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第6章城市轨道交通系统的构成——供电与牵引第6章城市轨道交通系统的构成——供电与牵引【学习目标】【教学建议】6.1城市轨道交通供电系统6.2城市轨道交通牵引系统【学习目标】1.能掌握城市轨道交通供电系统的组成。2.能说出直流牵引变电所的核心设备——整流装置的工作原理。3.能掌握电力牵引的制式、电力车辆牵引供电系统的组成。4.了解城市轨道交通常用的电力电子器件。【教学建议】1.教学场地：在教室和牵引供电模拟实训室中进行，课后可实地参观。2.设备要求：至少具有接触网或接触轨及操作模拟演示软件1套，仿真受电弓、受电靴等教具1套。3.课时要求：共6课时，其中课堂讲授4课时，模拟操作2课时。6.1城市轨道交通供电系统1.供电系统概述2.供电系统的组成(1)发电厂发电厂将其他形式的能源转换为电能。1)火电厂。2)水电厂。3)核电厂。6.1城市轨道交通供电系统ZW.tif(2)电力网和电网电压电力网简称电网，由输电线路、配电线路和变电所组成。(3)变电所变电所除具有变换电压的作用外，还具有集中电能、分配电能、控制电能以及调整电压的作用。1)枢纽变电所。2)地区变电所。3)用户变电所。(4)一次供电网络一次供电网络是指直接向牵引变电所供电的地区变电所(或发电厂)及高压输电线路。6.1城市轨道交通供电系统(5)牵引变电所牵引变电所的作用是降压，并将三相电源转换成两个单相电源，然后通过馈电线分别供电给牵引变电所两侧的接触网。1)桥接线方式。图6-1牵引变电所的引入线方式2)双T接线方式。3)单母线分段方式。6.1城市轨道交通供电系统(6)牵引网牵引网是由馈电线、接触网、钢轨和回流线组成的双导线供电系统。ZW.tif1)单线区段的供电。①单边供电：即接触网的每个分段由牵引变电所从一边供应电能。每个牵引变电所的两个臂供两个接触网区段，相邻两个变电所之间的两段接触网相互绝缘。但为了在必要时实行越区供电，在接触网分界点设有柱上隔离开关，且照惯例，此两段接触网供同相电()。6.1城市轨道交通供电系统图6-2单线区段单边供电方式②双边供电：当相邻两牵引变电所之间的两段接触网用分区亭中的断路器连接，并从两变电所同时供电，这种供电方式称单线双边供电。分区亭的作用是缩小接触网故障停电范围和检修时的停电范围。6.1城市轨道交通供电系统2)复线区段的供电。图6-3复线区段的供电方式①单边末端并联供电：由于复线区段牵引变电所同一侧的上、下行接触网均供同相电，故可在接触网供电分段的末端用分区亭中的断路器连接起来，形成单边末端并联供电()。6.1城市轨道交通供电系统图6-4复线单边末端并联供电②单边全并联供电：单边全并联供电是近年来采用的一项新技术。单边全并联供电是在每个车站利用柱上负荷开关将上、下行接触网并联，形成并联网络。并联负荷开关可以自动投切，也可以经设于车站的远动终端RTU由电力调度控制(见图6-5)。6.1城市轨道交通供电系统图6-5复线单边全并联供电(7)分区亭为了增加供电的灵活性，提高运行的可靠性，在两个相邻牵引变电所供电的接触网区段通常加设分区亭。1)可以使相邻两供电区段实行并联供电或分开供电，也可使复线区段的上、下行实行并联或分开供电。2)相邻牵引变电所发生故障而不能继续供电时，可以闭合分区亭内的断路器由非故障牵引变电所实行越区供电。6.1城市轨道交通供电系统(8)开闭所电气化铁道的枢钮站场(如编组站、客站和机车整备线等)均由接触网供电。3.供电制式(1)直流制直流制是世界上早期电气化铁道普遍采用的方式。(2)低频单相交流制为了克服直流制的缺点，在20世纪初，西欧一些国家采用了低频单相交流制，并使该技术得到了较大的发展。(3)三相交流制在牵引电流制的发展过程中，个别国家(如瑞士、法国等)还采用了3.6kV的三相交流制，电力机车牵引电动机采用三相交流异步电动机。(4)工频单相交流制工频单相交流制是电气化铁道发展中的一项先进的供电制式，该技术最早出现在匈牙利，电压为16kV。1)工频单相交流制的主要优点如下：6.1城市轨道交通供电系统①牵引供电系统结构简单。牵引变电所从电力系统获得电能并经过电压变换后，直接供给牵引网，不需要在变电所设置整流和变频设备，变电所结构大为简化。②牵引供电电压增高，既可保证大功率机车的供电，提高机车的牵引定数和运行速度，又可使变电所之间的距离延长，导线截面积减少，建设投资和运营费用显著降低。③交流电力机车的粘着性能和牵引性能良好。通过机车上变压器的调压，牵引电动机可以在全并联状态下工作，牵引电动机并联运转可以防止轮对空转的恶性发展，从而提高了运用粘着系数。④和直流制比较，交流制的地中电流对地下金属的腐蚀作用小，一般可不设专门的防护装置。2)工频单相交流制存在的主要问题如下：6.1城市轨道交通供电系统①单相牵引负荷将会在电力系统中形成负序电流，当电力系统容量较小时，负序电流的影响尤为突出。②电力牵引负荷是感性负荷，功率因数低，特别是采用相控整流后，牵引电流变为非正弦波，出现较大的谐波电流，将使功率因数更低。③牵引网中的单相工频电流将对沿线通信线路造成较大的电磁干扰。4.外部供电方式(1)环形供电环形供电即电力系统将牵引变电所联成环形网。6.1城市轨道交通供电系统图6-6外部供电方式——环形供电(2)双侧供电双侧供电即电源来自电力系统的两个地区变电所，给铁路供电的输电线是联络这两个地区变电所的线路。6.1城市轨道交通供电系统图6-7外部供电方式——双侧供电(3)单侧供电单侧供电即由一个地区变电所给数个牵引变电所供电。6.1城市轨道交通供电系统图6-8外部供电方式——单侧供电(4)放射式供电当各牵引变电所离开电源差不多等距并且比单侧供电更经济时，可采用放射供电方式(见图6-9)。6.1城市轨道交通供电系统图6-9外部供电方式——放射式供电6.2城市轨道交通牵引系统图6-10城市轨道交通电力牵引系统1.牵引概念6.2城市轨道交通牵引系统(1)牵引变电所牵引变电所的作用是将城市电网的交流电压(一般为110kV、35kV或10kV)降压并整流成为直流电压。图6-11牵引变电所主接线6.2城市轨道交通牵引系统(2)牵引网牵引网由馈电线、接触网、轨道和回流线组成。1)接触轨式是沿走行轨道一侧平行铺设第三轨，电动车组从侧面伸出受电器——接触靴与其滑动接触而取得电能。2)架空式接触网是架设在走行轨道上部的接触导线和承力索系统。2.电力牵引供电的发展(1)世界电力牵引供电的发展电力牵引最早始于19世纪90年代。(2)我国电力牵引的发展我国铁路牵引动力电气化起步于20世纪50年代末，当时即确定采用先进的25kV单相工频交流电流制。(3)城市轨道交通电力牵引的发展城市地下铁道是最早采用直流制电力牵引的领域，该技术的应用范围原先主要集中在若干发达国家的少数城市。3.电力牵引的技术特性6.2城市轨道交通牵引系统(1)电力牵引的优点1)电力牵引为非自给式牵引动力。2)电力牵引的总功效(做功效率)最高，可显著节省能源并降低运营成本。3)电力牵引列车和车辆噪声小，不排出废气和有害气体，有利于环境保护。4)电力牵引各主要组成环节均为独立的电气系统，且又连成整体，它们与电子技术和计算机控制手段相结合，易于实现全面自动化和信息化，为铁路和城市交通的技术进步、劳动生产率的提高，提供了广阔的发展前景。(2)电力牵引存在的缺陷电力牵引增加供电系统装置，使其一次投资费用比其他牵引动力形式要高些。6.2城市轨道交通牵引系统(3)电力机车电力牵引在现实生活中最好的体现就是电力机车。4.牵引变电所容量的计算和确定(1)确定牵引变压器的容量1)确定计算容量。2)确定校核容量。3)确定安装容量。(2)牵引变压器的安装容量牵引变压器的安装容量是在计算容量和校核容量的基础上，再考虑备用方式，最后按变压器的产品规格所确定的变压器台数与容量。1)移动备用。2)固定备用。5.电力牵引的远动监控装置6.2城市轨道交通牵引系统(1)地下迷流在直流牵引供电中，牵引电流并非全部由钢轨直接流回牵引变电所，而是有一部分由钢轨杂散泄漏流入大地，再由大地流回钢轨和牵引变电所，这种地下杂散电流被称为地下迷流。(2)谐波由于牵引变电所大功率整流设备和其他变流装置等的非线性负荷特性，使牵引供电系统成了城市电网的一个重要谐波源。(3)电动车组由牵引供电系统供给电能，驱动车辆上的电动机，产生牵引力牵引在轨道上行驶的列车组。(4)车辆电气车辆电气包括车辆上各种电气设备及其连接导线。6.牵引网(1)牵引网的种类按电力机车集电方式的不同，牵引网可分为架空单线式、架空复线式和第三轨式三种方式(见图6-12)。6.2城市轨道交通牵引系统图6-12牵引网形式分类示意图(2)牵引网的构成牵引网由四部分组成(见图6-13)，一般常将除回流系统外的其余三部分统称为接触网。6.2城市轨道交通牵引系统图6-13牵引网构成6.2城市轨道交通牵引系统图6-14接触线横截面6.2城市轨道交通牵引系统图6-15一般牵引网分区供电示意图7.牵引电机与发展趋向(1)牵引电机牵引电机包括牵引电动机、牵引发电机和辅助电机等。6.2城市轨道交通牵引系统1)牵引电动机。2)牵引发电机。3)辅助电机。(2)发展趋向。1.操作练习1)通过供电与牵引实训室的接触网模型，了解接触网是如何给电力机车提供电能的，并了解接触轨的给电方式。2)根据自己对牵引的了解，自己画出在机车内部电能的转化过程，并且标出交直流的制式变化分界线。2.书面练习1)简要回答城市轨道交通供电系统的概念与构成。2)简要回答城市轨道交通牵引系统的组成与工作原理。6.2城市轨道交通牵引系统1.教师的评价表格2.学员的评价6.2城市轨道交通牵引系统表格3.知识跟进1)供电系统的设备组成，以及电能的传递过程是什么？2)牵引系统电能和动能的转化过程，以及电气制动的工作原理是什么？