同,牽引網可分為架空 單線式、架空復線式和第三軌式三種方式(見圖6-12)。

6.2 城市軌道交通牽引系統

圖6-12 牽引網形式分類示意圖

(2)牽引網的構成 牽引網由四部分組成(見圖6-13),一般常將除回 流系統外的其余三部分統稱為接觸網。

6.2 城市軌道交通牽引系統

圖6-13 牽引網構成

6.2 城市軌道交通牽引系統

圖6-14 接觸線橫截面

6.2 城市軌道交通牽引系統

圖6-15 一般牽引網分區供電示意圖

7.牽引電機與發展趨向 (1)牽引電機 牽引電機包括牽引電動機、牽引發電機和輔助電機等。

6.2 城市軌道交通牽引系統
1)牽引電動機。 2)牽引發電機。 3)輔助電機。 (2)發展趨向。 1.操作練習 1)通過供電與牽引實訓室的接觸網模型,了解接觸網是如何給電力 機車提供電能的,并了解接觸軌的給電方式。 2)根據自己對牽引的了解,自己畫出在機車內部電能的轉化過程, 并且標出交直流的制式變化分界線。 2.書面練習 1)簡要回答城市軌道交通供電系統的概念與構成。 2)簡要回答城市軌道交通牽引系統的組成與工作原理。

6.2 城市軌道交通牽引系統
1.教師的評價
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2.學員的評價

6.2 城市軌道交通牽引系統
表格

3.知識跟進 1)供電系統的設備組成,以及電能的傳遞過程是什么? 2)牽引系統電能和動能的轉化過程,以及電氣制動的工作原理是什 么?


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