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第1章緒論本章共分為四節，分別介紹城市軌道交通供電系統繼電保護的作用、原理、基本要求、分類及發展概況。通過本章內容的學習，了解城市軌道交通供電系統的功能和結構，掌握城市軌道交通供電系統繼電保護的作用、工作原理和要求等。1.1城市軌道交通供電系統繼電保護的作用1.1.1城市軌道交通城市軌道交通(urban rail transit)是指采用專用軌道導向運行的城市公共客運交通系統，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。城市軌道交通的定義包含了兩個層面的含義：①城市軌道交通是指城市公共客運交通系統中的軌道交通系統。城市客運交通可分為個體交通和公共交通。自行車、摩托車、小汽車等屬于個體客運交通方式。公共汽車、公共電車、城市軌道交通等屬于公共客運交通方式。這里所說的城市軌道交通是指城市公共客運交通系統中的軌道交通系統。②采用專用軌道導向運行。構成城市軌道交通的各個類別有一個共同的特點，就是由"專用軌道"來導向。軌道包括熟悉的鋼輪鋼軌系統中由鋼軌、扣件和軌枕組成的專用軌道，也包括其他形式的專用軌道。城市軌道交通的分類是根據城鎮建設行業標準《城市公共交通分類標準》(CJJ/T114—2007)的規定確定的。在中國國家標準《城市公共交通常用名詞術語》中，將城市軌道交通定義為"通常以電能為動力，采取輪軌運轉方式的快速大運量公共交通之總稱"。目前城市軌道交通主要有三種：地鐵、輕軌和獨軌。1)地鐵地鐵是地下鐵道交通的簡稱，它是一種在城市中修建的快速、大運量的軌道交通，通常以電力牽引，其單向高峰小時客運能力可達30000人次以上，它的線路通常設在地下隧道內，有的在城市中心以外地區從地下轉到地面或高架橋上。2)輕軌城市輕軌交通是在老式的地面有軌電車的基礎上發展起來的，與一般的鐵路相比，其軌道和車輛都是輕型的，運輸系統也相對比較簡單，較適宜于中等運量的城市客運交通。國外開發的城市輕軌交通系統主要有三種類型：舊車改進型、新線建設型和新交通系統型。輕軌有以下特征。(1)以鋼輪和鋼軌為車輛提供走行，車輛以電力提供牽引動力，可以采用直流、交流或線性電機驅動。(2)建設費用比地鐵少，每公里線路造價僅為地鐵的1/5～1/2。(3)每小時單向運輸能力一般為2萬～4萬人次，介于地鐵和公共汽車之間，屬于中等運能的一種公共交通形式。(4)線路可以為地面、地下和高架混合型，一般與地面道路隔離，采用半封閉或全封閉專用車道。(5)車輛有單節4軸車、雙節單鉸6軸車和3節雙鉸8軸車等。(6)對車輛和線路的消音和減振有較高要求。(7)電壓制式以直流750V架空線(或第三軌)供電為主，也有部分采用直流1500V和直流600V供電。(8)車站分為地面、高架和地下三種形式。3)獨軌獨軌交通的設想早在19世紀末已經形成。1901年德國魯爾地區的三個工業城市之間，在險峻的烏珀河谷上空建成了一條快速交通線，車輛吊在架空的導軌下面，沿著導軌行駛，后來三市合并成為烏珀塔爾市，這個獨軌交通系統成為該市的一個標志。獨軌交通作為城市公共交通，開始進展比較緩慢。日本從德國引進專利后，近三十年開發了多種獨軌鐵路，在世界城市軌道交通中獨樹一幟。我國重慶市從日本引進了獨軌交通系統。獨軌交通采用高架軌道結構，按結構型式分為跨坐式和懸掛式兩種類型。前者車輛的走行裝置(轉向架)跨騎在走行軌道上，其車體重心處于走行軌道的上方。后者車體懸掛于可在軌道梁上行走的走行裝置的下面，其重心處于走行軌道梁的下方。無論采用地鐵、輕軌還是獨軌的方式，城市軌道交通均由多種設備系統組成，不同的設備系統擔負軌道交通的不同功能。以地鐵為例，包括車輛(RST)、車輛段設備(WSH)及供電設備。其中，供電設備又分為：交流高中壓(HMV)，牽引供電(TPS)，接觸網(OCS)，電力監控(SCA)，線路(軌道)，通信(TEL)，信號(SIG)，車站設備監控(BAS)，防災報警(FAS)，氣體滅火系統(GFS)，環控系統(ECS)，電、扶梯(ESC)，屏蔽門(PSD)，自動售檢票系統(AFC)等。1.1.2城市軌道交通供電系統城市軌道交通供電系統是為城市軌道交通運營提供所需電能的系統，它不僅為城市軌道交通電動列車提供牽引用電，還為城市軌道交通運營服務的其他設施提供電能，如照明、通風、空調、給排水、通信、信號、防災報警和自動扶梯等。城市軌道交通供電系統由兩大部分組成：一部分為由城市電網引入的電源；另一部分為城市軌道交通內部供電系統，即通常所說的供電系統，包括主變電所、牽引供電系統、動力照明供配電系統和電力監控系統。城市軌道交通供電系統對城市電網是用戶，對城市軌道交通內部的用電設備是電源。作為城市電網的一個重要用戶，城市軌道交通供電系統直接從城市電網取得電能，無須單獨建設電廠。城市電網對城市軌道交通供電的電壓等級有110kV、63kV、35kV和10kV，20kV電壓等級也已作為方案被提出。究竟采用哪一種電壓等級，由不同城市電網構成的特點和城市軌道交通的實際需要而定。1.城市電網對城市軌道交通的供電方式城市電網對城市軌道交通的供電方式有三種：集中式供電、分散式供電和混合式供電。1)集中式供電城市軌道交通在其線路附近建設自己專用的主變電所，由主變電所通過中壓環網向各個地鐵車站的變電所提供中壓電能，各個車站變電所再通過整流(或降壓)，為地鐵列車及車站動力照明設備提供電能，這種供電方式稱為集中式供電。主變電所電壓等級根據地區不同而有差異，一般為110kV，東北地區為63kV。我國南方城市如上海、廣州、深圳和南京等城市的軌道交通，多采用110/35kV集中式供電。主變電所數量根據城市軌道交通線路的長短而有所調整，可以建設一座或幾座。采用集中式供電方式，除了考慮主變電所的負荷平衡，還應考慮與其他城市軌道交通線路的資源共享，一個主變電所可為幾條線路同時供電，其站位應盡量在幾條線路的交匯點。2)分散式供電沿城市軌道交通線路從城市電網直接引入城市軌道交通所需要的電源，這種供電方式稱為分散式供電。因35kV電壓等級在城市電網中將逐步消失，而20kV電壓等級城市電網還沒有確立，分散式供電引入電源的電壓等級多為10kV電壓等級，如北京地鐵和大連輕軌等。3)混合式供電混合式供電是一種以集中式供電為主，分散式供電作為補充的供電方式。這種供電方式也只能是10kV電壓等級。鑒于國內城市軌道交通供電系統絕大部分采用了集中式供電方式，本書將主要以采用此種供電方式的供電系統為基礎進行內容講解。2.城市軌道交通供電系統的構成對于采用集中式供電的城軌供電系統，由以下幾部分構成。 (1)主變電所，即為城市軌道交通建設的專用變電所，只有采用集中式供電時才設置，專為城市軌道交通牽引供電系統和供配電系統供電。主變電所一般沿城市軌道交通線路靠近車站的位置建設，以便于電纜線路的引入。 (2)中壓網絡，是聯系主變電所、牽引變電所、降壓變電所的供電網絡，一般采用電纜線路、環網供電方式。 (3)牽引供電系統，為電動車輛提供動能，由牽引變電所，以及沿線敷設的牽引網、接地系統等組成。 (4)動力照明供配電系統，專為城市軌道交通除電動車輛以外的所有動力照明負荷供電，如車站和區間的動力、照明及其他為城市軌道交通服務的自動化用電設施，包括降壓變電所、低壓配電系統。(5)電力監控系統，對全線變電所及沿線供電設備實行集中監視、控制和測量，由控制中心、通信通道和被控站系統組成。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，完成對采集數據的分析、計算、存儲、設備狀態監視以及控制命令的發送等功能。被控站系統由變電所上位PLC或后臺計算機、所內通信通道及下位PLC組成，完成對設備狀態、信號等數據的采集、整理、簡單分析計算及所內控制等功能。牽引供電系統和動力照明供配電系統的電源電壓一般是一致的，但由于不同城市的電網結構不同，導致各城市地鐵供電系統電源電壓等級不同，如北京地鐵、平壤地鐵為10kV，廣州地鐵、南京地鐵為35kV，巴黎地鐵為15kV，莫斯科地鐵為10kV，紐約地鐵為34.5kV，德黑蘭地鐵為20kV。牽引供電系統和動力照明供配電系統電源電壓也有不相同的，如上海地鐵和香港地鐵，牽引供電系統電源電壓為33kV，動力照明供配電系統電源電壓為10kV。目前，國內一般將牽引變電所和降壓變電所合建在一起。因此，牽引供電系統和供配電系統是城市軌道交通供電系統不可分割又相互聯系的兩個組成部分，以下統稱城軌供電系統。1.1.3城市軌道交通供電系統繼電保護1.繼電保護的概念包括城軌供電系統在內的電力系統在運行中，可能發生各種故障和不正常運行狀態，最常見同時也是最危險的故障是發生各種形式的短路。短路時可能產生以下后果。(1)通過故障點的很大的短路電流及其燃起的電弧，使故障元件損毀。(2)短路電流流過非故障元件時，由于發熱和電動力的作用，引起設備損壞或使用壽命縮短。(3)系統中部分區域的電壓大大降低，破壞其他用戶工作的穩定性，破壞系統并列運行的穩定性，引起系統振蕩，甚至使整個系統瓦解。系統中電氣元件的正常工作因某種原因發生故障，但沒有遭到破壞，把這種情況稱為不正常運行狀態。例如，因負荷超過電氣設備的額定值而引起的電流升高就是一種最常見的不正常運行狀態。不正常運行狀態使元件載流部分和絕緣材料的溫度不斷升高，加速絕緣的老化和損壞，就可能發展成故障。此外，系統中出現功率缺額而引起的頻率降低，發電機突然甩負荷而產生的過電壓，以及電力振蕩等，也都屬于不正常運行狀態。故障和不正常運行狀態，都可能在電力系統中引起事故。事故就是指系統或其中一部分的正常工作遭到破壞，并造成對用戶少送電或電能質量變壞到不能容許的地步，甚至造成人身傷亡和電氣設備的損壞。系統事故的發生，除了自然條件的因素(如遭受雷擊等)，一般都是由于設備制造上的缺陷、設計和安裝的錯誤、檢修質量不高或運行維護不當。因此只要充分發揮人的主觀能動性，正確地掌握客觀規律，加強對設備的維護和檢修，就可以大大減少事故發生的概率，把事故消滅在發生之前。在設計、制造、安裝以及運行維護的整個生命周期內，應采取各項積極措施消除或減少發生故障的可能性，故障一旦發生，必須迅速而且選擇性地切除故障元件，這是保障電力系統安全運行的最有效方法之一。切除故障的時間常要求小到十分之幾甚至百分之幾秒，靠人工反應和操作幾乎很難實現，實踐證明只有在每個電氣元件上裝設保護裝置才有可能滿足這個要求。在最初這種保護裝置大多是由單個繼電器或繼電器及其附屬設備的組合構成，稱為繼電保護裝置。在電子式靜態保護裝置和微機保護裝置出現之后，雖然繼電器已被電子元件或計算機所代替，但仍沿用此名稱。在電力部門常用繼電保護一詞泛指繼電保護技術或由各種繼電保護裝置組成的繼電保護系統。繼電保護裝置一詞則指各種具體的裝置。繼電保護裝置，就是指能反應出電力系統中所發生的故障或不正常運行狀態，并動作于斷路器跳閘或發出信號的一種自動裝置。2.繼電保護的任務繼電保護的任務包括以下三點。(1) 自動、迅速地將故障元件從電力系統中識別并切除，使故障元件免于繼續遭到破壞，同時保障其他無故障部分迅速恢復正常運行。(2)反應電氣元件的不正常運行狀態，并根據運行維護的條件(如有無經常值班人員)，而動作于發出信號、減負荷或跳閘。此時一般不要求保護迅速動作，而是根據電力系統及其元件的危害程度規定一定的延時，以免不必要的動作和由于干擾而引起的誤動作。(3)與自動重合閘配合，恢復由于瞬時自消性故障引起的保護動作跳閘，迅速恢復供電，提高供電性。3.城軌供電系統繼電保護作用在城市軌道交通的運營中，供電一旦中斷不僅會造成城市軌道交通運輸的癱瘓，還會危及乘客生命安全和造成財產的損失。因此，高度安全、而又經濟合理的電力供給是城市軌道交通正常運營的重要保障和前提。城市軌道交通供電系統作為電力系統的一個組成部分，為城市軌道交通列車提供牽引電能，為城市軌道交通車站提供動力照明電能。城軌供