第八章城市軌道供電系統(tǒng)與

車輛電氣設(shè)備1主要內(nèi)容>

城市軌道供電系統(tǒng)受流器輔助電源車輛電器第八章城市軌道供電系統(tǒng)與車輛

電氣設(shè)備2F1

、F2

一城市電網(wǎng)發(fā)電廠

；B1一城市電網(wǎng)區(qū)域變電所；

B2

、B3

一城市電網(wǎng)區(qū)域變電所(或地鐵主變電所);

B4、B5

一地鐵牽引變電所；

B6一地鐵降壓變電所■城市電網(wǎng)一次電力系統(tǒng)和地鐵供電系統(tǒng)第一節(jié)城市軌道供電系統(tǒng)圖8-1

城市電網(wǎng)一次電力系統(tǒng)和地鐵供電系統(tǒng)鋼軌3■:牽引供電系統(tǒng)城市軌道交通電力牽

引

(electrictraction

ofurbanrailtransit)

以電力系統(tǒng)城市電網(wǎng)

的電力為動力源，在

車輛上將電能轉(zhuǎn)換為

機械能，從而牽引列

車組在軌道上運行的

一種城市交通牽引動

力形式。圖8-2城市軌道交通電力牽引系統(tǒng)+1一牽引變電所；2—饋電線；3—接觸網(wǎng)；4—電動車組；5—鋼軌；6—回流線；7—電分段。第一節(jié)城市軌道供電系統(tǒng)由城市電網(wǎng)來4電動車組由牽引供電系統(tǒng)供給電能，驅(qū)動車輛上的電動機，產(chǎn)生牽引力牽引在軌道上行駛的列車組?！龅罔F牽引供電系統(tǒng)各部分的功能主要有以下幾個方面：>牽引變電所：供給地鐵一定區(qū)域內(nèi)牽引電能的變電所。>接觸網(wǎng)(或接觸軌):經(jīng)過電動列車的受電器向電動列車供給電能(北京、

天津地鐵采用接觸軌方式，上海地鐵采用架空接觸網(wǎng)方式)。>饋電線：從牽引變電所向接觸網(wǎng)輸送牽引電能的導(dǎo)線。>回流線：用以供牽引電流返回牽引變電所的導(dǎo)線。>電分段：為方便檢修和縮小事故范圍，將接觸網(wǎng)分為若干段。>軌道電路：列車行走時，利用走行軌作為牽引電流回流的電路。直流

牽引系統(tǒng)主電路及其工作原理。第

一

節(jié)

城

市

軌

道

供

電

系

統(tǒng)5■

地鐵動力照明供電系統(tǒng)各個部分的功能主要有以下

幾個方面：>降壓變電所：將三相電源進線電壓變?yōu)槿?80V

交流電，降壓變電所供電的主要用電設(shè)備有風機、水泵、照明、信

號、通信、防災(zāi)、報警設(shè)備等。>

配電所(室):配電所(室)僅起到電能分配作用。降壓變電所通過配電所(室)將三相380V交流電和單相220V交流電分

別供給動力照明設(shè)備，各配電所(室)對本車站及其兩側(cè)區(qū)

間動力和照明等設(shè)備配電。>

配電線路：配電所(室)與使用設(shè)備之間的導(dǎo)線。第一節(jié)城市軌道供電系統(tǒng)6■變電所(室):>電氣主結(jié)線：變電所的電氣主結(jié)線是指由變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、

母線等及其連接導(dǎo)線所組成的接受和分配電能的電路。電氣主結(jié)線反映了變電所(室)的基本結(jié)構(gòu)和功能。>主變電所(室):主變電所是由上一級的城市電網(wǎng)區(qū)域變電所獲得高壓(如110kV

或220kV)電能，經(jīng)降壓后以中壓電壓等級供給牽引變電所和降壓變電所的一種地鐵變電所(室)。>牽引變電所(室):牽引變電所從城市電網(wǎng)區(qū)域變電站或地鐵主變電所

(室)獲得電能，經(jīng)過降壓和整流變成所需要的直流電。>

降壓變電所(室):從城市電網(wǎng)區(qū)域變電站或主變電站獲得電能并降壓

變成低壓交流電。第

一

節(jié)

城

市

軌

道

供

電

系

統(tǒng)7■

接觸網(wǎng)在地鐵列車運行過程中，電能從牽引變電所經(jīng)饋電線送到接觸網(wǎng)或接觸軌，再從接觸網(wǎng)通過地鐵列車的受電器送到電動列車，再經(jīng)過走行軌道、回流線流回到牽引變電所。由接觸網(wǎng)或接觸軌、饋電線、軌道和回流線組成的供電網(wǎng)絡(luò)總稱為牽引網(wǎng)，

接觸網(wǎng)是牽引網(wǎng)中最主要的組成部分，其作用是通過它與受電器直接滑動接觸，將電能不斷地傳送到電動列車，

保持電動列車的正常運行。接觸網(wǎng)按其結(jié)構(gòu)可分為接觸軌式

和架空式兩大類型。第一節(jié)城市軌道供電系統(tǒng)8>

接觸軌：接觸軌是沿走行

軌道一側(cè)平行鋪設(shè)的附加

第三軌，故又稱第三軌。

電動列車(動車)側(cè)面或底部伸出的受電器與第三軌接觸取得電能，這種受電

器稱為接觸靴(集電靴)。

根據(jù)集電靴和第三軌配合

的方式，接觸軌可分為上

磨式、側(cè)磨式和下磨式三

種。圖8-4為上磨式第三

軌。圖8-4

上磨式第三軌1接觸軌底座；2地鐵用針式絕緣子；3接觸軌扣板；4接觸軌斷面；

5防護罩支架；

6防護板(玻璃鋼)第一節(jié)城市軌道供電系統(tǒng)9>接觸網(wǎng)：城市軌道交通的接觸網(wǎng)饋電方式中向車輛饋電的接觸網(wǎng)設(shè)置在車輛的走形軌上方，沿走形軌中心呈“之”字形走向，距軌面最小

高度約4.0m

(洞外地面約5.0m),電動列車上部伸出的受電弓與之接

觸取得電能。有柔性懸掛、彈性懸掛和剛性懸掛3種方式，地面上的接觸網(wǎng)采用柔性懸掛，考慮到地面存在大氣雷電的侵害，因此隨接觸網(wǎng)架設(shè)有一條

接地保護線，并且在站場等重要場所增設(shè)避雷器。在隧道內(nèi)采用這種

懸掛方式約需要500mm

左右的安裝空間，接觸網(wǎng)張力約30KN,全補

償。彈性懸掛和剛性懸掛只能適用于隧道內(nèi)，彈性懸掛需要采用特制的專用彈性定位器

(西門子專利),接觸網(wǎng)張力15N,

半補償。第一節(jié)城市軌道供電系統(tǒng)10圖8-5

柔性接觸網(wǎng)(隧道內(nèi))示意圖

圖8-6地面(隧道外)柔性接觸網(wǎng)示意圖第一節(jié)城市軌道供電系統(tǒng)√柔性懸掛。11√彈性懸掛。這種懸掛方式僅適用于隧道，需要采

用一種懸掛專用的彈性定位器，接觸網(wǎng)張力約15kN,

半補償。√

剛性懸掛。架空剛性懸掛是城市軌道交通架空接

觸網(wǎng)受流方式的一種，具有運行可靠

性高、結(jié)構(gòu)簡單、運營維護方便、安

裝空間小等優(yōu)點，適合在城市地鐵隧

道內(nèi)應(yīng)用。架空剛性懸掛標準斷面由

匯流排、接觸線、絕緣子、支持結(jié)構(gòu)

等組成，典型斷面見圖8-7。第一節(jié)城市軌道供電系統(tǒng)圖8-7

架空剛性懸掛典型斷面示意圖12簡單摻鋁鋼軌0.1256400～7000(等效銅截面積約850)相對多≤90相對較小低小、系統(tǒng)構(gòu)成導(dǎo)電部分材質(zhì)單位電阻率(20℃)/2m2m-1實際截面積/mm2所需支撐點允許車輛最高運行速度/km:h-1在隧道中所需空間系統(tǒng)造價維護工作量復(fù)雜銅或銅合金線材0.0178約850;剛性為1400相對少≥120相對較大相對較高相對較大線路必須完全封閉，運行中發(fā)生突發(fā)性事件必須得到可靠停電通知后

或采用特殊方法方可組織乘客轉(zhuǎn)移

或現(xiàn)場處理。小線路可以不完全封閉，運行中發(fā)生突發(fā)事件可以脫離接觸網(wǎng)

組織乘客轉(zhuǎn)移或現(xiàn)場處理。有一定影響，需要精心設(shè)計第一節(jié)城市軌道供電系統(tǒng)■表8-1接觸軌和接觸網(wǎng)饋電方式的比較主要經(jīng)濟、技術(shù)性能對城市景觀的影響接觸軌接觸網(wǎng)安全型13

第二節(jié)

受流器

城市軌道交通車輛一般通過受流器與沿線路架設(shè)的導(dǎo)線滑動接觸，從供電電網(wǎng)吸收電能。■城市軌道交通車輛的受流器有受電弓、旁弓和第三軌受電器等形式?！?/p>

受電弓的結(jié)構(gòu)a)

單臂弓

b)

菱形雙臂弓

C)交叉形雙臂弓

d)Z形雙臂弓14最低值/V標稱值/V最高值/V500750900100015001800最低值/V額定值/V最高值/V500(400)750(600)900(720)

第二節(jié)

受流器

表8-2地鐵直流牽引供電系統(tǒng)

(GB10411)表8-3城市無軌電車和有軌電車直流供電系統(tǒng)(GB5951)注：括號內(nèi)的數(shù)值為非推薦值15主要經(jīng)濟、技術(shù)參數(shù)DC750VDV1500V峰值電流(2min間隔，6輛

編組時)/A7200～100003600～5000電壓損耗大小雜散電流(迷流)影響士入小可承受的客流量相對小大車輛再生制動對電壓的影響大相對小饋電方式第三軌(小客流時也可

以使用接觸網(wǎng))接觸網(wǎng)設(shè)備國產(chǎn)化率除了個別設(shè)備外，

實現(xiàn)了國產(chǎn)化基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化供電系統(tǒng)的綜合造價基本相當基本相當

第二節(jié)

受流器

表8-5

DC750V和DC1500V

饋電制式其他技術(shù)指標的比較16

第二節(jié)

受流器

受電弓的結(jié)構(gòu)與工作原理受電弓主要由受電滑板、活動構(gòu)架、底架和傳動機構(gòu)四部分組成。>受電滑板與供電網(wǎng)直接接觸，在滑動的同時接收電能，為了提高導(dǎo)電

性并減少接觸磨耗，通常采用石墨和銅合金等材料制成，并分成幾段，

以便磨損后定期更換。>

活動構(gòu)架使受電滑板有一定自由度，保證其對供電網(wǎng)線具有的良好追隨性。>城市軌道交通車輛通常采用結(jié)構(gòu)簡單、重量較輕的“彈簧上升、氣壓

下降”式受電弓，傳動機構(gòu)包括升弓彈簧、降弓氣缸、鎖定裝置。升

弓時，鎖定裝置的氣缸送入壓縮空氣后解鎖，受電弓依靠彈簧力上升，

并使受電滑板以5kg左右的壓力緊貼供電網(wǎng)架線。降弓時，壓縮空氣

送入降弓氣缸，使受電弓克服彈簧力下降、折疊后鎖定。171一底架組裝

;2一阻尼器組裝；3一平衡桿組裝；4一拉桿組裝；5一肘接電流連接組裝；6一下臂桿組裝；7—上

框架組裝；8一弓頭組裝；9一弓頭電流連接組裝；10一閥箱；11一底架電流連接組裝；12一降弓位置指示器；13一氣囊組裝；14一氣路組裝(含ADD自動降弓裝置);15一絕緣子組裝■

以成都地鐵1號線受電弓為例介紹受電弓的結(jié)構(gòu)和工作原理。第

二

節(jié)

受

流

器184底架由4根矩形無縫鋼管組焊而成。底架上安裝有阻尼器，以緩解在降弓時受電弓運動部分(鉸鏈機構(gòu)與弓頭)對底架及車頂?shù)臎_擊。>鉸鏈系統(tǒng)鉸鏈系統(tǒng)由下臂桿組裝、上框架組

裝和拉桿組裝構(gòu)成。下臂桿由無縫

鋼管組焊而成，上框架由鋁管組焊

而成。上框架上安裝有對角線桿，用于增加上框架的剛度。鉸鏈系統(tǒng)

與底架一起構(gòu)成受電弓的四桿機構(gòu)。

受電弓弓頭轉(zhuǎn)軸的運動軌跡如圖8-

第二節(jié)

受流器

>

底架圖8-11

受電弓弓頭轉(zhuǎn)軸的運動軌跡11。19

第二節(jié)

受流器

>

氣囊升弓裝置氣囊升弓裝置主要由兩組在受電弓橫向上對稱布置的氣

囊、蝴蝶座以及鋼絲繩構(gòu)成。其特點是外觀美觀、結(jié)構(gòu)簡單以及質(zhì)量較輕。>

弓頭弓頭由滑板、

弓角、

弓頭轉(zhuǎn)軸和弓頭懸掛裝置等構(gòu)成?；宀捎瞄L800mm

、寬60mm

的浸金屬碳滑板，可以承受短

時最大電流4000A

的要求；滑板內(nèi)設(shè)置ADD

(自動降弓裝

置)氣道，并在國內(nèi)首次采用硅膠氣管。弓頭懸掛裝置使

弓頭具有一定的自由度。20氣閥箱安裝在受電弓底架上，

是受電弓氣路的控制裝置，主

要集成了過濾閥、精密調(diào)壓閥、

單向節(jié)流閥和安全閥，用于對

受電弓氣路的過濾、壓力調(diào)整、

流量控制及安全保護，可以用

來精確調(diào)整受電弓的升、降弓

時間和與接觸線之間的接觸壓

力。由車輛進入受電弓的壓縮空氣

在經(jīng)過氣閥箱后被分為兩條支

路：

一條支路通向升弓氣囊，用于控制受電弓的升、降弓；另一條支路通向ADD,用于監(jiān)

測和反饋滑板運行狀態(tài)，執(zhí)行

故障情況下的自動保護功能。

第二節(jié)

受流器

氣閥箱與氣路圖8-12成都地鐵1號線車輛受電弓的氣路工作原理圖1一過濾閥；2一升弓節(jié)流閥；3一調(diào)壓閥；4一壓力表；5一安全閥；6—降弓節(jié)流閥；7一氣囊；8一快排閥；9一ADD截止閥；10-ADD試驗閥；11一滑板；12一壓力開關(guān)21

第二節(jié)

受流器

成都地鐵1號線受電弓的工作原理成都地鐵1號線車輛受電弓的升、降弓動作主要通過空氣回路進行控制。>當司機在司機室按下升弓按鈕，供風單元內(nèi)的脈沖電磁閥得電時，壓縮空氣通過受電弓氣閥箱進入氣囊升弓裝置，氣囊膨脹抬升，并帶動鋼

絲繩對下臂桿產(chǎn)生升弓轉(zhuǎn)矩；弓頭在下臂桿的驅(qū)動下向上升起，直到

弓頭上的滑板與接觸線接觸并保持在設(shè)定的接觸壓力下。>弓頭與接觸線接觸后，受電弓集取的電流將依次通過滑板、弓頭電流

連接組裝、受電弓框架等傳導(dǎo)到底架，最后由底架上的接線端、與接

線端相連接的主電纜將電流傳送到車內(nèi)受流系統(tǒng)。>當按下降弓按鈕時，脈沖電磁閥失電，車輛對受電弓的供風被切斷，

受電弓氣路中的壓縮空氣通過脈沖電磁閥排向大氣，受電弓靠自重下降，脫離與接觸線的接觸，從而使接觸網(wǎng)與車輛之間的電源供應(yīng)被切

斷。受電弓最后下降至弓頭轉(zhuǎn)軸保持在受電弓底架的兩個橡膠止擋上。22

第二節(jié)

受流器

■

j離線和受流質(zhì)量

>離線的概念接觸網(wǎng)和受電弓是兩個自成獨立體系的彈性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但在運行中又要求它們的位移隨時都處于協(xié)調(diào)一致。受電弓以規(guī)定的壓力，維持和

導(dǎo)線接觸，當接觸壓力為零時，受電弓就會脫離接觸導(dǎo)線，叫作離線。>離線率通常把一定區(qū)間內(nèi)離線總的時間和走行時間的比例，叫作離線率。離線率是判斷受流質(zhì)量的重要指標，

一般應(yīng)限制在5%--10%。K?=ZT/T>引起離線的原因主要有：√

由于導(dǎo)線彎曲引起離線；√由于導(dǎo)線中存在有硬點而產(chǎn)生的離線；√

由于接觸網(wǎng)懸掛點引起的離線，23以廣州地鐵三號線為例。廣州地鐵三號線是國內(nèi)第一條最高運行速度120

km/h的快速地鐵線路，對接觸網(wǎng)的系統(tǒng)性能提出了更高的要求。廣州地鐵三號線在二號線的基礎(chǔ)上，架空剛性懸掛采取了如下技術(shù)創(chuàng)

新：√

國內(nèi)首次采用“扁平式150mm2銅銀接觸線”技術(shù)，解決快速運行

時大電流及大弓網(wǎng)接觸面積的要求。√

國內(nèi)首次采用“膨脹元件錨段關(guān)節(jié)”技術(shù)，同時將錨段長度由250m

延長至300m,改善了錨段關(guān)節(jié)弓網(wǎng)受流薄弱環(huán)節(jié)，克服了快

速運行時的離線問題?！?/p>

國內(nèi)首次采用“近似全正弦波”形布置、

“6m

標準跨距”、

“中

心錨結(jié)與懸掛點合并”等技術(shù)，將架空剛性懸掛跨中弛度由4mm降為2mm

左右，改善了受流質(zhì)量，滿足了快速受流的要求。

第二節(jié)

受流器

受流質(zhì)量的改善措施24>

受電弓的靜態(tài)與動態(tài)接觸壓力：√所謂靜態(tài)，是指受電弓在緩慢移動時，導(dǎo)線和受電弓產(chǎn)生的加速度很小，慣性效應(yīng)可以忽略不計?！倘绻谶\行過程中，它們彼此作用產(chǎn)生的加速度明顯增大，引起的慣性力對運動有著明顯的影響，這時的受電弓壓力，稱為動態(tài)接觸壓力?！肥茈姽瓍?shù)對動態(tài)特性的影響受電弓參數(shù)，主要指其質(zhì)量、彈簧、剛度、阻尼的大小。它們對于受電弓的動態(tài)特性起

著決定作用?！藤|(zhì)量：減少質(zhì)量是減小慣性，提高受電弓跟隨能力的重要途徑?！?/p>

滑板彈簧：減小滑板彈簧剛度可適當?shù)馗纳剖茈姽男阅堋！?/p>

阻尼：滑板阻尼增加時，受電弓低頻響應(yīng)可得到較大的改善，但高頻響應(yīng)變差；

框架阻尼增加時使低頻響應(yīng)變壞，而高頻響應(yīng)有所改善；干摩擦有利于遏止受電

弓危險的諧振?！炭蚣軐A(chǔ)的彈簧剛度√

懸掛方式：必須滿足：①受電弓能在較大的高度范圍內(nèi)(0.5～2m)工作；②能在工作范圍內(nèi)提供一個固定的抬升力。

第二節(jié)

受流器

靜態(tài)和動態(tài)特性25整流器三相

變

壓

器逆變器中間直流環(huán)節(jié)直流斬波器輪入

濾

波

器城市軌道交通車輛的輔助電源裝置，除了供給車輛控制、照明、蓄電池充電所需要的各個等級直流電壓外，還供給空壓機、空調(diào)裝置等輔助電動機所需要的交流三相50Hz、380

V電能。輔助電源包括靜止輔助逆變器、電池組及DC/DC

變換器。靜止輔助逆變器的原理如圖8-7所示。第

三

節(jié)

輔

助

電

源圖8-7城市軌道交通車輛靜止輔助電源原理框圖十DC1500

VAC380VDC110V十260車用輔助電源裝置的要求>電壓穩(wěn)定城市軌道交通車輛由接觸網(wǎng)或第三軌供電，電源電壓的波

動范圍可達額定電壓的-33%～+20%>

變換功率電流城市軌道交通車輛通過DC/DC

變換器和DC/AC

逆變器將高壓直流電變換成車內(nèi)所需的低壓直流電、低壓單相或三相交流電。>

電路隔離輔助電源裝置應(yīng)在低壓電路和高壓電路之間實現(xiàn)電氣隔離。第

三

節(jié)

輔

助

電

源27

第

三

節(jié)

輔

助

電

源■

輔助電源裝置主電路的結(jié)構(gòu)型式(a)

直接三相PWM逆變器

(b)

直接12相PWM逆變器

(c)

斬波器和逆變器組合(a)(b)(c)28城市軌道輔助逆變器的電路構(gòu)造有兩種型式：雙逆變器型和單逆變器型。雙逆變器型又有串聯(lián)型與并聯(lián)型。單逆變器型有先升/降壓后逆變型和直接逆變型。這些逆變器均采用二電平逆變方式。>對雙逆變器型的評價?！虄?yōu)點：開關(guān)頻率低，僅150Hz

。因此，開關(guān)損耗小，逆變器效率高；輸出電壓為12階梯波，電壓的最低次諧波為11次。因此，對輸出濾波器要求低?？梢园演^低電壓的電力電子器件用于較高電源電壓的逆變器?！倘秉c：電路復(fù)雜，使用器件多。兩臺逆變器串聯(lián)，動態(tài)均壓要求高，故障率高。>對單逆變器的評價?！虄?yōu)點：電路簡單，使用器件少，可靠性高。PWM

調(diào)制，輸出電壓的諧波含量小，而且

可以設(shè)計優(yōu)化的PWM

調(diào)制，使諧波含量達到要求。逆變器電壓輸出先經(jīng)交流濾波網(wǎng)絡(luò)

濾波后輸入隔離變壓器。因此，輸入變壓器電壓的諧波含量低，變壓器中諧波損耗小。

變壓器結(jié)構(gòu)簡單，無需特殊設(shè)計。√

缺點：開關(guān)頻率較高，相對于雙逆變器方案，開關(guān)損耗較大，逆變器效率較低。功率電子器件(如IGBT)換流時承受的du/dt較大，特別是在高電壓情況下(DC1500V

供電系統(tǒng)再生制動時，網(wǎng)壓可達2000V)。

目前城市軌道交通車輛的輔助逆變器多數(shù)采用單逆變器

型

.第

三

節(jié)

輔

助

電

源遞變器的電路構(gòu)造29直流回路斬波器

濾波器

三相逆相器輸出變壓器0平

:30V/50H門控制觸發(fā)及

關(guān)斷脈沖數(shù)字實際值模擬實際值模擬監(jiān)控錄實際值與設(shè)定值指令與顯示外部數(shù)據(jù)總線靜止逆變器的

主電路靜止逆變器由線路

濾波器、斬波器、

直流回路濾波器、

電壓型三相逆變器、輸出隔離變

壓器及整流器(僅

A車有，圖中未畫

出)等部分組成。圖8-18為靜止逆變

器的主電路原理框圖。

圖8-18靜止逆變器的主電路原理框圖第

三

節(jié)

輔

助

電

源C-PAC

總線

耦合

電容動力機組與最終級逆變器控[制信號調(diào)

節(jié)指示UE=1500VDC線路濾波器實

控值器際制記F-PACP-PACI-PACPCRT60ADA11ZE1130口

石PDA口

比靜止逆變器的控制逆變器由獨立的微機控制，其控制原理參見圖8-19。第

三

節(jié)

輔

助

電

源圖8-19

靜止逆變器控制原理圖1500

vDC直流

負載31

第三節(jié)

輔助電源

靜止逆變器控制PAC系統(tǒng)有4個功能塊>電源功能塊(P-PAC):

提供控制電源及斬波、逆變器的觸發(fā)

和關(guān)斷脈沖。>通信功能塊(C-PAC):

傳輸逆變器及列車上的各種信號，

寄存過程參數(shù)實際值。>接口功能塊(I-PAC):

確定電參數(shù)所需值，監(jiān)控逆變器電壓、電流、溫度、延時時間及工作過程，它包括中央單元、通道、轉(zhuǎn)換單元，過程數(shù)據(jù)顯示及記錄等模塊。>快速保護和控制功能塊(F-PAC):控制逆變器工作過程，寄

存過程參數(shù)中實際值的模擬量，逆變器快速保護。它包括實際值寄存，模擬監(jiān)控，逆變器控制單元等模塊。32

第三節(jié)

輔助電源

蓄電池>在城市軌道交通車輛中，蓄電池組