城市轨道交通供电系统研究附Matlab代码

最新推荐文章于 2025-07-21 16:05:05 发布

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🔥 内容介绍

城市轨道交通作为一种高效、便捷、环保的城市公共交通方式，在现代城市发展中发挥着至关重要的作用。而供电系统作为城市轨道交通的动力核心，其可靠性、稳定性和高效性直接关系到整个轨道交通系统的安全运行和服务质量。本文深入研究了城市轨道交通供电系统的组成结构、工作原理、常见故障及应对策略，并对未来供电系统的发展趋势进行了展望，旨在为城市轨道交通供电系统的优化设计、运行维护和技术创新提供理论支持和实践指导。

关键词：城市轨道交通；供电系统；可靠性；发展趋势

一、引言

（一）研究背景与意义

随着城市化进程的加速，城市人口不断增长，交通拥堵和环境污染问题日益严重。城市轨道交通以其大运量、高速度、低能耗、低污染等优势，成为解决城市交通问题的重要手段。在城市轨道交通系统中，供电系统是不可或缺的关键组成部分，它为列车运行、通信信号、照明通风、自动扶梯等各个子系统提供电力支持。一旦供电系统出现故障，将可能导致列车晚点、停运，严重影响城市轨道交通的正常运营，给城市居民的出行带来极大不便，甚至可能引发安全事故。因此，深入研究城市轨道交通供电系统，提高其供电可靠性和稳定性，对于保障城市轨道交通的安全、高效运行具有重要的现实意义。

（二）国内外研究现状

国外研究现状

国外在城市轨道交通供电系统领域的研究起步较早，技术相对成熟。例如，德国、日本、法国等国家在高速铁路和城市轨道交通供电技术方面处于世界领先水平。他们在供电系统的设计、设备制造、运行管理等方面积累了丰富的经验，研发出了一系列先进的技术和设备。如德国西门子公司的中压供电系统，采用了先进的智能控制技术和故障诊断系统，能够实现对供电系统的实时监测和精准控制，有效提高了供电可靠性。日本在牵引供电系统方面，通过采用新型的接触网材料和悬挂方式，降低了接触网的电阻和磨损，提高了电能传输效率。

国内研究现状

近年来，随着我国城市轨道交通建设的快速发展，国内对城市轨道交通供电系统的研究也取得了显著进展。国内高校和科研机构在供电系统的优化设计、节能技术、故障诊断等方面开展了大量研究工作。例如，一些高校通过建立供电系统的数学模型，运用优化算法对供电系统的参数进行优化，以提高供电系统的运行效率和可靠性。在节能技术方面，国内研究人员提出了多种节能措施，如采用再生制动能量回收技术，将列车制动时产生的能量回馈到电网中，实现了能量的回收利用，降低了能耗。同时，国内企业也在不断加大对供电设备研发的投入，提高了供电设备的国产化水平，部分设备的性能已经达到或接近国际先进水平。

（三）本文主要研究内容与结构

本文主要对城市轨道交通供电系统进行全面深入的研究，具体内容如下：

详细阐述城市轨道交通供电系统的组成结构，包括外部电源、主变电所、牵引供电系统、动力照明供电系统等各个部分的功能和工作原理。

分析供电系统在运行过程中可能出现的常见故障，如短路故障、过电压故障、设备老化故障等，并针对这些故障提出相应的应对策略和故障诊断方法。

研究提高城市轨道交通供电系统可靠性的技术措施，如采用冗余设计、优化供电网络结构、加强设备维护管理等。

对城市轨道交通供电系统的发展趋势进行展望，探讨未来供电系统在智能化、节能化、绿色化等方面的发展方向。

本文的结构安排如下：

第一章为引言，介绍研究背景与意义、国内外研究现状、本文主要研究内容与结构。

第二章为城市轨道交通供电系统组成与原理，详细阐述供电系统各部分的组成结构和工作原理。

第三章为供电系统常见故障及应对策略，分析常见故障类型并提出相应解决方法。

第四章为供电系统可靠性提升技术，探讨提高供电系统可靠性的各种技术措施。

第五章为供电系统发展趋势展望，对未来供电系统的发展方向进行预测和分析。

第六章为结论与展望，总结本文研究成果，指出研究中存在的不足，并对未来研究方向进行展望。

二、城市轨道交通供电系统组成与原理

（一）外部电源

电源引入方式

城市轨道交通外部电源的引入方式主要有集中式供电、分散式供电和混合式供电三种。集中式供电是指在城市轨道交通沿线设置若干座主变电所，由城市电网的区域变电站向主变电所供电，主变电所再向各牵引变电所和降压变电所供电。分散式供电则是不设置主变电所，直接由城市电网的中压配电网向各牵引变电所和降压变电所供电。混合式供电是集中式供电和分散式供电的结合，部分车站采用集中式供电，部分车站采用分散式供电。

与城市电网的连接

城市轨道交通外部电源与城市电网的连接需要考虑多个因素，如供电可靠性、电能质量、短路容量等。为了确保供电可靠性，通常采用双电源或多电源供电方式，并设置备用电源自动投入装置。在电能质量方面，需要采取措施抑制谐波、降低电压波动和闪变，以保证城市轨道交通设备的正常运行，同时避免对城市电网造成不良影响。通过合理选择电气设备的参数和进行电网潮流计算，确保城市轨道交通供电系统与城市电网之间的短路容量匹配，保障系统的安全运行。

（二）主变电所

功能与作用

主变电所是城市轨道交通供电系统的核心枢纽，其主要功能是将城市电网送来的高电压（通常为 110kV 或 220kV）降压为中压（一般为 35kV 或 10kV），然后向各个牵引变电所和降压变电所供电。主变电所还承担着对供电系统进行监控、保护和计量的任务，确保供电系统的安全、稳定运行。

电气主接线

主变电所的电气主接线通常采用单母线分段接线或双母线接线方式。单母线分段接线方式简单、投资少，但可靠性相对较低；双母线接线方式可靠性高，可在不停电的情况下进行设备检修和倒闸操作，但接线复杂、投资较大。在实际工程中，需要根据供电可靠性要求、负荷性质、投资成本等因素综合考虑选择合适的电气主接线方式。主变电所内主要设备包括变压器、断路器、隔离开关、互感器、避雷器等。变压器是实现电压变换的关键设备，其容量和电压等级需要根据供电负荷需求进行合理选择。断路器用于切断和接通电路，在故障时迅速切除故障设备，保障系统安全。隔离开关用于隔离电源，便于设备检修。互感器用于测量电流和电压，为保护装置和计量设备提供信号。避雷器用于防止过电压对设备造成损坏。

（三）牵引供电系统

牵引变电所

工作原理：牵引变电所的主要作用是将主变电所送来的中压交流电降压、整流为直流电，为电动列车提供牵引动力。其工作原理是通过变压器将中压交流电降压至合适的电压等级，然后利用整流器将交流电转换为直流电。常用的整流器有二极管整流器和晶闸管整流器，二极管整流器结构简单、可靠性高，但不能调节输出电压；晶闸管整流器可以通过控制晶闸管的导通角来调节输出电压，灵活性较高。

设备组成：牵引变电所内主要设备包括牵引变压器、整流器、开关柜、直流快速开关、接地装置等。牵引变压器是牵引变电所的重要设备之一，其容量和短路阻抗需要根据列车的牵引特性和运行要求进行设计计算。整流器将交流电转换为直流电，其性能直接影响到牵引供电系统的电能质量。开关柜用于控制和保护电路，直流快速开关用于在短路故障时迅速切断直流电路，保护设备和人员安全。接地装置则是保障设备和人员安全的重要设施，通过将设备的金属外壳和接地网连接，确保在发生漏电等故障时，电流能够安全地导入大地。

接触网（轨）

接触网工作方式：接触网是向电动列车供电的重要设备，分为架空式接触网和接触轨两种形式。架空式接触网通过悬挂在轨道上方的导线向列车供电，适用于地下、地面和高架线路。接触轨则是安装在轨道侧面或底部的导电轨，通过列车上的集电靴与接触轨接触获取电能，一般用于地下线路。在架空式接触网中，电流通过接触线、受电弓传输到列车上，为列车提供动力。接触线需要具备良好的导电性、耐磨性和机械强度，以保证可靠的电能传输和长期稳定运行。受电弓是列车与接触网之间的电能传输装置，其性能直接影响到列车的取流质量。在运行过程中，受电弓通过与接触线保持良好的接触，将电能引入列车。为了确保受电弓与接触线之间的可靠接触，需要对接触网的悬挂高度、张力等参数进行严格控制，并定期对受电弓和接触网进行维护检查。

接触轨特点：接触轨与架空式接触网相比，具有结构简单、成本低、安装维护方便等优点。接触轨通常采用低碳钢或铝合金材质，具有较高的导电率和良好的耐磨性。在地下线路中，接触轨安装在轨道侧面或底部，不占用空间，有利于隧道的空间利用。然而，接触轨也存在一些缺点，如防护要求较高，需要采取有效的防护措施防止人员触电和异物侵入。同时，接触轨在运行过程中容易产生电火花，对周围环境和通信信号系统可能会产生一定的干扰。

（四）动力照明供电系统

降压变电所

功能与原理：降压变电所的主要功能是将主变电所送来的中压交流电降压为低压交流电（一般为 380V/220V），为车站和区间的动力设备（如通风空调设备、给排水设备、自动扶梯等）和照明设备提供电力。其工作原理与普通电力变压器类似，通过变压器的绕组匝数比实现电压的变换。降压变电所通常采用双绕组变压器，将中压侧的电压降压后输出到低压侧。在低压侧，通过配电柜将电能分配到各个用电设备。

设备配置：降压变电所内主要设备包括变压器、低压配电柜、电容器补偿装置等。变压器的容量需要根据所供电区域的动力和照明负荷需求进行计算选择。低压配电柜用于对低压电能进行分配、控制和保护，其内部配置有各种开关电器、保护电器和测量仪表。电容器补偿装置用于提高功率因数，降低线路损耗，改善电能质量。通过在低压侧安装电容器，对感性负载进行无功补偿，使系统的功率因数保持在合理范围内。

动力与照明配电

动力配电系统：动力配电系统主要为车站和区间的动力设备供电，如通风空调系统中的风机、水泵，给排水系统中的水泵，自动扶梯等。动力配电系统通常采用放射式和树干式相结合的配电方式。对于重要的动力设备，如消防泵、应急照明电源等，采用放射式配电方式，以确保供电的可靠性；对于一般的动力设备，如普通风机、水泵等，可以采用树干式配电方式，以节省电缆投资。在动力配电系统中，需要设置相应的保护装置，如过载保护、短路保护、漏电保护等，以保障设备和人员的安全。同时，还需要对动力设备的运行状态进行监测和控制，实现设备的自动化运行和节能管理。

照明配电系统：照明配电系统为车站和区间提供照明电源，包括正常照明、应急照明和疏散指示照明。正常照明用于满足车站和区间在正常运营情况下的照明需求，一般采用荧光灯、LED 灯等节能灯具。应急照明和疏散指示照明则是在紧急情况下，如火灾、停电等，为乘客和工作人员提供疏散照明和指示，确保人员能够安全疏散。照明配电系统通常采用分区配电的方式，将车站和区间划分为不同的照明区域，每个区域设置独立的配电箱进行配电。在照明控制方面，采用集中控制和就地控制相结合的方式，既方便管理人员对整个照明系统进行统一控制，又可以在现场对个别灯具进行开关操作。同时，还可以采用智能照明控制系统，根据环境光线和人员活动情况自动调节照明亮度，实现节能目的。

三、供电系统常见故障及应对策略

（一）短路故障

短路类型及原因

短路故障是城市轨道交通供电系统中最常见的故障之一，主要包括相间短路、接地短路等类型。相间短路是指不同相的导体之间直接接触或通过电弧等导电介质连接，造成电流急剧增大的故障。接地短路则是指导体与大地之间发生短路，使电流流入大地。短路故障的原因主要有电气设备绝缘损坏、异物侵入、操作失误等。例如，电气设备长期运行，绝缘老化、受潮或受到机械损伤，可能导致绝缘性能下降，引发短路故障；在施工或日常维护过程中，不慎将工具、杂物等异物遗留在电气设备内，也可能造成短路；操作人员违反操作规程，误操作开关设备，也可能引发短路事故。

短路故障的影响

短路故障会对城市轨道交通供电系统造成严重影响。短路发生时，电流会急剧增大，可能导致电气设备烧毁、线路熔断，甚至引发火灾。同时，短路电流还会产生强大的电动力，可能使电气设备的结构受到破坏。短路故障还会引起电压骤降，影响其他用电设备的正常运行，导致列车失去动力、通信信号系统中断等，严重影响城市轨道交通的正常运营。

短路故障应对策略

为了应对短路故障，城市轨道交通供电系统通常采取以下措施：

设置保护装置：在供电系统中设置各种短路保护装置，如电流速断保护、过电流保护、零序电流保护等。这些保护装置能够在短路故障发生时，迅速检测到故障电流，并在短时间内切断故障电路，保护设备和人员安全。

加强设备维护：定期对电气设备进行维护检查，及时发现和处理设备的绝缘缺陷、老化等问题，提高设备的可靠性。加强对设备的清洁和防护，防止异物侵入。

优化系统设计：在供电系统设计阶段，合理选择电气设备的参数和型号，确保设备具有足够的短路耐受能力。优化供电网络结构，减少短路故障的影响范围。

制定应急预案：制定完善的短路故障应急预案，明确故障发生后的处理流程和责任分工。定期组织应急演练，提高工作人员应对短路故障的能力。

（二）过电压故障

过电压产生原因

过电压故障也是城市轨道交通供电系统中需要关注的问题，主要包括雷电过电压、操作过电压和谐振过电压等。雷电过电压是由于雷击引起的，雷击产生的强大电流和高电压可能通过供电线路侵入电气设备，对设备造成损坏。操作过电压是在进行开关操作时，由于电路中电感、电容等元件的作用，产生的暂态过电压。例如，在切断空载变压器、投切电容器组等操作时，都可能产生操作过电压。谐振过电压则是由于供电系统中存在电感和电容元件，在一定条件下发生谐振，导致电压升高。

过电压对设备的危害

过电压会对城市轨道交通供电系统中的电气设备造成严重危害。过高的电压可能会击穿电气设备的绝缘，导致设备损坏。长期处于过电压环境下，还会加速设备绝缘的老化，缩短设备的使用寿命。对于一些对电压敏感的设备，如通信信号设备、自动化控制设备等，过电压可能会导致设备误动作，影响系统的正常运行。

过电压防护措施

为了防止过电压对供电系统设备造成危害，通常采取以下防护措施：

安装避雷器：在供电系统的进线端、电气设备的端口等位置安装避雷器，避雷器能够在过电压发生时，迅速将过电压引入大地，保护设备免受损坏。常用的避雷器有氧化锌避雷器、碳化硅避雷器等，氧化锌避雷器具有响应速度快、通流容量大、残压低等优点，应用较为广泛。

采用过电压保护器：在一些对过电压较为敏感的设备前安装过电压保护器，如浪涌保护器等。过电压保护器能够对设备进行全方位的保护，抑制过电压的幅值和陡度，确保设备在正常电压范围内运行。

优化系统参数：在供电系统设计和运行过程中，合理选择电气设备的参数，避免出现谐振条件。例如，通过调整电容器组的容量、电抗器的电抗值等，防止谐振过电压的发生。

加强防雷接地：完善供电系统的防雷接地设施，确保接地电阻符合要求。良好的防雷接地能够有效地将雷击电流引入大地，降低雷电过电压对设备的影响。同时，定期对接地电阻进行检测和维护，保证接地系统的可靠性。

（三）设备老化故障

设备老化原因分析

城市轨道交通供电系统中的设备长期运行，受到电气、热、机械等多种应力的作用，会逐渐出现老化现象。电气应力方面，长期的电压、电流作用会使设备绝缘性能下降，导致绝缘老化。热应力方面，设备运行过程中会产生热量，如果散热不良，会使设备温度过高，加速绝缘材料的老化。机械应力方面，设备的频繁操作、振动等会使机械部件磨损、变形，影响设备的正常运行。此外，环境因素如湿度、灰尘、化学腐蚀等也会对设备的老化产生影响。