城軌供電系統概論--電力系統基本知

識

城市軌道交通供電系統是為軌道交通運營提供動力能源的一個龐大系統,是國家

和城市電網中的用電特大戶［供電中心1］。它從國家和城市電網接受電源，通過

變配電，將合適的電源提供給城市軌道交通各個部門和系統。城市軌道交通供電

系統又是國家電力系統中的一部分，它的安全、可靠運行離不開國家電力系統的

支撐。電力系統是由發電廠、變電所、輸電線、配電系統及負荷組成的，國家電

力系統運行穩定與告將最終影響城軌供電的可靠性。

一、電力系統基本知識

隨著城市軌道交通的迅猛發展，對電能的需求越來越大。城軌交通的電能取自城

市電網，電網的電能由發電廠提供。發電廠是電能的生產單位，發電廠發出的電

能是不能儲存的，電能的生產（電廠）和消耗（月戶）必須是隨時平衡，也就是

說電力的生產、輸送、分配和使用的全過程，是由發電廠、變電所和用戶緊密聯

系起來的一個整體在同一瞬間實現的。在這一鏈條上的每一個環節都必須在同一

瞬間持續地共同發揮作用，才能使電力生產維持下去。城軌交通的供電系統就是

這鏈條上的重要用戶，城市電網中任何一個環節出現問題，都會影響城軌供電的

質量和可靠性。同樣如果城軌供電系統出現故障也會影響城市電網的電力平衡。

1.發電廠

發電廠是把不同形式的能源轉換成電能的工廠，例如化學能、水能、原子能等。

根據發電廠所利用的能源不同，可以分為以下幾類：

（1）火力發電廠

利用煤、石油、天然氣等燃料來發電的稱火力發目廠，簡稱火電廠。我國煤炭資

源較豐富，我國的火電廠目前仍以煤為主要燃料。有很多電廠建在煤礦邊上就稱

為坑口電廠。為了提高燃燒效率，現代的火電廠都把煤塊粉碎成煤粉，爐膛內能

夠完全燃燒，將鍋爐內的水燒成高溫、高壓的蒸汽（化學能轉變成熱能），蒸汽

沖動汽輪（熱能轉變成機械能），使其帶動與其聯軸的發電機旋轉，發出電能（機

械能轉換成電能）。

（2）水力發電廠

從水庫引水,利用水的位能沖動水輪機（水能轉換成機械能），并使其帶動與其

聯軸的發電機旋轉，來產生電能（將機械能轉變成電能）的。例如三峽的水力發

電，就是在長江中攔江筑壩，提高上游的水位，形成水庫，使上、下游形成盡可

能大的落差。這樣的能源是環保清潔的，是今后能源發展的一個方向。

（3）原子能發電廠

原子核在核反應堆中分裂過程中會產生大量的熱能（原子能轉換熱能），用比熱

能把水加熱成蒸汽,蒸汽沖動輪機使其帶動發電機旋轉發電。例如我國的秦小核

電站，它的電力生產過程與凝汽式火力發電廠相類似，它是以核反應堆代替了蒸

汽鍋爐。

由于原子能發電廠在電力生產過程中將核廢料妥善處置后，便不會產生有害煙

塵，不污染空氣，所以相對來說是比較環保的。原子能發電的一個重要優點是因

為它的能量密度遠遠高于煤炭，可以少量的原子能燃料代替大量的煤炭，特別是

在我國南方少煤地區，建設原子能發電廠具有更重要的經濟和科學研究價值。

此外，還有潮汐發電廠、地熱發電廠、風力發電廠、太陽能發電廠等。

我國現有的發電廠是以火力發電廠為主，其中凝汽式火力發電廠仍占多數。同時

正在大力發展水力和風能發電，例如長江口崇明島的風能發電。

2.變電站及電力網

電網是指由輸配電線路以及由它聯系起來的各類變電站的總稱，將相近的電廠、

送變電站聯絡起來，形成地區或全國性網絡，以便進行統一管理和運行調度，為

電能的輸送提供一個龐大的網絡。另外，為了把電能輸送到較遠的用電地區，降

低輸電線路對電壓的損耗，通常發電廠發出的電能都須經升壓變壓器把電壓升高

（例如到110、220、500千伏等）,然后通過電網和輸電線路送到用電地區。

再經變電所的降壓變壓器把電壓逐級降低后分配使用。所以，變電所的主要任務

是變換電壓，其次還有集中和分配電能，控制電能的流向和調整電壓的任務。電

網的電壓一般為、、、等等，而發電機

0.4kV10kV35kVx110kV220kV

的電壓一般為6.3、10.5、13.8、15.75、18千伏［供電中心1］等,城市軌道交

通電源進線電壓為發電廠不能直接向用戶供電，必須通過電網變配電

110kVo

后供給用戶。

來平衡電能；如果電能富余，它還可以通過減少連接發電廠數量或向其他電網輸

送電能，來平衡電能。

(2)電力系統的額定電壓

電力系統的額定電壓是指系統中所有電氣設備都在這一指定電壓下工作的電壓,

電氣設備在此電壓下工作，將具有最好的技術和經濟效果。

(3)電網的額定電壓

從表中［供電中心1］可以看到，同一電壓級別下，各種設備的額定電壓并不完全

相等，為了使各種相互聯接的電氣設備都能運行在較有利的電壓下，各電氣設備

的額定電壓之間有個現互配合的問題。為此將電力線路的額定電壓和系統的額定

電壓相等，把它稱作為電網的額定電壓。

(4)電氣設備的額定電壓

所謂額定電壓就是電氣備［供電中心2］能夠長時間工作最適合的電壓。此時電氣

設備中的元器件都工作在最佳狀態，只有工作在最佳狀態時,電氣設備的性能才

能比較穩定地發揮，電氣設備的壽命在這樣的工作電壓下才得以延長。

變壓器的額定電壓較為復雜，一次繞組與系統的額定電壓相同，二次繞組比系統

的額定電壓高10%,如果變壓器的短路阻抗小于7%或直接與用戶連接時，則

規定比系統的額定電壓高5%。

4.建立統一的電力系統的優點

(1)降低最高負荷

因為在同一電網中，當某一地區出現用電高峰時，另一地區可能是用電低谷，電

網中總電能需求量的增加或減少是很少的，此時電網是不需額外增加電能供給

的。電網越大、容量越大，出現上述情況的可能性越多，越容易調節。因此可以

相對減少發電機的裝機容量。

(2)減少備用容量

只要各電廠錯開檢修時間，就可以利用系統中的芍些發電廠備用機組互相支援，

不必每個電廠都裝備用機組,這樣就減少了總的備用容量。

(3)提高供電的可靠性和電能質量

由于電網越大，上網供電的發電機組越多，系統容量也越大，個別機組的容量占

整個電網容量的比重相對較小，所以故障時對系統的影響較小，因而提高了供電

的可靠性和電能的質量(頻率、電壓)。

(4)提高發電設備的經濟運行

水電廠發電受季節影響，在夏秋豐水期水量過剩，在冬春枯水期水量短缺。水電

廠容量占的比例較大的系統(如云南省電網)將造成枯水期缺電，豐水期棄水的

后果。組成聯合電力系統后，水火電聯和運行，豐水期水電廠多發電，火電廠少

發電并適當安排檢修；枯水期火電廠多發電，水電廠少發電并安排檢修，這樣充

分利用水力資源，減少燃料消耗，從而降低電能成本，提高運行的經濟型［供電

中心3］。

5.電力系統的中性點

電力系統中性點(主要是指發電機和主變壓器的中性點)的運行方式，一般分兩

大類：中性點不接地系統、中性點直接接地系統。其中中性點接地系統又可分為:

中性點經消弧線圈或接地變接地系統和中性點經接地電阻接地系統，以及中性點

不接地系統，通常稱為小電流接地系統。中性點直接接地，稱為大接地電流系統。

我國3~10千伏系統，大多采取中性點不接地的運行方式。允許其單項接地時

繼續運行二小時，以提高供電的可靠性。按相關規定：3~60千伏系統，當單相

接地電流大于30安；20千伏以上電網中，接地電流大于10安時，則采取中性

點經消弧線圈接地的運行方式。110千伏及以上的系統，一般采取中性點直接接

地的運行方式。對于380/220伏低壓配電網絡，為得到兩個不同的電壓級也采

取中性點直接接地的三相四線制。

對于電網系統的設備來說其中性點的運行方式不同，技術特性和工作條件也不

同。這樣對整個電網系統運行的可靠性及其設備的絕緣和繼電保護也提出了不

同。這是一個影響到經濟和技術并由各方面因素決定的綜合性問題，下面分別予

以討論。

(1)中性點不接地系統

我國3~10千伏系統,大多采用中性點不接地的運行方式。這主要是因為電壓

等級不高，單相接地時，雖然非故障相電壓升高

倍,而設備的絕緣是根據系統的線電壓設計的，對設備絕緣影響不大。當單項接

地時系統可以允許繼續運行兩小時，這就為查找故障贏得了時間，大大提高了供

電的可靠性。系統的故障70%以上是接地故障，對線路損害主要由接地點的電

容電流造成的。

正常運行時，三相系統是對稱的，*、心、Ac表示各相對地電容，

表示對地總的電容電流，同時不考慮相間電容，如圖1-2(a)所示?！?/p>

①系統正常運行卜

系統正常運行時，理想情況下，負荷是對稱的。那么三相電壓U/、3、°。

是對稱的，中性點的電位為零。各相對地電容電流也是對稱的(各相對地的電容

是相等的)，即='6='cc='co=o,R圖1-2(b)為A相電流向量圖；圖1-2

(c)為電容電流向量圖￡一

圖2

圖3

②系統發生單相接地故障

當任何一相(例如C相)絕緣受到破壞而接地時的電路圖，如圖1-3(a)所示。

此時，C相對地的電壓變為零，中性點電位偏移，未［供電中心1］故障兩相對地

的電壓升高倍，即變為線電壓。C相發生完全接地時的向量圖，如圖1-3(b)

所示。

由困可以確定各相對地的電壓匕、、的大小和方向。

0=見+(-%)=，-〃=乙

%=〃+(-%)應也應

%="+(_“)=0

31-3C相發生接地時，中性點不接地的三相系嫵圖

(a)電路圖：(b)向量圖

從圖LAI-3(b)可以確定，|仁|=|心|=退|鞏|,匕二和心之

間的夾角為60°,A、B兩相對地電壓值升高后倍。這樣其對地電容上所加的電.

.壓也升高了co倍。所以，對地電容電流比較正常時的電容電流乙。升高看倍。根

據圖中可確定非故障相對地的電容電流，而C相對地的電容電流為零，齒C相對

圖4

設電流的正方向是由電源到電網，則可得出通過C相接地點的電流（簡稱接

地電流）%七=1%二百;心=6；iCB=^3ico,由于匕和

是電容電流，故分別超前列和?！?°,因而1%、兩電流之間的夾角也

是60°,將它們相加即得―八。C相接地電流心為電容電流，故心翅前電壓

“90°。由向量圖可得：〃

1'=上1葭=超1'\,

%=1CB~61CO3

所以:

由式可知，單相接地電流等于正常時一相對地電容電流的三倍。

若已知每相的對地電容C,則可得到

co%

因為:X=—xlO-3^

ca）C

所以，Ic=37co=3U^

式中：q-—正常運行時的相電壓，千優；一

。一一角頻率，弧度每秒；|

c——相對地的電容，法；，

xc——對地電容的容抗，千歐；一

圖6

因此，接地電流

的值與網絡的電壓、頻端口每相對地的電容有關，而每相對地的電容與電網的結

構（電纜、架空線）木唯路的長度有關。在實用中，接地電流可近似地用下式計

算：

袈空線路，Z=—

cc350

電纜線路：I=—

c10

式中：U—-電網的線電壓，千伏；“

1——線路長度，公里。I

Ic——接地電流，上倍I。一

圖7

在非金屬性接地（包括經過一定電阻或消弧線圈接地[供電中心1]:接地相對地

的電壓大于零而小于相電壓，非接地相對地的電壓則大于相電壓而小于線電壓。

由前面分析可知，在中性點不接地的系統中發生單相接地時，網絡非故障相線電

壓的大/」環口相位差仍維持不變，在這種系統中相對地的絕緣水平是根據線電壓設

計的，雖然未故障相的相電壓會升高

倍，但對設備的絕緣沒有多大影響。因而中性點不接地系統在發生單相接地時,

可以繼續運行。但是，不允許長期運行，因為長期運行時可能引起未［供電中心

2］故障相絕緣薄弱的地方損壞而造成相間短路。為此，在這種系統中，一般都

裝設專門的絕緣監察裝置，以監視有無接地故障發生。中性點不接地系統中發生

單相接地時，按規定一般允許暫時繼續運行不超過兩小時。

(2)變壓器中性點不接地系統的優、缺點

優點：采用變壓器中性點不接地系統，由于限制了單相接地電流，對通訊的干擾

較??；另外單相接地可以運行一段時間，提高了供電的可靠性。

缺點：采用變壓器中性點不接地系統，當一相接地時，另兩相對地電壓升高

倍，易產生間隙［供電中心3］性電弧，使絕緣薄弱地方擊穿，從而造成兩相接地

短路。

(3)中性點直接接地系統

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圖1-4中性點直接按地系嫵圖〃

/，工，/?.i-IL_4>.1?I-X.1.1.1c?、一IMX>一>_1.1.1-?-X..1

圖8

將系統的中性點直接接地也是防止單相接地時產生間歇電弧過電壓的一種方法，

如圖1-4所示。由于單相短路電流很大，因而零序保護靈敏，繼電保護裝置能可

靠動作，將接地的線路切除，使系統的其他部分恢復正常運行。這樣在發生單相

接地時，就不會產生間歇電弧。同時，因中性點電位為按地體所固定，非故障相

對地的電壓不升高，因而各相對地的絕緣水平只需按相電壓考慮，這就降低了設

備對絕緣的要求。設備的絕緣要求降低，實際就降低了高壓電氣設備的造價。所

以110千伏以上的超高壓系統，一般采取中性點直接接地的方式。

中性點直接接地系統的缺點：

單相接地時，短路電流值很大,故障被切除前將引起電壓降低，會影響系統的穩

定。另外，由于強大的短路電流的導體周圍形成較強的單相磁場，使鄰近的電子

設備搜到［供電中心1］干擾。例如城軌交通的信號和通信