第1章绪论本章共分为四节，分别介绍城市轨道交通供电系统继电保护的作用、原理、基本要求、分类及发展概况。通过本章内容的学习，了解城市轨道交通供电系统的功能和结构，掌握城市轨道交通供电系统继电保护的作用、工作原理和要求等。1.1城市轨道交通供电系统继电保护的作用1.1.1城市轨道交通城市轨道交通(urban rail transit)是指采用专用轨道导向运行的城市公共客运交通系统，包括地铁系统、轻轨系统、单轨系统、有轨电车、磁浮系统、自动导向轨道系统和市域快速轨道系统。城市轨道交通的定义包含了两个层面的含义：①城市轨道交通是指城市公共客运交通系统中的轨道交通系统。城市客运交通可分为个体交通和公共交通。自行车、摩托车、小汽车等属于个体客运交通方式。公共汽车、公共电车、城市轨道交通等属于公共客运交通方式。这里所说的城市轨道交通是指城市公共客运交通系统中的轨道交通系统。②采用专用轨道导向运行。构成城市轨道交通的各个类别有一个共同的特点，就是由"专用轨道"来导向。轨道包括熟悉的钢轮钢轨系统中由钢轨、扣件和轨枕组成的专用轨道，也包括其他形式的专用轨道。城市轨道交通的分类是根据城镇建设行业标准《城市公共交通分类标准》(CJJ/T114—2007)的规定确定的。在中国国家标准《城市公共交通常用名词术语》中，将城市轨道交通定义为"通常以电能为动力，采取轮轨运转方式的快速大运量公共交通之总称"。目前城市轨道交通主要有三种：地铁、轻轨和独轨。1)地铁地铁是地下铁道交通的简称，它是一种在城市中修建的快速、大运量的轨道交通，通常以电力牵引，其单向高峰小时客运能力可达30000人次以上，它的线路通常设在地下隧道内，有的在城市中心以外地区从地下转到地面或高架桥上。2)轻轨城市轻轨交通是在老式的地面有轨电车的基础上发展起来的，与一般的铁路相比，其轨道和车辆都是轻型的，运输系统也相对比较简单，较适宜于中等运量的城市客运交通。国外开发的城市轻轨交通系统主要有三种类型：旧车改进型、新线建设型和新交通系统型。轻轨有以下特征。(1)以钢轮和钢轨为车辆提供走行，车辆以电力提供牵引动力，可以采用直流、交流或线性电机驱动。(2)建设费用比地铁少，每公里线路造价仅为地铁的1/5～1/2。(3)每小时单向运输能力一般为2万～4万人次，介于地铁和公共汽车之间，属于中等运能的一种公共交通形式。(4)线路可以为地面、地下和高架混合型，一般与地面道路隔离，采用半封闭或全封闭专用车道。(5)车辆有单节4轴车、双节单铰6轴车和3节双铰8轴车等。(6)对车辆和线路的消音和减振有较高要求。(7)电压制式以直流750V架空线(或第三轨)供电为主，也有部分采用直流1500V和直流600V供电。(8)车站分为地面、高架和地下三种形式。3)独轨独轨交通的设想早在19世纪末已经形成。1901年德国鲁尔地区的三个工业城市之间，在险峻的乌珀河谷上空建成了一条快速交通线，车辆吊在架空的导轨下面，沿着导轨行驶，后来三市合并成为乌珀塔尔市，这个独轨交通系统成为该市的一个标志。独轨交通作为城市公共交通，开始进展比较缓慢。日本从德国引进专利后，近三十年开发了多种独轨铁路，在世界城市轨道交通中独树一帜。我国重庆市从日本引进了独轨交通系统。独轨交通采用高架轨道结构，按结构型式分为跨坐式和悬挂式两种类型。前者车辆的走行装置(转向架)跨骑在走行轨道上，其车体重心处于走行轨道的上方。后者车体悬挂于可在轨道梁上行走的走行装置的下面，其重心处于走行轨道梁的下方。无论采用地铁、轻轨还是独轨的方式，城市轨道交通均由多种设备系统组成，不同的设备系统担负轨道交通的不同功能。以地铁为例，包括车辆(RST)、车辆段设备(WSH)及供电设备。其中，供电设备又分为：交流高中压(HMV)，牵引供电(TPS)，接触网(OCS)，电力监控(SCA)，线路(轨道)，通信(TEL)，信号(SIG)，车站设备监控(BAS)，防灾报警(FAS)，气体灭火系统(GFS)，环控系统(ECS)，电、扶梯(ESC)，屏蔽门(PSD)，自动售检票系统(AFC)等。1.1.2城市轨道交通供电系统城市轨道交通供电系统是为城市轨道交通运营提供所需电能的系统，它不仅为城市轨道交通电动列车提供牵引用电，还为城市轨道交通运营服务的其他设施提供电能，如照明、通风、空调、给排水、通信、信号、防灾报警和自动扶梯等。城市轨道交通供电系统由两大部分组成：一部分为由城市电网引入的电源；另一部分为城市轨道交通内部供电系统，即通常所说的供电系统，包括主变电所、牵引供电系统、动力照明供配电系统和电力监控系统。城市轨道交通供电系统对城市电网是用户，对城市轨道交通内部的用电设备是电源。作为城市电网的一个重要用户，城市轨道交通供电系统直接从城市电网取得电能，无须单独建设电厂。城市电网对城市轨道交通供电的电压等级有110kV、63kV、35kV和10kV，20kV电压等级也已作为方案被提出。究竟采用哪一种电压等级，由不同城市电网构成的特点和城市轨道交通的实际需要而定。1.城市电网对城市轨道交通的供电方式城市电网对城市轨道交通的供电方式有三种：集中式供电、分散式供电和混合式供电。1)集中式供电城市轨道交通在其线路附近建设自己专用的主变电所，由主变电所通过中压环网向各个地铁车站的变电所提供中压电能，各个车站变电所再通过整流(或降压)，为地铁列车及车站动力照明设备提供电能，这种供电方式称为集中式供电。主变电所电压等级根据地区不同而有差异，一般为110kV，东北地区为63kV。我国南方城市如上海、广州、深圳和南京等城市的轨道交通，多采用110/35kV集中式供电。主变电所数量根据城市轨道交通线路的长短而有所调整，可以建设一座或几座。采用集中式供电方式，除了考虑主变电所的负荷平衡，还应考虑与其他城市轨道交通线路的资源共享，一个主变电所可为几条线路同时供电，其站位应尽量在几条线路的交汇点。2)分散式供电沿城市轨道交通线路从城市电网直接引入城市轨道交通所需要的电源，这种供电方式称为分散式供电。因35kV电压等级在城市电网中将逐步消失，而20kV电压等级城市电网还没有确立，分散式供电引入电源的电压等级多为10kV电压等级，如北京地铁和大连轻轨等。3)混合式供电混合式供电是一种以集中式供电为主，分散式供电作为补充的供电方式。这种供电方式也只能是10kV电压等级。鉴于国内城市轨道交通供电系统绝大部分采用了集中式供电方式，本书将主要以采用此种供电方式的供电系统为基础进行内容讲解。2.城市轨道交通供电系统的构成对于采用集中式供电的城轨供电系统，由以下几部分构成。 (1)主变电所，即为城市轨道交通建设的专用变电所，只有采用集中式供电时才设置，专为城市轨道交通牵引供电系统和供配电系统供电。主变电所一般沿城市轨道交通线路靠近车站的位置建设，以便于电缆线路的引入。 (2)中压网络，是联系主变电所、牵引变电所、降压变电所的供电网络，一般采用电缆线路、环网供电方式。 (3)牵引供电系统，为电动车辆提供动能，由牵引变电所，以及沿线敷设的牵引网、接地系统等组成。 (4)动力照明供配电系统，专为城市轨道交通除电动车辆以外的所有动力照明负荷供电，如车站和区间的动力、照明及其他为城市轨道交通服务的自动化用电设施，包括降压变电所、低压配电系统。(5)电力监控系统，对全线变电所及沿线供电设备实行集中监视、控制和测量，由控制中心、通信通道和被控站系统组成。控制中心由数据服务器、通信前置机、工程师工作站及模拟盘显示器等组成，完成对采集数据的分析、计算、存储、设备状态监视以及控制命令的发送等功能。被控站系统由变电所上位PLC或后台计算机、所内通信通道及下位PLC组成，完成对设备状态、信号等数据的采集、整理、简单分析计算及所内控制等功能。牵引供电系统和动力照明供配电系统的电源电压一般是一致的，但由于不同城市的电网结构不同，导致各城市地铁供电系统电源电压等级不同，如北京地铁、平壤地铁为10kV，广州地铁、南京地铁为35kV，巴黎地铁为15kV，莫斯科地铁为10kV，纽约地铁为34.5kV，德黑兰地铁为20kV。牵引供电系统和动力照明供配电系统电源电压也有不相同的，如上海地铁和香港地铁，牵引供电系统电源电压为33kV，动力照明供配电系统电源电压为10kV。目前，国内一般将牵引变电所和降压变电所合建在一起。因此，牵引供电系统和供配电系统是城市轨道交通供电系统不可分割又相互联系的两个组成部分，以下统称城轨供电系统。1.1.3城市轨道交通供电系统继电保护1.继电保护的概念包括城轨供电系统在内的电力系统在运行中，可能发生各种故障和不正常运行状态，最常见同时也是最危险的故障是发生各种形式的短路。短路时可能产生以下后果。(1)通过故障点的很大的短路电流及其燃起的电弧，使故障元件损毁。(2)短路电流流过非故障元件时，由于发热和电动力的作用，引起设备损坏或使用寿命缩短。(3)系统中部分区域的电压大大降低，破坏其他用户工作的稳定性，破坏系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使整个系统瓦解。系统中电气元件的正常工作因某种原因发生故障，但没有遭到破坏，把这种情况称为不正常运行状态。例如，因负荷超过电气设备的额定值而引起的电流升高就是一种最常见的不正常运行状态。不正常运行状态使元件载流部分和绝缘材料的温度不断升高，加速绝缘的老化和损坏，就可能发展成故障。此外，系统中出现功率缺额而引起的频率降低，发电机突然甩负荷而产生的过电压，以及电力振荡等，也都属于不正常运行状态。故障和不正常运行状态，都可能在电力系统中引起事故。事故就是指系统或其中一部分的正常工作遭到破坏，并造成对用户少送电或电能质量变坏到不能容许的地步，甚至造成人身伤亡和电气设备的损坏。系统事故的发生，除了自然条件的因素(如遭受雷击等)，一般都是由于设备制造上的缺陷、设计和安装的错误、检修质量不高或运行维护不当。因此只要充分发挥人的主观能动性，正确地掌握客观规律，加强对设备的维护和检修，就可以大大减少事故发生的概率，把事故消灭在发生之前。在设计、制造、安装以及运行维护的整个生命周期内，应采取各项积极措施消除或减少发生故障的可能性，故障一旦发生，必须迅速而且选择性地切除故障元件，这是保障电力系统安全运行的最有效方法之一。切除故障的时间常要求小到十分之几甚至百分之几秒，靠人工反应和操作几乎很难实现，实践证明只有在每个电气元件上装设保护装置才有可能满足这个要求。在最初这种保护装置大多是由单个继电器或继电器及其附属设备的组合构成，称为继电保护装置。在电子式静态保护装置和微机保护装置出现之后，虽然继电器已被电子元件或计算机所代替，但仍沿用此名称。在电力部门常用继电保护一词泛指继电保护技术或由各种继电保护装置组成的继电保护系统。继电保护装置一词则指各种具体的装置。继电保护装置，就是指能反应出电力系统中所发生的故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。2.继电保护的任务继电保护的任务包括以下三点。(1) 自动、迅速地将故障元件从电力系统中识别并切除，使故障元件免于继续遭到破坏，同时保障其他无故障部分迅速恢复正常运行。(2)反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件(如有无经常值班人员)，而动作于发出信号、减负荷或跳闸。此时一般不要求保护迅速动作，而是根据电力系统及其元件的危害程度规定一定的延时，以免不必要的动作和由于干扰而引起的误动作。(3)与自动重合闸配合，恢复由于瞬时自消性故障引起的保护动作跳闸，迅速恢复供电，提高供电性。3.城轨供电系统继电保护作用在城市轨道交通的运营中，供电一旦中断不仅会造成城市轨道交通运输的瘫痪，还会危及乘客生命安全和造成财产的损失。因此，高度安全、而又经济合理的电力供给是城市轨道交通正常运营的重要保障和前提。城市轨道交通供电系统作为电力系统的一个组成部分，为城市轨道交通列车提供牵引电能，为城市轨道交通车站提供动力照明电能。城轨供