1城市軌道交通系統及供電系統概述（1）掌握城市軌道交通系統的定義及特點。（2）掌握城市軌道交通的類型。（3）了解城市軌道交通的主要技術特征。（4）掌握城市軌道交通的發展現狀與存在的問題。（5）掌握城市軌道交通供電系統的各子系統。（6）掌握城市軌道交通所采用的供電方式。（7）掌握不同類型變電站的功能。（8）掌握雜散電流的形成、危害和防護。知識目標（1）會區分不同類型的城市軌道交通。（2）會區分城市軌道交通供電系統的各子系統。（3）會介紹城市軌道交通所采用的供電方式。（4）會介紹不同類型變電站的功能。（5）會介紹雜散電流產生的原因。技能目標CONTENT03/城市軌道交通雜散電流01/02/城市軌道交通供電系統概述城市軌道交通系統概述1.1城市軌道交通系統概述123%Option11.1.1城市軌道交通系統的定義、技術特征及特點1.城市軌道交通系統的定義

“城市軌道交通”是一個范圍較大的概念，在國際上沒有統一的定義。一般而言，城市中車輛在固定的軌道上運行并主要用于城市客運的交通系統稱為城市軌道交通。廣義的城市軌道交通是指以軌道交通運輸方式為主要技術特征，在城市公共客運交通系統中具有中等以上運量的交通系統，主要為城市公共客運服務，是一種在城市公共客運交通中起骨干作用的現代化立體交通系統。狹義的城市軌道交通是指地鐵、輕軌和單軌。《城市公共交通分類標準》（CJJ/T114—2007）中將城市軌道交通定義為：“城市軌道交通為采用軌道結構進行承重和導向的車輛運輸系統，依據城市交通總體規劃的要求，設置全封閉或部分封閉的專用軌道線路，以列車或單車形式，運送相當規模客流量的公共交通方式。包括地鐵系統、輕軌系統、單軌系統、有軌電車、磁浮系統、自動導向軌道系統和市域快速軌道系統。”1

采用列車編組化運行，運量大。2

良好的線路條件與控制體系，速度快。電力牽引，污染少、環保。32.城市軌道交通系統的技術特征城市軌道交通系統的主要技術特征有以下幾個：4

可采用地下和高架敷設方式，占地面積小。5

全隔離的路權方式，安全性、可靠性好。良好的環控體系和候車環境，乘車舒適性佳。62.城市軌道交通系統的技術特征30%Option223%Option1（2）規劃布局要求的科學性和合理性。（1）樣式的多樣性。3.城市軌道交通系統的特點城市軌道交通系統具有以下幾個特點：（3）建設和服務的高標準化。3.城市軌道交通系統的特點·軌道交通設計簡單，技術裝備水平低。·軌道交通在城市交通中所占份額有限。76%②成長期的技術特點。25%

（4）發展性和復雜性。城市軌道交通的發展經歷了生成期、成長期和成熟期三個階段，每個時期均有其獨特的技術特點。①生成期的技術特點。·在硬件方面，先進技術的采用主要表現為城市軌道交通運輸工具的更新與完善。·在軟件方面，先進技術的采用主要表現在城市規劃與城市交通布局及軌道交通網絡的發展開始以先進的設計思想為指導。3.城市軌道交通系統的特點

③成熟期的技術特點。城市交通體系不再單一，更注重公交協調合作的作用，強調大小公交的銜接和一體化，大容量快速軌道交通與傳統汽（電）車地面交通兩大類運輸方式形成全方位、立體化、多層次的格局。3.城市軌道交通系統的特點20%（5）綜合性。①建設規模大，一個城市的軌道交通線網一般有近百千米至數百千米。②技術要求高，涉及現代土木工程、機電設備工程等多個高新技術領域。③項目投資大，每千米造價達3億～4億元。④建設周期長，單線建設周期要4～5年，線網建設周期一般要30～50年。⑤信息量大，建設、運營過程中所產生的信息量很大，處理工作非常繁重。⑥系統復雜，要考慮軌道交通與其他交通方式、城市發展的關系，考慮軌道交通線網布局、建設次序、資源共享的關系，考慮軌道交通工程策劃、建設、運營、資源利用的關系等。

城市軌道交通系統由車輛系統、供電系統、通信系統、信號系統、自動售檢票機、暖通空調、屏蔽（安全）門、自動扶梯和電梯、防火滅火系統、給排水系統、綜合監控系統組成。1.1.2城市軌道交通系統的構成1.車輛系統

城市軌道交通的車輛是用來運輸乘客的工具，按有無動力可分為兩大類：拖車（T），本身無動力牽引裝置；動車（M），本身帶有動力牽引裝置。在運營時，城市軌道交通列車一般采用動拖結合、固定編組的電動列車組形式。城市軌道交通車輛不僅要有良好的牽引、制動性能，保證運行安全、正點、快速；同時要有良好的乘客服務設施，使乘客感到舒適、文明、方便。1.1.2城市軌道交通系統的構成

電能是城市軌道車輛電力牽引系統必需的能源，電動車輛及為軌道交通運營服務的機電設備，包括通風、空調、照明、通信、信號、給排水、防災報警、電梯、自動扶梯等也都依賴并消耗電能。在城市軌道交通運營中，供電一旦中斷，不僅會造成城市軌道交通運營癱瘓，而且有可能危及乘客的生命安全，造成財產損失。因此，高度安全、可靠而又經濟、合理的供電系統是城市軌道交通正常運營的重要條件和保證。城市軌道交通供電電源一般取自城市電網，通過城市電網一次電力系統和軌道交通供電系統實現輸送或變換，最后以適當的電壓等級和一定的電流形式（直流或交流）供給車輛和其他用電設備。2.供電系統1.1.2城市軌道交通系統的構成3.通信系統

城市軌道交通的通信系統是傳遞語言、文字、數據、圖像等多種信息的綜合業務數字系統。它包括數字傳輸、電話交換、有線和無線通信、閉路電視、有線廣播、時鐘、電源等設備系統。城市軌道交通通信系統要求高可靠、易擴充、組網靈活、獨立采用通信網絡，并能與公共通信系統聯網。1.1.2城市軌道交通系統的構成4.信號系統

城市軌道交通信號系統是保證列車運行安全和提高線路通過能力的重要設施。以前列車運行，主要是駕駛員根據色燈信號（紅、黃、綠）進行操作。而城市軌道交通具有高密度、短間隔、短站距和快速等特點，其信號系統也從傳統的方式，即以地面信號的顯示傳遞行車命令，駕駛員按行車規則操作列車運行的方式，發展到按地面發送的信息自動監控列車速度和自動調整列車追蹤間隔的方式。實現這一方式的關鍵設備是列車自動控制系統。1.1.2城市軌道交通系統的構成

自動售檢票機、暖通空調、屏蔽（安全）門、自動扶梯和電梯等車站設施及防火滅火系統、給排水系統等環控設施，在保證乘客有一個良好的候車環境的同時，更保證了乘客能夠安全、快捷地乘坐列車。綜合監控系統包括電力監控（supervisorycontrolanddataacquisition，SCADA）系統、機電設備監控系統、屏蔽門監控系統、防淹門互聯系統、火災自動報警系統、廣播系統、閉路電視系統、車載信息系統、車站信息系統、自動售檢票系統、信號系統和時鐘系統。它涉及的專業門類較多，是一個真正意義的綜合系統。5.其他1.1.2城市軌道交通系統的構成

城市軌道交通系統在世界范圍內發展較快，地區、國家、城市的不同，服務對象的不同等，使得城市軌道交通系統發展成為多種類型，技術指標差異較大，目前尚無十分統一的分類標準。（1）按導向方式的不同，城市軌道交通系統可分為輪軌導向的城市軌道交通系統和導向輪導向的城市軌道交通系統。（2）按線路架設方式的不同，城市軌道交通系統可分為地下（水下）城市軌道交通系統、高架城市軌道交通系統和地面城市軌道交通系統。1.1.3城市軌道交通系統的分類

（3）按線路隔離程度的不同，城市軌道交通系統可分為全隔離城市軌道交通系統、半隔離城市軌道交通系統和不隔離城市軌道交通系統。（4）按軌道材料的不同，城市軌道交通系統可分為鋼輪鋼軌城市軌道交通系統和橡膠輪混凝土軌道交通系統。（5）按牽引方式的不同，城市軌道交通系統可分為旋轉式直流電動機牽引城市軌道交通系統、交流電動機牽引城市軌道交通系統和直流電動機牽引城市軌道交通系統。（6）按運營組織方式的不同，城市軌道交通系統可分為傳統城市軌道交通、區域快速軌道交通和城市（市郊）鐵路。1.1.3城市軌道交通系統的分類

（7）按高峰小時單向運輸能力的不同，城市軌道交通系統可分為高運量軌道交通系統、中運量軌道交通系統和低運量軌道交通系統。高運量軌道交通系統的高峰小時單向運輸能力在30000人次以上，屬于該種類型的軌道交通系統主要有地下鐵道和高技術標準的輕軌鐵路。中運量軌道交通系統的高峰小時單向運輸能力為10000～30000人次，屬于該種類型的軌道交通系統主要有輕軌和獨軌。低運量軌道交通系統的高峰小時單向運輸能力為5000～10000人次，屬于該種類型的軌道交通系統主要有低技術標準的有軌電車。（8）按動能范圍、車輛類型及主要技術特征的不同，城市軌道交通系統可分為有軌電車、地鐵、輕軌、城市（市郊、城際）鐵路、獨軌交通、新交通系統、磁浮交通。1.1.3城市軌道交通系統的分類1.1.4我國城市軌道交通系統的發展現狀與存在的問題1.發展現狀

近年來，我國城市軌道交通發展迅猛，在優化城市結構布局、緩解城市交通擁堵及促進經濟社會發展等方面的作用日益凸顯。據統計，截至2018年年末，我國內地共計35個城市開通城市軌道交通并投入運營，運營線路總長度達到5766.6km。預計到2020年左右，中國內地城市軌道交通運營線路總規模將達到9000km。我國經濟向高質量發展階段轉型，需要大力推動軌道交通裝備向綠色、智能方向發展。1.發展現狀

中國城市軌道交通的快速發展在改善城市交通狀況、改變市民出行和生活方式、服務和促進城市發展、推動產業進步與升級等方面發揮了重要作用。北京、上海、廣州、深圳等城市的城市軌道交通已形成網絡化運營格局，城市軌道交通在公共交通體系中起到了骨干作用。中國城市軌道交通在服務和促進城市發展的同時，大規模的建設也造就了涵蓋規劃設計、工程建設、運營管理、技術裝備等各領域的完整產業鏈。與高速鐵路一樣，中國城市軌道交通在過去20年間取得了巨大的進步和成績，并在積極跨出國門，走向世界。2.存在的問題

隨著我國城鎮化進程的加快，城市人口的快速膨脹，軌道交通建設突飛猛進。《國家發展改革委關于加強城市軌道交通規劃建設管理的通知》（發改基礎〔2015〕49號）明確提出應超前編制線網規劃，并提出了城市軌道交通長遠可持續發展的總體性方案。而目前，在軌道交通的快速發展中，軌道交通規劃設計暴露出不少問題。76%

對城市未來發展的認識不足，剖析不夠，對軌道交通戰略定位不準，發展模式單一；或因城市空間結構、人口規模等不穩定，軌道交通選取的系統規模與客流需求不匹配。01

網絡規劃缺乏前瞻性，規劃設計忽略城市特性和實際需要，網絡層次及系統選型單一，后期運營組織靈活度差，服務水平較低，運營效率不高。02

軌道交通規劃設計與周邊地下空間開發結合度不高，設計靈活度較差，地下空間沒有得到高效利用，造成地下空間資源浪費。032.存在的問題1.2城市軌道交通供電系統概述2

城市軌道交通供電系統是城市軌道交通的動力源泉，在為線路上運行的機車提供所需要的牽引負荷的同時，為車站、區間、車輛段、控制中心（operatingcontrolcenter，OCC）等其他建筑物提供其所需要的動力照明電能。在城市軌道交通運營過程中，供電一旦中斷，不僅會造成城市軌道交通運輸系統的癱瘓，而且會危及乘客的生命安全，造成財產損失。因此，城市軌道交通供電系統的有效運行是城市軌道交通系統安全可靠運行的重要保障。

電力牽引用于軌道交通系統已有100多年的歷史，隨著經濟和科學技術的不斷發展，用于軌道交通的電力牽引方式有許多不同的制式出現。這里所說的制式，是指供電系統向電動車輛或電力機車供電所采用的電流和電壓制式，如直流制或交流制、電壓等級、交流制中的頻率（工頻或低頻）及交流制中是單相或三相等。1.2.1城市軌道交通供電系統的供電制式城市軌道交通供電系統的供電制式經過了如下幾個發展階段：3調速性能。在調速過程中既要達到變速，還要盡可能經濟，不要有太大的能量損耗，同時還希望容易實現調速。2

動力設備容量利用。對列車的主要動力設備——牽引電動機的基本性能要求為：列車輕載時運行速度可以高一些，列車重載時運行速度可以低一些。這樣無論列車重載或輕載，都可以實現牽引電動機容量的充分利用，因為列車的牽引力與運行速度的乘積為其功率容量，這時近于常數。1

起動加速性能。要求起動加速力大且平穩，即恒定的、大的起動力矩，便于列車快速平穩起動。1.供電制式的發展

（1）直流制式。為了滿足城市軌道交通車輛速度快、能耗小、平穩舒適的運輸要求，對動力車輛有如下要求：1.供電制式的發展

直流串勵電動機的機械特性(轉矩與轉速的關系特性)正符合重載時速度低、輕載時速度高的要求。此外，從直流串勵電動機的起動和調速方法看，也是比較容易實現的。為了限制直流串勵電動機剛接通電源時起動電流太大和正常運行時為了降速而降低其端電壓，最早采用在電動機回路中串聯大功率電阻的方法來達到限流和降壓的目的。這種方法容易實現，但在列車起動和調速過程中卻造成了大量的能量損耗，很不經濟。盡管如此，由于局限于一定時期的技術發展水平，采用直流串勵電動機作為牽引動力就成為最早也是迄今為止被長期采用的形式，這就是供電系統直接以直流電向電動車輛或電力機車供電的電力牽引“直流制式”。76%1.供電制式的發展

（2）低頻單相交流制。隨著礦山和干線電力牽引的發展，列車需要的功率越來越大，如果采用直流供電制式，則受直流串勵電動機端電壓不能太高的限制，會導致供電電流很大，因而供電系統的電壓損失和能量損耗必然增大，由此出現了低頻單相交流制。低頻單相交流制是交流供電方式，交流電可以通過變壓器升降壓，因此，可以升高供電系統的電壓，到了列車以后再經車上的變壓器將電壓降低到適合牽引電動機應用的電壓等級。由于早期整流技術的限制，這種制式采用了在原理上與直流串勵電動機相似的單相交流整流子牽引電動機。這種電動機存在整流換向的問題，其困難程度隨電源頻率的升高而增大。由于采用低頻電源使供電系統復雜化，需要由專用低頻電廠供電，或由變頻電站將國家統一工頻電源轉變成低頻電源再輸出，因此沒有得到廣泛應用，只在少數國家的工礦和干線上應用。1.供電制式的發展

（3）工頻單相交流制。工頻單相交流制式既保留了交流制可以升高供電電壓的長處，又仍然采用直流串勵電動機作為牽引電動機。在電力機車上裝設降壓變壓器和大功率整流設備，可將高壓電源降壓，再整流成適合直流牽引電動機應用的低壓直流電。電動機的調壓調速可以通過改變降壓變壓器的抽頭或可控整流裝置的電壓來實現。工頻單相交流制是當今世界各國干線電氣化鐵路應用較普遍的牽引供電制式。我國干線電氣化鐵路即采用這種制式，其供電電壓為25kV。76%1.供電制式的發展

（4）三相交流制。三相交流制式的供電網比較復雜，必須有兩根架空接觸線和走行軌道構成三相交流電路，兩根架空接觸線之間又要高壓絕緣，造成的困難和投資更大，因此已經被淘汰。

牽引網的供電制式主要指電流制、電壓等級和饋電方式。目前，城市軌道交通的直流牽引電壓等級有DC600V、DC750V和DC1500V等多種。我國國家標準《城市軌道交通直流牽引供電系統》（GB/T10411—2005）規定了DC1500V和DC750V兩種電壓制式。電壓制式與饋電方式是密不可分的。一般架空接觸網饋電方式電壓等級采用DC1500V。第三軌饋電方式電壓等級主要采用DC750V，第三軌饋電方式電壓等級有向DC1500V發展的趨勢。2.供電制式的選擇原則2.供電制式的選擇原則供電制式的選擇原則如下：2

供電安全可靠。城市軌道交通是城市交通的骨干，一旦牽引網發生故障，造成列車停運，就會影響市民出行，引起城市交通混亂。因此，安全可靠是選擇供電制式最重要的條件。1

供電制式與客流量相適應。客流量是軌道交通設計的基礎。根據預測客流量大小，選擇適用的電動客車類型和列車編組數量，一般大運量的軌道交通系統采用DC1500V電壓和架空接觸網饋電方式，中運量的軌道交通系統采用DC750V電壓和接觸軌饋電方式。3城市軌道交通是城市的基礎設施，應注重環境和景觀效果。4

牽引網使用壽命長，維修工作量小，是降低軌道交通運營成本的重要條件。3

便于安裝和事故搶修。選用的牽引網應便于施工安裝和日常維修；一旦發生牽引網故障，應便于搶修，盡快恢復運營。2.供電制式的選擇原則1城市軌道電動車輛的功率不是很大，供電半徑也不大，因此供電電壓不需要太高。2在同樣的電壓等級下，直流制因為沒有電抗壓降而比交流制的電壓損失小。城市軌道交通供電系統的供電線路處在城市建筑群之間，供電電壓不宜太高，以確保安全。34大功率半導體整流元件（晶閘管）的出現，使得可在直流制電動車輛上采用整流器對直流串勵電動機進行調壓調速，減少了能耗，給直流制增添了新的生命力。城市軌道交通幾乎毫無例外地都采用直流供電制式。采用直流供電制式的原因有如下幾點：3.采用直流供電制式的原因

（5）快速晶閘管出現后，由快速晶閘管等組成的逆變器可將直流電逆變成頻率可以調節的交流電，這樣就實現了多年來想采用結構簡單、結實的鼠籠式異步電動機作為牽引電動機的愿望。這種用改變頻率來改變異步電動機速度的方法（簡稱變頻調速），可使異步牽引電動機的性能滿足牽引列車特點的要求。雖然電動車輛上采用的是交流異步牽引電動機，但其供電電壓還是直流的，所以還屬于直流制式的范疇，這就給直流制的應用提供了一個更廣闊的發展空間。3.采用直流供電制式的原因城市軌道交通作為城市電網的一個用戶，一般是從城市電網取得電能，無須單獨建設電廠，城市電網也把城市軌道交通作為一個重要用戶。因此，無論是干線電氣化鐵路、工礦電力牽引，還是城市軌道交通的電力牽引用電，均由國家統一電網供給。城市軌道交通供電系統主要由外部供電系統、牽引供電系統、動力照明供電系統和SCADA系統組成。1.2.2城市軌道交通供電系統的組成

發電廠（站）是發出電能的中心，一般可分為火力發電廠、水力發電站和原子能核電站等。為減少線路的電壓損失和能量損耗，發電廠中發電機發出的電能要先經過升壓變壓器升高電壓，然后以110kV或220kV的高壓，通過三相傳輸線輸送到區域變電站。在區域變電站中，電能先經過降壓變壓器把110kV或220kV的高壓降低電壓等級（如10kV或35kV），再經過三相輸電線輸送給本區域內的各用電中心。城市軌道交通牽引用電既可以從區域變電站高壓線路得電，也可以從下一級電壓的城市地方電網得電，這取決于系統和城市地方電網的具體情況及牽引用電容量的大小。1.外部供電系統1.外部供電系統

對于直接從系統高壓電網獲得電力的城市軌道交通系統，往往需要再設置一級主降壓變電站，將系統輸電電壓由110kV或220kV降低到10kV或35kV，以適應直流牽引變電所的需要。從管理的角度看，主降壓變電站可以由電力部門直接管理，也可以歸屬于地方城市軌道交通部門管理。

1.外部供電系統

如圖1-1所示，虛線2以上，即從發電廠（站）經升壓變電站、高壓輸電網、區域變電站至主降壓變電站部分通常被稱為城市軌道交通供電系統的外部（或一次）供電系統。城市軌道交通企業作為城市電網的重要用戶，屬于一級負荷，需要引入雙路高壓電源對其供電系統進行供電。

電源由城市電網引入，根據不同城市的電網構成，采用合適的供電方式。城市軌道交通系統作為城市電網的特殊用戶，一般用電范圍多在幾千米到幾十千米，采用何種供電方式，與城市電網的構成及城市軌道交通線路的分布及電源的容量有密切關系。城市軌道交通供電系統對城市電網來說是用戶，對城市軌道交通的各類負荷來說是電源。城市電網對城市軌道系統的供電方式可分為以下三種：1.外部供電系統（1）集中供電。由城市軌道專用主變電站構成的供電方案稱為集中供電。如圖1-2所示，沿著城市軌道交通線路，根據用電容量和城市軌道交通線路的長短，建設一座或幾座軌道交通專用的主變電站。主變電站應有兩路獨立的電源，一般為110kV或63kV，由發電廠或區域變電站對其供電。主變電站經過變壓后，輸出AC35kV或AC10kV等級的電壓，給城市軌道交通的牽引供電系統和動力照明系統供電。1.外部供電系統圖1-2集中供電上海、香港地鐵采用三級電壓制集中供電方式（見圖1-3），集中供電的牽引供電系統的電壓為35kV，供配電系統的電壓為10kV。目前，國內只有少數城市采用這種形式。1.外部供電系統圖1-3三級電壓制集中供電方式廣州地鐵采用兩級電壓制集中供電方式（見圖1-4），牽引供電系統和供配電系統的電壓均采用33kV。目前，國內采用集中供電的城市多采用此種形式。1.外部供電系統圖1-4兩級電壓制集中供電方式1.外部供電系統20%

①主變電站。城市軌道負荷作為一級負荷，主變電站進線一般為雙電源。雙電源的設計有兩種：一種是兩路電源均為專用線路，電源可靠性高；另一種是一路電源為專用線路，另一路電源并接于供電線路，與其他用戶共享電源。并接電源的可靠性雖然相對來說較差，但也能滿足地鐵供電的要求。兩路電源分列運行，相互備用。同時，在設計中，通過地鐵環網電纜將兩座主變電站的母線進行連接，即使兩路外部電源同時發生故障，也可以實現主變電站之間的相互支援，提高外部電源的安全可靠性。

主變電站進線電源側可采用內橋接線或線路變壓器組接線（見圖1-5），采用何種接線形式，主要考慮外部電源的可靠程度和電力部門的要求。內橋接線的可靠性要略高于線路變壓器組接線，主要體現在當一路進線電源故障時，完全不影響地鐵供電系統的運行，而此時線路變壓器組接線就只能有單臺主變壓器運行。主變電站中壓側采用單母線分段接線形式，當其中一臺主變壓器或一路中壓進線不能正常運行時，通過母聯開關合閘來保證地鐵供電的可靠性。當外部電源不穩定時，通過主變壓器有載調壓開關來保證地鐵電源的穩定性和可靠性。圖1-5主變電站進線電源側接線形式1.外部供電系統1.外部供電系統

②中壓供電網絡。中壓電纜可縱向把上級主變電站和下級牽引變電所、降壓變電站連接起來，橫向把全線的各個牽引變電所、降壓變電站連接起來，便構成了中壓供電網絡，其功能類似于電力系統中的輸電線路。城市軌道交通的中壓交流環網系統可采用牽引與動力照明相對獨立的網絡形式，也可采用牽引與動力照明混合的網絡形式。對于牽引與動力照明相對獨立的網絡，牽引供電網絡與動力照明網絡的電壓等級可以相同，也可以不同。供電系統中的中壓供電網絡應按列車運行的遠期通過能力設計，對互為備用線路，當一路退出運行時，另一路應能承擔其一、二級負荷的供電，線路末端電壓損失不宜超過5％。1.外部供電系統

一個運行可靠、調度靈活的環網供電系統一般需滿足以下設計原則和技術條件：·供電系統應滿足經濟、可靠、接線簡單、運行靈活的要求。·供電系統(含牽引供電)容量按遠期高峰小時負荷設計，根據路網規劃的設計可預留一定裕度。·供電系統按一級負荷設計，即平時由兩路互為備用的獨立電源供電，以實現不間斷供電。·環網設備容量應滿足遠期最大高峰小時負荷的要求，并滿足當一個主變電站發生故障時（不含中壓母線故障），另一個主變電站能承擔全線牽引負荷及全線動力照明一、二級負荷的供電。1.外部供電系統

·電纜載流量不僅應滿足最大高峰小時負荷的要求，同時當主變電站正常運行，環網中一條電纜故障時，應能保證城市軌道交通正常運行。此時可不考慮主變電站和環網電纜同時故障的情況，但需考慮主變電站與一個牽引變電所同時故障（三級負荷除外）的情況。在中壓環網電壓等級的選取上，國內一般有35kV/33kV和10kV兩種等級，環網電壓高，可相應減少主變電站的個數和降低線路損耗。目前，國內已經開通和即將開通的地鐵線路多數采用集中供電方式，中壓環網電壓多采用35kV/33kV等級。

（2）分散供電。在地鐵沿線直接由城市電網引入多路地鐵所需要的電源而構成的供電系統稱為分散供電，如圖1-6所示。這種供電方式多為10kV電壓等級。因為我國各大城市的電網在逐漸取消或改造35kV這一電壓等級，因此要想在幾千米到幾十千米的范圍內引入多路35kV電源是不可能的。分散供電要保證每座牽引變電所或降壓變電站皆能獲得雙路電源。北京地鐵主要采用分散供電方式。采用分散供電方式，可以取消地鐵主變電站，從而節省主變電站的投資，但是地鐵電源系統能否采用這種方式與城市電網的發達情況密切相關。采用集中供電方式可使地鐵供電系統與外界的接點減少，便于日后的運營維護。圖1-6分散供電1.外部供電系統1.外部供電系統

（3）混合供電。混合供電方式是前兩種供電方式的結合，以集中供電方式為主，在個別地段引入城市電網電源作為集中供電方式的補充，使供電系統更加完善和可靠。武漢軌道交通、北京城市軌道交通1號線和2號線即采用此種供電方式。

2.牽引供電系統

城市軌道交通的電能由國家統一電網供給，其電力牽引供電系統如圖1-7所示。主降壓變電站（當它不屬于電力部門時）及其以后部分分為以牽引變電所為主的牽引供電系統和以降壓變電站為主的動力照明供電系統。

2.牽引供電系統

如圖1-8所示，主降壓變電站及其以后部分統稱為牽引供電系統，其包括牽引變電所、饋電線、接觸網、鋼軌及回流線等。在城市軌道交通牽引供電系統中，電能從牽引變電所經饋電線、接觸網輸送給電動列車，再從電動列車經鋼軌（軌道回路）、回流線流回牽引變電所。由饋電線、接觸網、軌道回路及回流線組成的供電網絡稱為牽引網。牽引供電系統即由牽引變電所和牽引網組成，其中，牽引變電所和接觸網是牽引供電系統的主要組成部分。

（1）牽引變電所。牽引變電所是牽引供電系統的核心，一般由進出線單元、變壓變流單元和饋出單元構成。其主要功能是將中壓環網的AC35kV或AC10kV三相高壓交流電源經變壓變流單元轉換為城市軌道交通列車所需的電能，并分配到上下行區間供列車牽引用。在城市軌道交通工程中，由于地下土建工程造價較高，因而在地面有條件時最好將牽引變電所建于地面。但降壓變電站由于壓損的要求仍應設在車站內，這樣可以有效地降低工程造價。2.牽引供電系統①饋電線。②接觸網。30%③軌道回路。40%④回流線。75%2.牽引供電系統20%（2）牽引網。

動力照明供電系統可為除城市軌道交通列車以外的其他所有地鐵用電負荷提供電能，其中包括通信、信號、事故照明和計算機系統等許多一級負荷。這些一級負荷均與城市軌道交通正常運營密不可分，所以在設計、設備選型和施工過程中都應對動力照明供電系統給予足夠的重視。城市軌道交通降壓變電站與城網10kV變電站一樣，都是將中壓電經變壓器變為380V或220V電源供動力照明負荷用電。在引入電源方面，每座降壓變電站均從中壓環網引入兩路電源，有條件時還應從相鄰變電站或市電引一路備用電源；對于特別重要的負荷（如控制系統計算機設備等負荷），還應設蓄電池作為備用電源。城市軌道交通動力照明供電系統如圖1-9所示。圖1-9城市軌道交通動力照明供電系統3.動力照明供電系統3.動力照明供電系統20%

其中，降壓變電站將三相電源進線電壓降壓變為三相380V交流電，其主要用電設備是風機、水泵、照明設備、通信設備、信號設備、防火報警設備等。在動力供電系統中，降壓變電站一般每個車站設置一個，有時也可幾個車站合設一個；也可將降壓（動力）變壓器附設在某個牽引變電所之中，構成牽引與動力混合變電站。配電所（室）僅起到電能分配的作用。降壓變電站通過配電所（室）將三相380V和單相220V交流電分別供給動力、照明設備，各配電所（室）對本車站及其兩側區間動力和照明等設備配電。3.動力照明供電系統20%

地鐵車站及區間照明電源采用380V/220V系統三相五線制系統配電。正常時，工作照明、事故照明均由交流電源供電；當交流電源失去時，事故照明自動切換為蓄電池供電，確保事故期間必要的緊急照明。配電所（室）與用電設備之間的導線為配電線路。車站設備負荷可分為3級：一級負荷（包括事故風機、消防泵、主排水站、售檢票機、防災報警、通信信號、事故照明）、二級負荷（包括自動扶梯、普通風機、排污泵、工作照明）和三級負荷（包括空調、冷凍機、廣告照明、維修電源）。對于一、二級負荷，一般有兩路電源供電，當一臺變壓器故障解列時，另一臺變壓器可承擔全部一、二級負荷。三級負荷由一路電源供電，當一臺變壓器故障解列時，可根據運營需要自動切除。

SCADA系統是貫穿于整個供電系統的監視和控制部分，是控制技術在電力系統中的應用。SCADA系統由控制中心、通信通道和被控站系統組成，對全線變電站及沿線供電設備實行集中監視、控制和測量。其中，控制中心由數據服務器、通信前置機、工程師工作站及模擬盤顯示器等組成，實現對所采集數據的分析、計算、存儲、設備狀態監視及控制命令的發送等功能。被控站系統由變電站上位可編程邏輯控制器（programmablelogiccontroller，PLC）或后臺計算機、所內通信通道及下位PLC組成，實現對設備狀態、信號等數據的采集、整理、簡單分析計算及所內控制等功能。4.SCADA系統62

城市軌道交通供電系統應具備安全、可靠、調度方便、技術先進、功能齊全、經濟合理的特點，并應具備以下一些功能。1.2.3城市軌道交通供電系統的功能65%85%50%65%45%

供電系統的服務對象除運送乘客的電動車輛外，還有保證乘客在旅行中有良好衛生環境和秩序的通風換氣、空調設施、自動扶梯、自動售檢票、屏蔽門、排水泵、排污泵、通信信號、消防設施和各種照明設備。在這個龐大的用電群體中，用電設備有不同的電壓等級和電壓制式，既有固定的，也有時刻在變化著的，供電系統就是要滿足這些不同用途的用電設備對電源的不同需求，使城市軌道系統的每種用電設備都能發揮各自的功能和作用，保證城市軌道系統能夠安全、可靠地運營。1.全方位的服務功能

無論供電系統如何構成，采用什么樣的設備，安全、可靠地供電總是第一位的。在系統中發生任何一種故障，系統本身都應有備用措施，以保證城市軌道系統的正常運營。供電系統設計以雙電源為主要原則，當一路電源故障時，另一路電源應能保證系統的正常供電。例如，主變電站、牽引變電所和降壓變電站為雙電源、雙機組；動力照明的一、二級負荷采用雙電源、雙回路供電；牽引網同一饋電區采用雙邊供電（雙電源供電）方式，當一座牽引變電所故障解列時，靠兩個相鄰變電站的過負荷能力對牽引網進行大雙邊供電，保證列車可以照常運行而不受影響。2.故障自救功能

系統應有完善、協調的保護措施，供電系統的各級繼電保護應相互配合和協調，當系統發生故障時，應當只切除故障部分的設備，從而使故障范圍縮小。系統的各級保護應當滿足可靠性、靈敏性、速動性、選擇性的要求。對牽引供電系統而言，為保證乘客的安全，保護的速動性是第一位的，其保護的原則是“寧可誤動作，不可不動作”。誤動作可以用自動重合閘校正，而保護不動作則很危險，因為直流電弧在不切斷電源時可以長時間地維持燃燒，從而威脅乘客安全。由于城市軌道交通供電系統中壓交流側保護應與城市電網的保護相配合和協調，因此，其保護的選擇性也受到制約。3.自我保護功能

系統中任何一個環節的操作都應有相應的聯鎖條件，不允許因誤操作而導致發生故障。尤其是各種隔離開關（無論是電動還是手動）或手車式開關的隔離觸頭，都不允許帶負荷操作。防止誤操作的聯鎖條件可以是機械的，也可以是電氣的，還可以是電氣設備本身所具備的或是在操作規程和程序上嚴格規定的。防止誤操作是保證系統安全、可靠運行所不可缺少的環節。4.防止誤操作的功能

系統應能在控制中心進行集中控制、監視和測量，并應能根據運行需要，方便、靈活地進行調度，變更運行方式，分配負荷潮流，使系統的運行更加經濟合理。當系統發生故障而使一路或兩路電源退出運行時，為保證地鐵列車的正常運行，電力調度可以對供電分區進行調度和調整，以達到安全可靠、經濟運行的目的。5.方便靈活的調度功能

系統應能進行本地和遠程控制，并可以方便地進行操作轉換，系統各環節的運行狀態應有明確的顯示，使運行人員一目了然。各種信號顯示應明確，事故信號和預告信號應分別顯示。各種電量的測量和電能的計量應準確，并便于運行人員查證和分析，牽引用電和動力照明用電應分別計量，以利于對用電指標進行考核和經濟分析。在控制中心應能對整個供電系統進行控制、信號顯示、各種量值的計量統計。6.完善的控制、顯示和計量功能7.電磁兼容功能20%

國際電工委員會（InternationalElectrotechnicalCommission，IEC）對電磁兼容性（electromagneticcompatibility，EMC）的定義為設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。其中，“任何事物”可以是設備、裝置、系統，也可以是有生命的生物或無生命的物體。城市軌道車輛是強電、弱電多個系統共存的電磁環境，為了使各種設備或系統能在這個環境中正常工作，且不對該環境中其他設備、裝置或系統構成不能承受的電磁騷擾，各種電氣和電子設備的系統內部以及與其他系統之間的電磁兼容顯得尤為重要。供電系統及其設備在地鐵這個電磁環境中，首先是作為電磁騷擾源存在的，同時也是敏感設備。在城市軌道的電磁環境中，供電系統與其他設備、裝置或系統應是電磁兼容的。在技術上應采取措施抑制騷擾源，消除或減弱電磁耦合，提高敏感設備的抗干擾能力，以達到各系統的電磁兼容，使城市軌道車輛安全可靠地運行。我國自1969年在北京建成第一條地下鐵道以來，相繼已有上海、廣州、南京等城市的軌道交通投入商業運營。國內正在運營或將要運營的城市軌道交通的供電系統主要采用架空式接觸網和接觸軌式（第三軌式）接觸網兩種饋電類型。其中，北京、天津等地鐵采用DC750V的第三軌饋電，無錫地鐵采用DC1500V的第三軌饋電，電壓提高到1500V是第三軌饋電技術發展的一個方向；上海、南京等地鐵采用DC1500V架空式接觸網饋電。1.2.4國內城市軌道交通供電系統的發展現狀1.3城市軌道交通雜散電流3

在理想的狀況下，直流牽引供電系統的牽引電流由牽引變電所的正極出發，經由接觸網、電動列車和回流軌（鋼軌）返回牽引變電所的負極。但由于鋼軌與隧道或道床等結構鋼之間的絕緣電阻不是無限大，因此勢必造成流經牽引軌的牽引電流不能全部經由鋼軌流回牽引變電所的負極，有一部分的牽引電流會泄漏到隧道或道床等結構鋼上，然后經過結構鋼和大地流回牽引變電所的負極，這部分泄漏電流因大地土壤的導電性質及地下金屬管道的位置不同可以分布很廣，故稱為雜散電流或迷流。圖1-10所示為直流牽引雜散電流。圖1-10直流牽引雜散電流1.3.1雜散電流的形成

根據圖1-10，在牽引變電所回流線與鋼軌相接的回流點處，雜散電流回到牽引變電所。當軌道沿線的地下有金屬管道或建筑物鋼筋等導電物時，雜散電流必沿金屬導體流動，到回流點附近再通過鋼軌流回變電所，在回流點附近的金屬管道上形成陽極區，如圖1-11所示。而且陽極區總是在回流點處不動，使得陽極區的金屬正離子流向大地，發生電解腐蝕，從而損壞金屬。當接觸網為負極性時，陽極區與陰極區將轉變，陽極區將隨著列車的移動而移動，這樣陽極區是不固定的。由于金屬物的腐蝕現象較均勻，因而腐蝕情況不會太嚴重。圖1-11雜散電流腐蝕原理1.3.1雜散電流的形成城市軌道中的雜散電流是一種有害的電流，不僅會對城市軌道交通中的電氣設備設施的正常運行造成不同程度的影響，還會對隧道、道床的結構鋼和附近的金屬管線造成危害。這種危害主要表現在以下幾個方面：（1）若地下雜散電流流入電氣接地裝置，則會引起過高的接地電位，使某些設備無法正常工作。1.3.2雜散電流的危害

（2）若鋼軌局部或整體對地的絕緣能力變差，則此鋼軌對大地的泄漏電流增大，地下的雜散電流增大，這樣就有可能引起牽引變電所的框架保護動作。而框架保護動作會引起整個牽引變電所的斷路器跳閘，全所失電，同時還會聯跳相鄰牽引變電所對應的饋線斷路器，從而造成較大范圍的停電事故，影響城市軌道交通系統的正常運營。

（3）對隧道、道床或其他建筑物的結構鋼和附近的金屬管線（如電纜、金屬管件等）造成電腐蝕。如果這種電腐蝕長期存在，將會嚴重損壞城市軌道交通系統附近的各種結構鋼和地下金屬管線，從而破壞結構鋼的強度，縮短其使用壽命。1.3.2雜散電流的危害工程上可以采取增加軌道與大地間的絕緣、降低鋼軌道的電阻、縮短變電站之間的距離、金屬管道遠離軌道線路、設置其他專門的電保護等措施使軌道電流少泄入大地。即使有少量雜散電流泄入大地，也會通過地下回流點處專設的“電旁泄通道”直接流回變電站，不形成腐蝕陽極區。“電旁泄通道”是一種專設的電流通道，它保證雜散電流從地下建筑物回流到鋼軌、牽引變電所回流線或直接流入與鋼軌網相連的牽引變電所母線，使地下建筑物處于陰極狀態。1.3.3雜散電流的防護1231.雜散電流的防護原則

為了改善地下電流造成的迷流腐蝕狀況，應采取“以防為主，以排為輔，防排結合，加強監測”的原則。

防。防就是隔離和控制所有可能的雜散電流泄漏途徑，減少雜散電流進入城市軌道交通的主體結構、設備及可能與其相關的設施。

排。排就是通過雜散電流的收集及排流系統，提供雜散電流返回至牽引變電所負極的通路，防止雜散電流繼續向本系統外泄漏，以減少腐蝕。

監測。設計完備的雜散電流監測系統對雜散電流的大小進行監視、測量，為運營維護提供依據。2.雜散電流的防護措施20%

（1）降低鋼軌對地電位。牽引供電系統采用雙邊供電方式。正常運行時采用雙邊供電方式，事故狀態（一座牽引變電所解列）時也應采用大雙邊供電方式。因為雙邊供電比單邊供電有更多優點，降低鋼軌對地電位就是其中之一，無論是軌道中平均電壓損失還是最大電壓損失，雙邊供電都為單邊供電的1/4～1/3，即雙邊供電軌道對地電位為單邊供電時的1/4～1/3，在線