城市轨道交通牵引供电系统，功能及可靠性

牵引供电系统包括牵引变电所和牵引网，其功能是将交流中压经降压整流变成直流1 500V或直流750V电压，为电动列车提供牵引供电。图6-4为牵引供电系统示意图。

区域变电所或主变电所将供电部门送来的三相高压交流电降压为所需电压等级10kV，并通过三相线路送到牵引变电所，再降压并整流为适于电动车组工作的1 500V或750V直流电。这种直流电通过电动车组受流装置与接触网或接触轨滑动接触，将直流电引入电动车组。工作后的电流经车体、轮对、轨道由回流线流回牵引变电所。

图6-4　牵引供电系统示意图

1.牵引变电所

1）牵引变电所的功能

牵引变电所的功能是将由区域变电所或主变电所获取的中压电压等级为35kV或10kV的电能，经降压与整理变换为可供列车牵引用的直流电1 500V或750V，并以直流电的形式把电能经馈电线送至接触网。

2）牵引变电所的组成

牵引变电所主要由交流开关柜、整流变压器、整流器、直流开关柜、交直流屏和钢轨电位限制器等设备组成，其主要设备是整流变压器和整流器。

3）牵引变电所的设置

牵引变电所的容量与设置距离应根据牵引供电计算结果，进行经济技术分析比较后确定。牵引变电所沿线路布置，每一个牵引变电所有一定的供电范围。供电距离过长会使末端电压过低及电能损耗过大；供电距离过短又会使变电所数目太多而不经济。一般相邻牵引变电所之间的距离为2～4km。牵引变电所分为正线牵引变电所和车辆段或停车场牵引变电所。其中，正线牵引变电所又分为车站牵引变电所和区间牵引变电所。牵引变电所一般采用在建筑物内设变电所的形式，也有少量的箱式牵引变电所。

4）牵引变电所的供电方式

由于轨道交通运输的重要性，所有轨道交通的牵引供电都属于电力部门供电的一级负荷，因此要确保供电的可靠性。为此，牵引变电所均由两个独立的电源供电。又由于轨道交通线路分布范围较广，通常需要在轨道沿线设置多个牵引变电所向它供电，再加上电源线路的具体分布情况不同，因此牵引变电所的供电方式复杂多样，但可以将它们归纳为以下几种典型的供电方式。

（1）环形供电。

将两个或两个以上的地区变电所（或轨道交通主变电所）与所有的牵引变电所用输电线连成一个环形进行供电的方式称为环形供电，如图6-5所示。环形供电可靠性好，任一输电线或电源发生故障都不会影响牵引变电所的正常供电。但因牵引变电所一次侧进出线多且开关多，继电保护复杂，会使成本增加。

图6-5　环形供电

（2）双边供电。

电源来自电力系统的两个地区变电所，给城市轨道交通供电的输电线是联络这两个地区变电所的线路，这种供电方式称为双边供电，如图6-6所示。根据可靠性的要求及实际情况，双边供电可分为双路输电线和单路输电线两种方式，但不论采用哪种方式，各路输电线的容量应不小于相关牵引变电所的容量之和。单路输电线方式一次侧进出开关少，投资也少，但供电可靠性不及双路输电线方式。当采用双路输电线方式时，即使一路输电线或一路电源出现故障，也不会导致牵引变电所失电。

图6-6　双边供电

（3）单边供电。

当轨道沿线附近只有一侧有电源时，需采用单边供电，如图6-7所示。单边供电较环形供电的可靠性差，因此为了提高可靠性，应用双回路输电线供电。单边供电设备较少，投资也少。在单边供电的情况下，每路输电线可以不必都进入所有的牵引变电所，而是轮流地每隔一个进入一个，这样可以减少进线的数目，降低变电所的投资。

图6-7　单边供电

（4）放射式供电。

放射式供电是指每个牵引变电所用两路独立输电线与地区变电所连接，供电方式如图6-8所示。这种接线方式适合于轨道线路成弧形的情况。这种接线方式比较简单，但当主降压变电所停电时，全线将停电。

图6-8　放射式供电

2.牵引网

牵引网是城市轨道交通供电系统中向电动车组供电的直接环节，包括接触网、馈电线、电分段、轨道和回流线。

接触网是沿轨道线路敷设，专为电动车组提供电能的系统。接触网有柔性接触网和刚性接触网之分，柔性接触网和刚性接触网悬挂在轨道上方，接触轨一般布置在行车方向的左侧，岔道区等个别区段布置在右侧。电动车组通过受电弓或集电靴和接触网保持滑动接触，将电能从接触网引进电动车组，获得牵引动力和其他车载电器所需的电能。馈电线是连接牵引变电所和接触网的导线，它将牵引变电所输出的满足牵引制式的电能馈送给接触网。为了便于检修和缩小事故范围，将接触网分成若干段，每一段称为电分段。城市轨道交通供电系统中一般不单独设置回流轨，而是利用走行轨兼作回流用。因此，导航用的轨道还需要具有畅通的导电能力。回流线是连接轨道和牵引变电所的导线，负责把轨道中的回路电流导入牵引变电所。

在牵引网的构成中，接触网的作用最为重要，要求也更严格，下面具体介绍一下接触网。

1）接触网的工作特点

接触网没有备用线路，经常处于动态运动中，且结构复杂、技术要求高。其具体工作特点如下：

（1）没有备用线路。虽然牵引负荷是城市轨道交通供电系统中重要的一级负荷，但只有牵引变电所内的主变压器及其他重要设备在设计时考虑了备用措施，以保证对接触网供电的可靠性，而接触网由于沿轨道线路全程敷设，并要与受电弓或集电靴保持滑动接触而无法采取备用措施。因此，一旦接触网出现故障，将造成整个供电区间停电，使在其间运行的列车因失去电能供应而停运。

（2）经常处于动态运动中。接触网和一般的电力线路不同，它为高速运动的电动车组提供电能，而且通过的电流很大。电动车组的受电弓对接触网形成一定的压力并以一定的速度与之接触摩擦运行，在运行中不可避免地会产生受电弓离线而引起电弧。在露天区段的接触网还要承受风、雾、雨、雪及大气污染的作用，使接触网始终处在振动、摩擦、电弧、污染、伸缩的动态运行状态之中。而这种动态运行会对接触网的各种线索、零部件产生恶劣影响，使其比一般电力线路更容易发生故障。

（3）结构复杂，技术要求高。接触网的运行环境和运行特点使其与一般的电力线路有很大的区别，其结构比较复杂，技术要求也比较高。例如，接触网导线的高度、拉力值，定位器的坡度，接触网的弹性、均匀度等都有定量的指标要求。

2）接触网的基本要求

城市轨道交通电动车组运行时，受电弓滑板或受流器滑靴与接触网形成滑动摩擦接触，因此需要保持一定的接触压力才能保证接触网连续向电动车组供电。电动车组运行时，受电弓产生振动、接触线不够平直、悬挂零件不符合要求而超出接触面等，会造成滑板与接触线脱离而形成电弧或碰撞现象，从而发生取流不良、机械损伤或断线事故。因此，为了保证对电动车组的供电效果，接触网应符合以下基本要求。

（1）接触网在机械结构上应具有稳定性和足够的弹性，安装高度尽量一致，以保证电动车组在高速运行和恶劣的气候条件下正常取流。

（2）接触网的设备及零件要有互换性，应具有较强的耐磨性和抗腐蚀能力，以延长接触网的使用年限。

（3）接触网的结构应尽量简单，以便于施工和利于运营及维修，以及在事故情况下的抢修和迅速恢复送电工作。

（4）接触网的建设应注意节约有色金属及钢材，以降低成本。(www.xing528.com)

3）接触网的分类

接触网分为架空式接触网和接触轨式接触网两种。

（1）架空式接触网。

架空式接触网是架设在走行轨上部的接触网，由电动列车顶部伸出的受电弓与之接触取得电能。按照不同的分类方式，架空式接触网又可分为以下几种不同的种类。

①按线路形式，架空式接触网可分为地面架空式接触网和隧道架空式接触网。

a.地面架空式接触网。地面架空式接触网主要包括接触悬挂装置、支持装置、定位装置、支柱与基础等部分。接触悬挂装置包括承力索、吊弦和接触线，其作用是直接为电动列车提供电流，使其正常运行；支持装置包括腕臂、拉杆和绝缘子，其作用是支持接触悬挂，并将其负荷传给支柱或其他建筑物的结构；定位装置包括定位器和定位管，其作用是保证接触线与受电弓的相对位置在规定范围内；支柱与基础的作用是用来支承接触悬挂装置和支持装置，并将接触悬挂装置固定在规定高度。地面架空式接触网的组成如图6-9所示。

图6-9　地面式架空接触网的组成

b.隧道架空式接触网。隧道架空式接触网的悬挂方式与地面架空式接触网有所不同，一方面是隧道内不能立支柱，支持装置直接设置在洞顶或洞壁上；另一方面是必须考虑隧道断面、净空高度、带电体对接地体的绝缘距离、导线的驰度等因素的限制。为了减小隧道的净空，需要在隧道内采用一些特殊的支持与固定装置。隧道架空式接触网又可分为柔性悬挂接触网和刚性悬挂接触网。隧道内常用的柔性悬挂接触网有“人”字形、T字形及弹性支架的支持与固定装置等，如图6-10至图6-12所示。

图6-10　隧道内“人”字形支撑装置

②按架空接触网与机车受电弓的配合关系及抬升情况，架空式接触网可分为柔性悬挂接触网和刚性悬挂接触网。

a.柔性悬挂接触网。柔性悬挂是指固定的导电体受流过程中在受电弓（一般不采用集电靴）的作用下有一定程度的变形。

图6-11　隧道内T字形支撑装置

图6-12　隧道内弹性支架装置

地面架空接触网属于柔性架空接触网，其悬挂形式可采用简单悬挂和链形悬挂，如图6-13和图6-14所示。

图6-13　简单悬挂

简单悬挂是由一根或两根平行的接触线直接固定在支持装置上的悬挂方式，它的特点是不设承力索和吊弦，接触线直接悬挂在支持装置上。国内外对简单悬挂做了很多改进和研究，将其发展为带补偿装置及弹性吊弦的简单悬挂，在弹性吊弦悬挂处装设了张力补偿装置，在悬挂点加装8～16m长的弹性吊弦。

图6-14　链形悬挂

链形悬挂是一种运行性能较好的悬挂形式，它的特点是接触线通过吊弦悬挂到承力索，承力索通过悬吊滑轮悬挂在支持装置的腕臂上，使接触线在不增加支柱的情况下增加了悬挂点，通过调整吊弦长度使接触线在整个跨距内对轨面的高度基本保持一致，减少了接触线在跨距中的驰度，改善了弹性，增加了悬挂重量，提高了稳定性。链形悬挂有简单链形悬挂、弹性链形悬挂、复链形悬挂等多种形式。

b.刚性悬挂接触网。刚性悬挂是指固定的导电体受流过程中在受电弓或集电靴的作用下基本不变形，汇流排是刚性悬挂的关键部件，一般用铝合金材料制成。刚性悬挂接触网将传统的接触线夹装在汇流排中，用汇流排取代了承力索和馈线，并靠它自身的刚性保持接触线的固定位置，使接触线不因重力而产生较大驰度。刚性悬挂接触网有两种典型代表，即以日本为代表的T形结构和以法国、瑞士等国为代表的II形结构，如图6-15和图6-16所示。

图6-15　T形刚性悬挂

图6-16　II形刚性悬挂

刚性悬挂需要的隧道净空小、投资小，而且导电铜线无张力架设，不必设置下锚装置，也不会发生断线事故。刚性悬挂零部件少，载流量大，安全可靠且维护量小，维护成本低，其优越性是柔性悬挂所难以比拟的。

（2）接触轨式接触网。

接触轨是沿着走行轨道一侧平行铺设的附件第三轨，故又称第三轨，如图6-17所示。电动车组通过转向架上伸出的授流器（集电靴）从接触轨获取电能。接触轨根据授流方式可分为上部授流、下部授流和侧部授流三种形式，如图6-18所示。接触轨多用于净空受限的地下线路，在地面线路也有少量应用。在我国城市轨道交通系统中，架空接触网和接触轨均有采用。

图6-17　接触轨

图6-18　接触轨的形式

架空接触网的安装位置较高，一般情况下乘客及司乘人员不会碰到，安全性较高，所以当牵引网电压等级为1 500V时宜采用架空接触网。但对于地面线路，架空接触网有可能对城市景观造成影响。接触轨的安装位置较低，有可能被人员碰到而发生危险，所以一般用于空间受限的线路和750V电压等级牵引网，但随着防护技术的发展，在牵引网电压等级为1 500V的线路中也有应用。

4）接触网的供电方式

牵引变电所向接触网供电的方式主要根据牵引变电所的分布情况、供电臂的长短、线路状态的供电可靠性而定，通常有单边供电和双边供电两种。

为了能安全、可靠地供电，通常将相邻的两个牵引变电所之间的接触网中央处断开，把两牵引变电所之间的接触网分成相互绝缘的两部分，每一部分都称为供电分区。在供电分区的末端设置有断路器和隔离开关的分区亭，以便对接触网起到分断与保护作用，同时可以通过分区亭内的开关设备将供电分区连接起来，如图6-19所示。

图6-19　牵引变电所向牵引网供电的原理

每个供电分区的接触网只从一端的牵引变电所获取电流，这种供电方式为单边供电。如果将分区亭开关闭合，则相邻牵引变电所之间的两个接触网供电分区可同时从两个牵引变电所获取电流，这种供电方式称为双边供电。单边供电时，接触网发生故障只影响本供电分区，因此故障范围较小；双边供电虽然可提高供电电压水平，但一旦发生故障，影响范围较大，因此目前较少应用。

当某个牵引变电所发生故障或停电检修时，该变电所承担的供电任务通过分区亭开关闭合，由两侧相邻的牵引变电所负责越区供电。在越区供电方式下，供电末端的接触网或接触轨的电压较低，电能损耗较大，因此要视情况适当减少同时处于该供电区段的列车数目。越区供电只是在特殊情况下短时采用的一种供电方式。