地铁牵引供电系统设计

地铁牵引供电系统设计

The Design of Subway Power Supply

System

摘要

牵引供电系统是城市轨道交通系统中最为重要的基础能源设施，其功能是为轨道交通系统中的电力车辆供电，确保轨道交通列车车辆的正常运行。通过对供电方案的比较，**地铁供电系统采用集中供电方式，系统包含电业局地区变电所与轨道交通主变电所之间的输电线路、轨道交通供电系统内部牵引降压输配电网络、直流牵引供电网和车站低压配电网；牵引供电系统由主变电所、高压/中压供电网络、牵引供电系统、电力监控系统、接触网系统、杂散电流防护和接地系统、供电车间等组成。轨道交通供电系统的主要功能如下：

接受、分配电能：主变电所的主变压器将110KV高压电变换成20KV中压电、20KV供电网络将电能分配到每一个车站和车辆段内的牵引变电所和降压变电所。 关键字：集中供电方式 牵引变电所 DC1500V接触轨 20kV中压

Abstract

Traction power supply system of urban rail transit system is the most important basic energy facilities, its function is providing power for rail transit system, ensure the normal operation of rail transit vehicle. Through the comparison of the power supply scheme, shijiazhuang metro power system uses centralized power supply mode, system contains the transmission lines between area substation and rail traffic main substation, Traction step-down power transmission and distribution network of rail transport power supply system, DC traction supply network and station low voltage distribution network; tractive power supply system is composed of main substation, high-pressure/medium voltage power supply network, tractive power supply system, electric power monitoring and management system, overhead contact system, stray current protection and grounding system, Power supply workshop and so on. The main function of rail transport power supply system is in the below: Accept, distribution of the main substation power: main transformer will convert to a 20KV 110 kv high-voltage power supply network in 20KV piezoelectric, energy allocated to each station and maximize the traction substation and step-down in substation.

Key words: entralized power supply system traction substation DC1500V contact rail 20kV medium voltage

目 录

第1章 绪论 ..................................................................................................... 4 1.1 供电系统的功能 .................................................................................. 4 1.2 供电系统的构成 .................................................................................. 5 1.3 供电系统电磁兼容 .............................................................................. 6 第2章 电源与主变电所 ................................................................................. 7 2.1 电源 ...................................................................................................... 7 2.2 主变电所 .............................................................................................. 9 2.3 中压供电网路 .................................................................................. 10 第3章 牵引供电系统 ................................................................................... 11 3.1 牵引供电运行方式 ............................................................................ 11 3.2 牵引供电系统保护 ............................................................................ 14 3.3 牵引变电所 ........................................................................................ 18 3.4 牵引网 ................................................................................................ 21 第4章 杂散电流 ........................................................................................... 22 4.1 概述 .................................................................................................... 22 4.2 杂散电流的产生 .............................................................................. 23 4.3 杂散电流的防护 ................................................................................ 23 第5章 牵引供电计算 ................................................................................... 24 5.1 概述 .................................................................................................... 24 5.2 平均运量法 ...................................................................................... 25 5.3 用平均运量法对罗家庄牵引变电所的计算 .................................... 25 第6章 直流短路计算 ................................................................................... 29 6.1 概述 .................................................................................................... 29 6.2 电路图法 ............................................................................................ 30 6.3 对罗家庄站两边的供电区间进行短路计算 .................................... 31 第7章 结论 ................................................................................................... 33 参考文献 ......................................................................................................... 35 谢辞 ................................................................................. 错误！未定义书签。 附录 ................................................................................................................. 36

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第1章 绪论

1.1 供电系统的功能

1.1.1 全方位的服务功能

地铁供电系统是为地铁安全运营服务的，保证地铁的所有电气用户安全、可靠的用电是他的职责。在地铁这个庞大的用电群体中，用电设备有不同的电压等级、不同的电压制式，既有固定的，也有时刻在变化着的，供电系统就是要满足这些不同用途的用电设备对电源的不同需求，使地铁的每种用电设备都能发挥自己的功能和作用，保证地铁安全可靠的运营。

1.1.2 故障自救功能

在系统中，发生任何一种故障，系统本身都应有备用措施，以保证地铁的正常运行不受影响。双电源是构成地铁供电系统的主要原则，主变电所、牵引变电所和降压变电所为双电源、双机组对动力照明的一、二级负荷采用双电源、双回路供电，牵引网同一馈电区间采用双边供电方式，当一座牵引变电所故障解列时，靠两相邻变电所的过负荷能力对牵引网进行大双边供电，保证列车可以正常运行不受影响。

1.1.3 系统的自我保护功能

对牵引供电系统而言，为保证旅客的安全，保护的速动性是第一位的，起保护

的原则是“宁可误动作，不可不动作”，误动作可以用自动重合闸校正，而保护不动作则很危险，因为直流电弧在不切断电源时可以长时间维持，从而威胁旅客安全。地铁供电系统中压交流侧保护，应和城市电网的保护相配合和协调，因此其保护的选择性也受到制约。

1.1.4 防止误操作功能

系统中任何一个环节的操作都应有相应的联锁条件，不允许因为误操作而导致发生故障。尤其是各种隔离开关，或手车式开关的隔离触头，都不允许带负荷操作。防止误操作，是使系统安全、可靠的运行不可缺少的环节。

1.1.5 方便灵活的调度功能

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系统应能在控制中心进行集中控制、监视和测量，并能根据运行需要，方便灵活的进行调度，变更运行方式，分配符合潮流，是系统的运行更加经济合理。系统发生故障时，电力调度可以对供电分区进行调度和调整，以达到安全可靠、经济运行的目的。

1.1.6 完善的控制，显示和计量功能

系统应能进行就地和远动控制，并可以方便地进行操作转换，系统各环节的运行状态应有明显的显示。各种信号显示应准确，事故信号、预告信号分别显示。牵引用电和动力照明用电应分别计算，以利于对用电指标进行考核与经济分析。

1.1.7 电磁兼容功能

地铁是强电、弱电多个系统共存的电磁环境，为了使各种设备或系统在这个环

境中能正常工作，且不对该环境中其它设备、装置或系统构成不能承受的电磁骚扰各种电器和电子设备的系统内部以及和其他系统之间的电磁兼容显得尤为重要。供电系统及其设备在地铁这个电磁环境中，首先是作为电磁骚扰源存在的，同时也是敏感设备。在地铁的电磁环境中，供电系统与其它设备、装置或系统应是电磁兼容的。在技术上应采取措施，抑制骚扰源、消除或减弱电磁耦合、提高敏感设备的抗干扰能力，以达到各系统的电磁兼容，是地铁安全可靠地运行。

1.2 供电系统的构成

地铁供电电源通常取自城市电网，通过城市电网一次电力系统和地铁供电系统实现输送或变换，然后以适当的电压等级供给地铁各类设备。根据用电性质的不同，地铁供电系统可分为两部分：由牵引变电所为主组成的牵引供电系统和以降压变电所为主组成的动力照明供配电系统。

1.2.1 牵引供电系统

牵引供电系统主要由主变电所、牵引变电所、接触网、电力监控、供电缆网等

组成。提供地铁车辆的牵引动力电源，专为电动车辆服务。

1.2.2 供配电系统

动力照明供配电系统主要由降压变电所、低压母线排、配电设备、线缆、用电

设备等组成。提供地铁机电设备动力电源和照明电源，如车站和区间的动力、照明及

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其他为地铁服务的自动化用电设施。

1.3 供电系统电磁兼容

在地铁这个电磁环境中，应首先研究构成电磁兼容的三要素—骚扰源、耦合途径、敏感设备。采取必要的措施，以抑制骚扰源、消除或减弱电磁耦合、提高敏感设备的抗干扰能力。

1.3.1 抑制骚扰源

供电系统不仅是地铁的能源设施，同时也是作为电磁干扰源而存在。牵引供电系统产生的谐波和杂散电流就属于地铁这个电磁环境中的骚扰源。

(1)谐波抑制 谐波是牵引供电系统由交流变为脉动直流时必然要产生的高次交流成分，交流成分的脉波数和大小与整流的脉波数有关。它所产生的谐波通过传导耦合对系统中的其它用电设备存在有害的影响。因此，把这种危害降到能容忍的程度，是牵引供电系统必须要解决的问题。增加整流的脉波数是非常有效的办法。目前国内地铁普遍采用等效24脉波整流来尽量减小对系统中其他用电设备的电磁骚扰。 (2)杂散电流抑制 直流牵引网采用接触网正极送电，走行轨负极回流，随着列车的运行，绝大部分回流电流沿着走行轨流回牵引变电所，同时也不可避免的要从走行轨向地下泄漏电流。杂散电流的大小主要取决于走行轨的对地电位和走行轨对地过渡电阻的大小。相应的抑制杂散电流的措施主要有以下几项：

①牵引供电系统采用双边供电方式；②上下行走行轨并联，减小走行轨电阻；③走行轨绝缘安装；④道床的排水沟设在列车运行方向的右侧；⑤敷设杂散电流收集网。

1.3.2 消除或减弱电磁耦合

(1)屏蔽 屏蔽并接地是消除或减弱感应骚扰和辐射骚扰的唯一途径。

①供电系统的所有设备外壳均应采用封闭式金属铠装柜体，并可靠接地。这样既可以防止外来的电磁干扰，又可以使设备本身产生的电磁骚扰不向外辐射；②设备内部的电子器件及其连线和接头都应做好密闭和屏蔽；③控制用电缆采用屏蔽电缆，其屏蔽层一点接地；④电力电缆采用钢带铠装绝缘外护套电缆，钢带在变电所一点接地。

(2) 电缆敷设

①尽可能加大不同电压等级电缆的间距，减小辐射耦合和感应耦合；②强、弱电电缆分侧敷设；③高压、低压、控制电缆分层敷设；④金属电缆托架应可靠接地。

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1.3.3 提高敏感设备的抗干扰能力

(1)防雷 对于雷电现象，供电系统属于敏感设备，在技术上应严加防范。 ①空旷地面高架桥设避雷线，保护高架桥、接触轨、区间电缆。②地面变电所的中压母线、低压母线、直流正负母线均设避雷器。

(2)接地

①变电所设综合接地装置，需要接地的设备或系统分别用接地线引到接地母线上；②变电所接地电阻为0.5Ω以下；③电力变压器中性点直接接地，低压系统采用TN-S系统；④需要屏蔽的设备外壳及电缆屏蔽均需接地。

第2章 电源与主变电所

2.1 电源

电源由城市电网引入，地铁供电系统对于城市电网是用户，对地铁的各类负荷又是电源。城市电网对地铁的供电方式主要有三种形式，究竟采用哪种供电方式，主要取决于城市电网的构成、分布及电源的容量。

2.1.1 集中供电方式

集中供电方式是指城市电网（通常是110kV或63kV电压等级）向地铁的专用主变电所供电，主变电所再向地铁的牵引变电所和降压变电所供电，地铁自身组成完整的供电网络系统。主变电所应有两路独立的电源。目前国内采用集中供电方供电的城市多为图2-1所示。

图2-1 集中供电方式举例

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2.1.2 分散式供电

分散供电方式是指沿地铁线路的城市电网（通常是10kV电压等级）分别向各沿线的地铁牵引变电所和降压变电所供电。其前提条件是城市电网在地铁沿线有足够的变电站和备用容量，并能满足地铁牵引供电的可靠性要求。如早期的北京地铁采取的就是这种供电方式。分散式供电要保证每座牵引变电所和降压变电所皆能获得双路电源。分散式供电系统如图2-2所示。

图2-2

分散供电方式举例

2.1.3 混合式供电 分散与集中相结合的供电方式是上述两种供电方式的结合，可充分利用城市电网的资源，节约投资，但供电可靠性不如集中供电方式，管理亦不够方便。混合式供电系统如图2-3所示。

图2-3

混合供电方式举例

2.1.4 **地铁一号线供电方式选择与分析

**地铁一号线选择集中供电方式。集中供电方式的优点主要有：供电可靠性高，

可提高地铁供电的灵活性，受外界因素影响较小。二号线是**市南北向交通的主动脉，途径运河桥，北国商城，火车站等人流密集区对于供电可靠性的要求很高。

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主变电所采用110/20kV有载自动调压变压器，并有专用供电回路，供电质量好，牵引整流负荷对城市电网的影响小。

地铁供电可独立进行调度和运营管理，检修维护工作相对独立方便。

只涉及城市电网几个220kV变电站的增容改造，工程量较小，相对易于实现。二号线有相当路段途经市郊，电力资源缺乏，变电站较少，采用集中供电方式避免修建过多地区变电站，投资较少。

2.2 主变电所

主变电所的位置、容量的确定，应根据牵引供电系统计算和供配电系统计算结果确定，最终应征得供电、规划部门的确认。遵循靠近线路、负荷平衡、资源共享的原则，达到节能的效果。 主变电所位置的选择，应按下述原则确定： ①应尽量靠近铁路沿线、接近负荷中心。

②各主变电所的负荷平衡，并使其两侧的供电距离基本相等。

③靠近地铁站，以缩短电缆通道的距离，减少和城市地下管网的交叉和干扰，具体位置应与城市供电部门和规划部门共同商讨。

④应考虑路网规划和其他地铁线路资源共享，并预留电缆通道和容量。 主变电所高压侧宜为內桥式接线，设桥路开关，如考虑经济因素，也可以采用线路变压器组接线。中压侧单母线分段，设分段开关，失电压自投，故障闭锁。桥路开关和分段开关正常处于断开状态。

为减少占地面积，主变电所应设计成室内式，设两台主变压器和两台自用变压器。主变压器应按地铁远期最大运量设计。

地铁用电已采取功率因数补偿措施，主变电所无需设电容补偿装置，根据需要可设置电能有源恢复系统，以补偿50次以下谐波及补偿基波的容性或感性无功电流。

主变电所按三级控制设计，即就地、距离和远动，二次回路应与地铁牵引变电所相协调，采用综合自动化系统。近期为有人值守，条件成熟时也可以考虑无人值守。

主变电所宜选用六氟化硫绝缘全封闭组合电器（GIS），以减少占地面积。主变电所的平面布置应紧凑，便于设备运输、安装和运行维护。

从主变电所至地铁车站应设电缆通道，电缆通道断面尺寸不小于2m×2m。 主变电所宜采用油浸风冷、有载自动调压变压器。根据需要可为三绕组或双绕组结构。

图2-4中，两路高压电源，两台主变压器可以是线路变压器组接线，也可以内桥接线，中压侧设接地变压器，以限制接地短路电流。

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主变电所属于一级负荷，全线设2座以上主变电所时，地铁有4路以上供电电源，1座主变电所解列时，相当于双路电源故障，应引入应急电源，其供电区是可以重新调度和划分的。

图2-4

主变电所主接线

2.3 中压供电网路

2.3.1 中压供电网络的概念

通过中压电缆，纵向把上级主变电所和下级牵引变电所、降压变电所连接起来，横向把全线的各个牵引变电所、降压变电所连接起来，便形成了中压网络。根据网络功能的不同，把为牵引变电所供电的中压网络，称为牵引网络；同样，把为降压变电所供电的中压网络称为动力照明网络。中压网络有两大属性：一是电压等级，二是构成形式。

中压网络不是供电系统中独立的子系统，但是它却是供电系统设计的核心内容。它的设计牵扯到外部电源方案、主变电所的位置及数量、牵引变电所及降压变电所的位置与数量、牵引变电所与降压变电所的主接线等。

2.3.2 中压供电网络的构成原则

①安全可靠，经济合理，满足供用电的要求。 ②接线简单，负荷平衡，保护完善。 ③环网供电，调度方便，误操作机会为零。

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④各种变电所结为双电源，主接线尽可能一致。

2.3.3 中压供电网络的电压等级

国内既有城市轨道交通的中亚供电网络采用的电压等级为10kV和35kV，20kV电压等级的中压供电网络也在酝酿之中。不同电压等级的中压网络的特点

(1)35kV中压网络，国家标准电压级。输电容量较大、距离较长；设备来源国内；设备体积较大，占用变电所面积较大，不利于减小车站体量；设备价格适中；国内没有环网开关，因而不能用(相对于断路器柜)价格较便宜的环网开关，构成接线与保护简单、操作灵活的环网系统；广州地铁、上海地铁已经采用。

(2)20kV中压网络，国际标准电压级。输电容量及距离适中，比10kV系统大。

设备完全实现国产化；引进MG、ALSTHOM等技术的开关设备，体积较小，占用变电所面积远小于国产35kV设备，有利减小车站体量，节省土建投资；价格适中；有环网单元，能构成接线与保护简单、操作灵活的环网系统；国内地铁尚没有采用，但国外地铁多有采用。

(3)10kV中压网络，国家标准电压级。输电容量较小、距离较短；设备来源国内；设备体积适中；设备价格较低；环网开关技术成熟、运营经验丰厚，可用其构成保护简单、操作灵活的环网系统；国内外地铁广为采用。

2.3.4 **地铁一号线中压供电网络的电压等级选择

**地铁一号线选择20kV中压网络，因为它的优点在于输送容量较大、设备体积较小、有环网开关、可构成环网供电方式、设备可以国产化且价格适中。而35kV中压网络设备需要进口，且占地面积大；10kV中压网络输电容量较小、距离较短增加了变电所数量。

第3章 牵引供电系统

3.1 牵引供电运行方式

牵引供电系统由牵引变电所和牵引网两部分组成，两者在运行中应相互协调、统一调度。牵引供电系统根据需要可以有以下几种运行方式：

①牵引变电所正常为双机组并列运行，以构成等效24脉波整流。 ②一台机组退出运行时也可以有条件地单机组运行。

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③系统中允许几座牵引变电所解列退出运行，条件是解列的变电所必须是只少相隔两座牵引变电所。

④牵引网正常实行双边供电，当一座牵引变电所故障解列退出运行时，应实行大双边供电。

⑤只有在末端牵引变电所故障解列时才采用单边供电，如列车在牵引网末端起动时电压降超过允许值，可通过横向电动隔离开关将上下行接触网并联，以减小回路电阻，降低电压损失。

3.1.1 牵引供电系统按双边供电设计 双边供电是指任何一个馈电区同时从两侧牵引变电所取得两路电源。地铁的牵

引供电系统，在正线的设计和运营中，均应采用双边供电方式，因为双边供电具有明显的有点。双边供电是设计必须满足的条件，也是正常运营的首选方式，单边供电不是设计的限制条件。即使在一座牵引变电所故障解列时，也应采取技术措施实行大双边供电，同时应自动完成双边联跳条件的转换，这样可以减少牵引变电所数量，既节省一欢建设投资，叉减少运营费用，同时减小列车起动时的电压损失，降低功率损耗，有利于列车运行，并且不影响运送旅客的能力，这对运营

是非常有利的。双边供电示意图3-1所示，走行轨对地电位分布如图3-2所示。

图3-1

双边供电示意图

图3-2 双边供电走行轨对地电位分布示意图

双边供电比单边供电曲优点如下：①牵引网的平均电压损失，双边供电是单边供电的1/3 ~1/4。平均电压损失是指列车在区间运行时的平均电压损失，它对辅助电机

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的运转有意义。平均电压损失有两个分量组成，即由指定列车本身所取电流在其受流器上引起的电压损失和同行其他列车电流在其受流器上造成的电压损失之和。②列车带电运行时受流器上的电压损失，双边供电是单边供电的1/3~1/4，也有两个分量组成，即由指定列车本身所取电流在其受流器上引起的电压损失和同行其他列车电流在其受流器上造成的电压损失之和。③列车最大平均电压损失，双边供电是单边供电的1/4。④列车起动时最大电压损失，双边供电是单边供电的1/4，满足列车起动耐的最大电压损失要求，是决定牵引变电所间距的必须满足的条件。单边供电列车起动时最大电压损失发生在供电区的终点，双边供电列车起动时最大电压损失发生在供电区的中点。⑤牵引网的功率损失，双边供电是单边供电的1/3 ~1/4。牵引网中的功率损失等于牵引网中诸列车各自的电流与电压损失的乘积之和。⑥双边供电时，列车的再生能量可以被同行列车吸收，当车流密度高时再生能量更易被同行列车利用；而单边供电时，再生能量被其他同行列车吸收的可能性极小。⑦杂散电流值双边供电是单边供电的1/3—1/4。直流牵引网采用接触网正极送电，走行轨负极回流，随着列车的运行，绝大部分回流电流沿着走行轨流回牵引变电所，同时也不可避免地要从走行轨道中向地下（道床、结构钢筋）泄漏电流（杂散电流）。杂散电流的大小主要由下列两个主要因素起作用：

①走行轨对地电位的高低。 ②走行轨对地过渡电阻的大小。

当然，走行轨对地电位越低、走行轨对地的过渡电阻越高则杂散电流就越小。牵引供电系统在向列车供电的同时，也在随列车的移动从走行轨向地下泄漏电流。采用双边供电方式是减小杂散电流最有效的措施。牵引网无论是正常运行方式还是事故状态（一座牵引变电所解列）时都应采用双边供电。走行轨对地电位双边供电是单边供电时的1/3—1/4，在线路条件相同的情况下，双边供电比单边供电时杂散电流要小3—4倍是显而易见的。

3.1.2 大双边供电的两种方式

鉴于双边供电比单边供电有很多优点，系统中任何一座牵引变电所故障解列时，也应采取技术措施，实行大双边供电。实现大双边供电有以下两种方式：

(1)利用解列的牵引变电所的直流母线构成大双边供电，利用牵引变电所直流母线构成大双边供电的条件是：

①牵引变电所只有两套整流机组退出运行。

②直流母线、上下行4路馈线开关及其二次回路完好无损且能正常运行。 (2)利用纵向电动隔离开关构成大双边供电，当牵引变电所故障解列时，利用电

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分段处的纵向电动隔离开关构成大双边供电，使整座牵引变电所（含隧道开关柜）退出运行，牵引网运行不受故障牵引变电所的影响。

纵向电动隔离开关的用途有两个：

①作为牵引变电所4路馈线开关的备用开关。 ②作为牵引变电所的备用开关。

3.1.3 牵引变电所的运行 因治理谐波的需要，牵引变电所多采用双机组构成等效24脉波整流，在一天的运行中，除高峰小时以外的其他时间，牵引变电所可以单机组运行，但必须满足下列两个条件：

①牵引负荷不能大于单机组允许的过负荷能力。

②单机组的12脉波整流所产生的谐波能与供电系统中的其他用户电磁兼容，并满足谐波治理的规定。

3.1.4 允许系统中任何一座牵引变电所故障解列

当系统中任何相隔两座的牵引变电所故障解列时，靠其相邻牵引变电所的过负荷能力，应仍能保证列车的正常运行，不影响运送旅客的能力。故障或退出运行的牵引变电所必须是相隔两座的牵引变电所。

3.2 牵引供电系统保护

3.2.1 概述

地铁供电系统可分为两个部分：交流中压系统和直流牵引系统。这里主要对直

流牵引系统的保护作介绍，直流牵引供电系统的保护又可分为牵引整流机组保护和直流馈出保护。牵引供电系统保护的最大特点就是系统的“多电源”和保护的“多死区”。所谓多电源，既当牵引网发生短路时，并非仅双边供电两侧的牵引变电所向短路点供电，而实际上是全线的牵引变电所皆通过牵引网向短路点供电，

只是距短路点近的牵引变电所供出的短路电流大、距短路点远的变电所供出的短路电流小而已。所谓多死区，是因牵引供电系统本身的特点和保护对象的特殊性而形成保护上的“死区”。任何保护的最基本要求就是当发生短路故障时，首先要“切断电源”，切断电源对直流系统至关重要，因为直流一旦形成电弧，如不断电则可以长时间维持。而“消除死区”是任何保护必须要做到的。针对这两点，牵引供电系统除交流系统常用的保护外，还采用了牵引变电所内部联跳、牵引网双边联跳、di/dtΔI等特殊保护

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这一方案的缺点：①电动隔离开关太多，每个电动隔离开关操作都需要有自己的联锁条件，实现操作联锁较复杂。②备用开关要代替4路馈线开关，当使用备用开关实现双边供电时，双边联跳的转换关系复杂且环节多。③纵向电动隔离开关可以代替整座牵引变电所也可以代替任何一路馈线开关，当用它代替馈线开关时，备用母线和备用开关就显得是多余的了。用直流快速开关代替纵向电动隔离开关可以解决双母线所存在的问题。

图3-4

牵引变电所交流侧主接线图

单母线系统其的特点是：①直流侧为单母线系统，接线简单。与方案一相比，节省一条备用母线、一台备用开关和四台电动隔离开关。②在同一馈电区电分段处设置一台纵向电动隔离开关，当牵引变电所故障解列或退出运行时，可以通过它实现大双边供电。③纵向电动隔离开关既可以代替整座变电所，也可以代替任何一路馈线开关。

方案二是目前国内使用较多的一种接线方式。通过以上两种方案的对比**地铁一号线采用单母线系统。

3.3.2 容量与谐波

(1)容量 在牵引供电系统中，牵引变电所的容量，应根据以下原则确定：①应满足远期高峰小时运量的要求，在高峰小时牵引机组的负荷率宜在90%~100%。②当任一座牵引变电所故障解列时，靠相邻牵引变电所的过负荷能力，不降低运送旅客的能力，使地铁正常运行。③牵引机组（牵引变压器、硅整流器）的过负荷能力为：100%

In 连续运行； 150%

In 2h； 300%

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In 1min。

按上述原则选择牵引变电所的容量，既充分利用了牵引机组的额定容量，又充分发挥了牵引机组的过负荷能力。牵引负荷为一非连续性的负荷，应按有效值进行计算。

(2)谐波治理 谐波是牵引供电系统由交流变为脉动直流时必然要产生的高次交流成分，交流成分的脉波数和大小与整流的脉波数有关。用等效24脉波整流来抑制谐波的干扰，已满足规程标准要求，同时也完全符合电磁兼容性的要求，无霈另加其他措施。

(3)选址原则 牵引变电所位置的选择，应遵循以下原则进行：

①对于地下线路，如果地面有地方，牵引变电所设于地面比较合适，以便于运营维护。在线路通过人口稠密、商业繁华的地区时，线路需从地下通过。要在这样地区的地面上找到设置牵引变电所的地方确实很困难。地下车站降压变电所是一定要建在地下的，故而对岛式车站一般将牵引变电所和降压变电所合建于地下车站的站台端比较合适。

②地下车站设置牵引变电所时，一般位于车站站台端，或建于车站一侧端头井以里；地面车站设置牵引变电所时，宜与地面站务用房合建。 ③牵引变电所的设置应首先考虑有列车检修线的车站一端，检修线应由专用回路供电，列车夜间检修时，不影响线路的正常停电维修。

④地下车站牵引变电所应和车站主排水站分别设于车站的两端，以免牵引变电所的地下通道渗水。

3.4 牵引网

3.4.1 概述

牵引网有两部分组成：正极接触网供电；负极走行轨回流。从接触网的结构形式

分，接触网可分为接触轨和架空接触网两种基本形式。

（1）接触轨 根据接触轨与电动车辆受流器的接触面位置不同，接触轨可以分为3种形式：上部授流接触轨、下部授六接触轨和侧部授流接触轨。目前接触轨的材质有两种，一种为低碳钢接触轨，一种为钢铝复合接触轨。低碳钢轨的电阻率为

0.125??mm/m2，低碳钢接触轨在早期地铁多采用，随着科学技术的发展，目前广

泛采用重量轻、导电性能好的钢铝复合轨作为接触轨的材料。

（2）架空接触网 根据接触悬挂结构的不同，架空接触网可分为刚性悬挂和柔性悬挂两种形式。刚性悬挂接触网，适用于地下线路，刚性接触网的最大优点是结构简单、占用空间小、载流量大、不易产生断线、寿命长、电阻低，接触网压降小等优点，因此适用于地下线路。柔性悬挂接触网，用于地下线路由于受地下空间的限制，多采

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用占用空间小的两种悬挂形式：全补偿简单链形悬挂，承力索和接触导线皆设补偿装置；补偿简单弹性悬挂，采用弹性腕臂，接触导线进行补偿。

3.4.2 接触轨和架空接触网的比较

接触轨和架空接触网各自有其优缺点，下面定性地加以分析。

接触轨的主要优点是：寿命长，可长期使用；低碳钢材质的接触轨造价低廉；维修量极小或基本不用维修；在地面对城市景观没有影响；不受恶劣气象的影响，因设有防护罩，使用安全；采用1500V接触轨可适用于任何运量的线路。

接触轨的主要缺点是：电动车辆不能脱离电源，当然，随着技术的发展以后可以改进；采用750V电压，适用于中小运量的线路，对于大运量的线路，使得牵引变电所的距离较近。一般在车辆编组总重量在300t（定员）左右时，采用750V接触轨供电比较合适。

架空接触网的主要优点是：人身安全性较好，车辆可随时落弓脱离电源；电压较高，适用于大运量系统供电，一般在车辆编组总重量在400t（定员）左右时，采用1500V架空接触网比较合适。 架空接触网的主要缺点是：维修工作量大，需经常进行夜间巡视检查和维修；容易局部磨损，寿命较短，要定期更换；在地面线，对市容景观有不利的影响。并且易受外界气候条件的影响，尤其是冰雪和风力影响。

通过以上分析**地铁一号线采用1500V接触轨供电，采用下部授流方式。1500V接触轨广州地铁已经采用，技术上没有问题。

第4章 杂散电流

4.1 概述

杂散电流，即走行轨中泄漏、不经过正常回路的电流，是指直流牵引供电系统中，以走行轨作负极回流导体的供电网络，在列车实际运行中，有少量泄漏电流不沿回流钢轨回到牵引变电所的负极，而是从轨道泄漏到地中，再沿着大地回到牵引变电所或根本不回到牵引变电所，流向大地的低电位处杂散电流也称为地中电流或迷流，称之为迷流。只能从金属腐蚀的现象判断其大小和流向，既不知道它的来源，也不知其去处。

对杂散电流的治理，首先是加强防护，其次是排流，采取“以防为主、以排为辅、

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防排结合，加强监测”的原则。

4.2 杂散电流的产生

杂散电流的产生和其他电流的产生一样，都是由于存在电位差才产生电流。列

车运行时，作为回流网的走行轨，对地产生电位，而走行轨对地存在过渡电阻，因而会产生杂散电流。走行轨中列车取流处的电位最高，牵引变电所回流处电位最低，走行轨对地电位不等于走行轨电压降，只是其1/2；双边供电时杂散电流是单边供电时的1/4。

杂散电流的大小由两个条件决定：一是走行轨对地电位；二是走行轨对地过渡电阻，显然，走行轨对地电位越高，杂散电流越大，过渡电阻越高，杂散电流越小。

沿走行轨回流的电流沿途连续向地中泄漏，之后又相继流回走行轨。所以沿走行轨中的回流电流是两端多而中间少，地中电流是两端少而中间多，杂散电流是逐渐入地而又逐渐流回走行轨。在列车和牵引变电所的中点处电位为零，此时虽然没有泄漏电流，但是这一点结构钢筋中的杂散电流总量却是最大。实际上，杂散电流的分布并非那样理想，因为走行轨和结构钢筋间的过渡电阻并非是均匀介质。

4.3 杂散电流的防护

杂散电流防护并非某一个专业所能完成的，需要多专业、多工种的协调配合，对

不同的专业采取不同的措施，以达到防护的目的， 其中对供电专业的主要要求有：

①牵引变电所站位的布置，应符合规程允许电压损失的要求。 ②牵引网构成，应保证在正常运营时双边供电的要求。

③当一座牵引变电所故障解列时，应能采用大双边供电方式，避免单边供电，以降低走行轨对地的电位，减小杂散电流。

④为降低走行轨的纵向电阻，区间每隔400m左右应设均流线，均流线应为铜芯绝缘线。

⑤隧道内的金属设备外壳、各种金属管线、隧道结构钢筋不得与走行轨有直接的电气连接。

⑥车辆段应单独设置牵引变电所，在正常运行方式下，其牵引网系统应和正线绝缘隔离。在走行轨绝缘节处设单向导通装置。 ⑦在牵引变电所设置排流设备，需要时进行排流。

⑧为限制走行轨不明原因的电位升高，如果车站安装钢轨电位限制器，其动作应

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同时满足两个条件：走行轨电位高于120V；车站有停靠车辆。

第5章 牵引供电计算

5.1 概述

牵引负荷与一般动力照明负荷不同，有两大特点，即规律性和流动性。牵引供

电计算就是按照这些特点，通过数学分析，从等效、发热、能量守恒的观点出发，找出计算方法。

5.1.1牵引负荷的特点

(1)规律性，牵引负荷最大特点就是它的规律性，包括两个规律：

第一是列车运行有规律，严格按照事先规定好的列车运行图运行。如列车高峰小时车流密度为30对/h，列车发车间隔2min，如一列车在线路某一个位置确定之后，则其他列车的位置也确定了，不能人为假设位置。

二是列车取流有规律，列车在线路运行时，有4种运行方式，即起动、惰行、制动、停车。这4种运行方式在运行中很有规律地重复，即列车离站时起动加速十几秒带电运行，从牵引网取大电流，达到预定速度后电流开始下降，车速越高，电流越小，运行取流几十秒后列车断电，开始靠惯性惰行，进站前列车再生制动，向电网反送电，到站停车十几秒后又起动，如此周而复始。列车在不同的位置．它的运行状态不同，取流大小也不同，这些都是很有规律的，无需人为假设。

(2)流动性，虽然列车运行中在线路的位置随时在移动，却严格遵守列车运行图的规定，两列车之间距离是固定的，即不可能出现两列车重叠的现象，否则就要追尾撞车，在运行中是绝对不可能发生的。

牵引供电计算方法 :

根据牵引负荷的特点，目前有两种计算方法：平均运量法和运行图法。这两种计算方法都是建立在牵引计算结果的基础上，都

是从电流的等效、发热的观点出发进行计算的。这两种计算方法，对于地铁牵引供电设计均可采用。只是后者对计算瞬时值比较直观，前者对计算有效值比较直接。 ①平均运量法。这一方法是建立在概率论的基础上，即列车在线路上是均匀分布的，因列车运行的规律性，从列车平均电流、有效电流，计算馈线平均电流、有效电流，利用方差定律计算牵引变电所的有效电流。

②运行图法。这一方法是建立在列车运行图基础上的，严格按照列车运行图和列

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车所在位置的电流值，计算出馈线在不同时间的电流值，画出馈线电流曲线，并计算出馈线有效电流和变电所有效电流。这一计算方法很繁杂，下面的计算采用平均运量法。

5.2 平均运量法

牵引供电计算在地铁供电方案的构成中占有很重要的地位，因为它关系到供电

系统及牵引供电方式的构成，牵引变电所的分布、数量及容量的选择。 在按平均运量法进行牵引供电计算时，其主要参数的平均值与有效值之间的关系应符合方差定律。这些参数为列车平均电流、列车有效电流、馈线平均电流、馈线有效电流、牵引变电所母线平均电流和牵引变电所母线有效电流。 按平均运量法的计算有3个基本假设条件： ①列车在馈电区间的分布是均匀的，列车数量不变，并等于平均列车数。 ②在线路上列车是运动的，其相互位置是受运行图的制约，即不可能两列车重合在一起。

③列车电流在区间是任意变化的，但其列车平均电流和有效电流是不变的，对某一固定区间而言，其能耗是固定的。以一定的速度把一定重量的旅客从一个车站运送到另一个车站耗费的能量是一定的。

用平均运量法进行牵引供电计算时，应有以下数据： ①车流密度N（对/h），每小时发车对数。 ②列车编组M?T（辆），一列车编组车辆数。 ③动车自重M(t)、定员人数(a)。 ④拖车自重T(t)、定员人数(b)。 ⑤列车平均运行速度(km/h)。 ⑥牵引网额定电压

UC(kV)。

⑦牵引网单位阻抗r?Ω/km?。

⑧列车单位能耗ΔA?kW?h/?t?km??。

⑨供电距离L(km)。

5.3 用平均运量法对罗家庄牵引变电所的计算

(1)根据设计方案及工程实践确定的已知数据

① 列车单位能耗?A=0.06kW?h/(t?km)

② 动车数x=4，动车自重M=37(t)，动车每节载客人数a=247

③ 拖车数y=2，拖车自重T=27(t)，托车每节载客人数b=247

④ 列车质量G=x(M?0.06a)?y(T?0.06b)(t)，带入数据得G=291(t) ⑤ 牵引网额定电压

UC=1.5(kV)，牵引网单位电阻r?0.009(?/km)

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⑥ 列车平均运行速度v?40(km/h) ⑦ 列车对数N=30对/h

⑧ 罗家庄站四个供电段的供电距离L1=4.81km，L2=4.80km，L3=3.69km，

L4=3.7km

⑨ 列车区间电流间断系数?=3，有效系数kx=1.15?=3.45

kk⑩ 牵引网损耗加大系数c=1.05；列车自用电加大系数?，有空调时取1 (2)牵引计算公式及结果 ① 列车区间平均电流

利用列车单位能耗计算列车运行区间平均电流的计算公式为：

?AGvI?(A)Uc

0.06?291?40I??1.5代入数据： 465.60(A)

② 区间平均列车数 NtNLms??Tv 单行平均列车数为：

30?4.8130?4.80m1??3.61m2??3.604040分别代入数据：， 30?3.6930?3.70m3??2.77m4??2.784040 ，

③ 区间行走时间

Lt?60(min)v

4.814.80t1?60??7.22t2?60??7.20（min）（min）4040分别代入数据：，

3.693.70t3?60??5.54t4?60??5.55（min）（min）4040 ，

2④ 牵引变电所馈线平均电流

mI2 双边供电时：

3.61?465.60IA1??840.41(A) 2 分别代入数据：

3.60?465.60IA2 ??838.08(A) 2

2.77?465.60IA3??644.86(A) 2

2.78?465.60IA4??647.18(A) 2

IA?

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⑤ 牵引变电所馈线有效电流

?1.33kx?1?IxA?IA?1??m?? 双边供电时 2?1.33?3.45?1?IxA1?840.412?1??3.61???1408371.51 分别代入数据：

2222?1.33?3.45?1?IxA2?838.082?1??3.60???1402512.47 2?1.33?3.45?1?IxA3?644.832?1??2.77???954476.80

2?1.33?3.45?1?IxA4?647.182?1??2.78???959494.59

由上式可得： IxA1=1186.75(A)，IxA2=1184.28(A)

IxA3

=976.97(A)，IxA4=979.54(A)

⑥ 牵引变电所母线有效电流

在进行牵引变电所母线有效电流计算时，应符合方差定律，即总量方差等于各分量方差之和。数学公式表达为：

IxA4IA4I22x??I2A?式中 Ix?2I A?—牵引变电所总平均电流的二次方；

IxA1IA1

—牵引变电所母线总有效电流的二次方；

??I2x???I2A?

?I

2x?—牵引变电所馈出线各分量有效电流的二次方之和；

?I2A?—牵引变电所馈出线各分量平均电流的二次方之和。

Ix?

罗家庄牵引变电所为4路馈出，牵引变电所母线总有效电流

IxA3、IA3、IA4表示为： IxA2、IxA4和馈线平均电流表IA1、IA2 、电流IxA1、A2 用4路馈线有效

22222II?IA1IA4IA2 II x?=IxA1+IxA2+IxA3+IxA4+2(IA1I?IA1++IA2 IA4+IA4)

牵引变电所母线总有效电流

2IIx? =

根据以上数据及公式进行计算：

A3A3A3x?IxA4IxA1?I2x?=1408371.51+1402512.47+954476.80+959494.59=4724855.37

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?IIA1IA42A?=

(840.40)2?(838.08)2?(644.86)2?(647.18)2=2243336.62

= 1408371.51+1402512.47+954476.80+959494.59+2×(840.41×838.08+840.41×644.86+840.41×647.18+838.08×644.86+838.08×647.18+644.86×647.18)=11305550.42

I

最终可得： x?=3362.37(A)

⑦ 牵引变电所功率 代入数据：

⑧ 牵引变电所容量 IA?I2x?=2970.53(A)

P??1.05?1?1.5?3362.37?5295.73P??kck?UcIx?kw S?1.1P?(kVA) ?

S?1.1?5295.73?5825.30(kVA)代入数据： ?

⑨ 列车给电运行时弓上电压损失平均值

ILr2??1?us?A(1?)6m 双边供电时

840.41?4.81?0.0092?3?1?us1?(1?)?14.46V63.61分别代入数据得： 838.08?4.80?0.0092?3?1?us2?(1?)?14.41V63.60

644.86?3.69?0.0092?3?1?us3?(1?)?10.01V62.77

647.18?3.70?0.0092?3?1?us4?(1?)?10.05V62.78

⑩ 牵引网平均电压损失与最大电压损失

ILr1?us?A(1?)6m 牵引网平均电压损失：

840.41?4.81?0.0091?us1?(1?)?7.74V63.61分别代入数据得：

838.08?4.80?0.0091?us2?(1?)?7.71V63.60

644.86?3.69?0.0091?us3?(1?)?4.86V62.77

647.18?3.70?0.0091?us4?(1?)?4.88V62.78

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双边供电时牵引网最大电压损失发生在馈电区中点，有：

ILr1?uS max?A(1?)4m

840.41?4.81?0.0091?uS max1?(1?)?11.61V43.61分别代入数据得：

838.08?4.80?0.0091?uS max2?(1?)?11.57V43.60

644.86?3.69?0.0091?uS max3?(1?)?7.29V42.77

647.18?3.70?0.0091?uS max4?(1?)?7.33V42.78 第6章 直流短路计算

6.1 概述

6.1.1地铁直流短路计算的特点

①电源多。地铁牵引供电系统，由多个牵引变电所和牵引网构成一个多电源的网络，当发生短路时，并非只靠近短路点的两座牵引变电所供电，而是全线的牵引变电所都向短路点供电。

②回路多。根据运营需要，每个供电区间都可以进行单边供电或双边供电、大双边供电等多种运营方式。故使地铁牵引网的供电回路多，牵引供电网络复杂。

③参数多。因为电源多、回路多、供电方式多，决定了牵引网回路的参数多。这些参数决定短路时短路电流的大小及电流上升率。

6.1.2直流短路计算的内容

(1)直流短路电流计算，应计算发生短路时以下量值： i稳态短路电流Ik；瞬时短路电流t；时间常数T计算；电流上升率di/dt；牵引变电所内阻?。

(2)直流短路计算的假设条件

供电网络中，电源电压U相同；牵引变电所为电压源，其内阻?因不同的短路点

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而有不同的数值。

(3)直流短路计算的已知条件

牵引变电所直流母线电压U(V)；牵引变电所内阻?（?）；牵引网电阻R(?)。 (4)电路图法计算步骤

①按实际供电网络画等效电路图； ②进行网络变换；

③分清网孔数目及其自阻和互阻； ④按等效电路图的网孔数列回路方程式； ⑤解联立方程组，求出未知数。

6.2 电路图法

考虑相邻两侧牵引变电所影响的正常双边供电。其等效电路图可表示为6-1所示、网络变换如图6-2所示。

图6-1 考虑相邻两侧牵引变电所影响等效电路图

图6-2 网络变换等效电路图

按图6-2网孔①②③④列四个独立回路方程

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回路1 I1R11?I2r3?I3?1?U (6-1) 回路2 I2R22?I1r3?I4?2?U (6-2) 回路3 I3R33?I1?1?0 (6-3) 回路4 I4R44?I2?2?0 (6-4)

R1R3R1?R2?R3 其中

R2R3r2?R1?R2?R3

R1R2r3?R1?R2?R3 可求出I1：

UI1?2?1(R11?r3?)r32?1R33R11??2?2R33R22?r3?R44 由上式最终可得：

r1?R11?r3?I2?I1R22?r3?I3?I1??21R3322?R44

1

I4?I2R33

?2R44

IK?I1?I2

6.3 对罗家庄站两边的供电区间进行短路计算

2ekUn81.65?1??2??3?kr??1???0.0346?1000.9?nST1000.9?2?3.5

2ekUn81.652?4?kr??1???0.0691?1000.9?nST1000.9?1?3.5

走行轨选择50kg/m的钢轨，每千米的电阻为0.02Ω，上下行并联后走行轨电阻为0.0100?/km。接触轨电阻为0.0090?/km。选择上行线进行短路计算，不受短路点影响的电阻值有：

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2

R3?0.009?4.8?0.0432? R6?0.004?54.9?0.022?1 R7?0.01?4.9?0.0490? R8?0.004?53.7?0.016?7

0 R9?0.01?3.7?0.037?在距罗家庄站4500米处发生短路。

7 R2?0.00?94.5?0.040?5 R1?0.009?0.3?0.002?R4?0.01?0.3?0.0030?

R5?0.010?4.5?0.0450?

R1R30.0027?0.0432??0.0014?R1?R2?R30.0027?0.0405?0.0432

R2R30.0405?0.0432r2???0.0203?R1?R2?R30.0027?0.0405?0.0432 R1R20.0027?0.0405r3???0.0013?R1?R2?R30.0027?0.0405?0.0432

R11??1?r1?r3?R4?0.0346?0.0014?0.0013?0.0030?0.0403? R22??2?r2?r3?R5?0.0346?0.0203?0.0013?0.0450?0.1012? R33??1?R6??3?R7?0.0346?0.0221?0.0346?0.0490?0.1403? R44??2?R9?R8??4?0.0346?0.0370?0.0167?0.0691?0.1574?

所以：

U1650I1???33494A20.03462?10.0403?0.0013?）?0.00132（(R11?r3?)r320.03460.1403?R330.0403??2R11?1?20.03460.1403?R330.1012?0.0013?R22?r3?20.1574R44r1?0.034620.0403?0.0013?R330.1403?11057I2?I1?A2?334940.03462?20.1012?0.0013?R22?r3?0.1574R44

?0.0346I3?I11?33494??8260AR330.1403 ?0.0346I4?I22?11057??2431AR440.1574

I、I、II、I、I、I由1234可方便的求出流经馈线开关的短路电流K1K2K3，各牵引变电

I所供出的短路电流?，流经短路点的总短路电流IK。

R11?r3?1?2I、I、I流经馈线开关的短路电流K1K2K3的计算：

Ir?(I1?I2)r333494?0.0014?(33494?11057)?0.0013IK1?11??38818AR10.0027 Ir?(I1?I2)r311057?0.0203?(33494?11057)?0.0013IK2?22??6536AR20.0432

-32-

I1r1?I2r233494?0.0014?11057?0.0203???4110AR30.0432

I各牵引变电所供出的短路电流?：

I?1?IK1?IK3?I3?38818?4110?8260?26448A

I?2?I2?I4?11057?2431?8626A

I?3?I3?8260A I?4?I4?2431A

流经短路点的总短路电流IK： IK3?

同理可算出其他点短路的相关数据： 短路点 位置 数据 名称 Ik1(A) IK?IK1?IK2?38818?6536?45354A 4.5km 3.5km 2.5km 1.5km 0.5km 38818 6536 45354 26448 8626 8260 2431 34567 16112 43826 24318 14378 7863 4051 25679 23870 37628 19272 18666 6280 5259 20376 27823 44206 16384 20367 5732 5864 15312 40386 45832 14762 24883 5083 6399 Ik2(A) Ik?(A) I?1(A) I?2(A) I?3(A) I?4(A) 第7章 结论

经过了数月的调查与研究,终于完成了这篇论文,在此对我做的工作做出一些总结。在目前中国的地铁供电系统中，不同的城市有不同的方案，要因地制宜选择适合自己城市交通状况的供电方式。城市轨道供电系统供电的高可靠性、多电源点接入、建设的周期长，成为轨道交通建设和规划中优先考虑的问题。轨道交通供电的特点是：供电可靠性要求高、接入电源点多；而轨道沿线地区经济发达，土地资源宝贵。所以，轨道交通供电系统的选址和落实成为轨道交通建设的重点和难点，是规划和建设中首

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要考虑的问题。通过对城市轨道交通的外部电源供电方式、中压供电网络的电压等级、电压等级个数的选择， 和运行方式进行分析比较，从建设和运营的经济性出发，结合**市实际，作出了**的城市轨道交通的合适的供电方案。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ji8f.html