【问题导入】
城市轨道交通需要从城市电网取得外部电源，城市轨道交通供电系统可以简单地分为外部电源与内部系统。城市轨道交通对外部电源有何要求？城轨的外部电源通过什么方式对城市轨道交通供电？城轨供电系统对城市电网有何影响呢？ 【教学目标】
1.了解城轨供电系统的外部电源系统的组成。
2.了解城轨供电系统对外部电源的要求。
3.掌握外部电源对城轨供电系统供电的几种方式的特点
4.了解主变电所的作用、主要设备，了解主变电所的输电方式。
5.了解中压网路的电压等级和构成形式。
第一节 外部电源
城市轨道交通供电系统的外部电源供电系统就是为城轨供电系统的主变电所或电源开闭所提供电能的外部城市电网电源供电系统。图2-1为城市轨道交通外部电源和牵引供电系统的连接图。
一.城市轨道交通对外部电源的要求
1.两路独立的进线电源
城市轨道交通作为城市电网的重要电力用户，属于一级用电负荷。城市轨道交通供电系统的主变电所（或电源开闭所）要求有两路独立的进线电源，这两路电源可以来自城市电网的不同变电所，也可来自城市电网的同一变电所的不同母线。主变电所进线电源应至少有一路为专线电源。
2.每路进线电源的容量应满足所内全部一、二级负荷的要求。
3.两路电源应分列运行，互为备用，当一路电源发生故障时，另一路电源不应同时受到损坏，由另一路电源保证对城轨供电系统供电。
4.为了便于运营管理和减少损耗，外部电源点应尽可能地靠近城市轨道交通线路。
二.外部电源系统的组成
外部电源系统由发电厂、电力网组成，而电力网由各种电压等级的输、配电线路和变（配）电站（所）组成。
发电厂（站）是电能的来源。按其利用的能源的不同可以分为火力发电厂、水力发电厂、原子能发电厂以及风力、地热、太阳能和潮汐发电厂等等。为了减少输电线路上的电压损失和能量损耗，因此在发电厂的输出端接入升压变压器以提高输电电压。目前我国一般是以110KV或220KV的高压，通过三相输电线路输送到电力网中的区域变电站。
在区域变电站中，先由降压变压器把110KV或220KV的三相交流电压变为10KV或透风窗35KV的三相交流电压，再由三相输电线路输送给本区域内的各用电中心。城市轨道交通的牵引用电既可以从区域变电所高压线路上取得，也可以从下一级电压的城市地方电网上取得，这取决于系统和城市地方电网的具体情况以及牵引用电容量的大小。
对于直接从电力系统高压电网是获得电力的城市轨道交通供电系统，往往需要再设置一级主降压变电站（所），将系统输电电压如110KV或220KV降低到10KV木材烘干或35KV以适应直流牵引变电所的需要。从管理的角度上看，主降压变电站（所）可以由电力系统（电业部门）直接管理，也可以归属于城市轨道交通部门管理。
从发电厂（站）经升压、高压输电网、区域变电站（所）至主降压变电站部分通常被称为牵引供电系统的“外部（或一次）电源供电系统”。如图2-2所示虚线2以上部分。
三.外部电源对城市轨道交通的供电方式
国内各城市对地铁及城市轨道交通的供电一般有三种方式，即集中式供电方式、分散式电方式、分散与集中相结合的混合式供电方式。
1.集中式供电方式
大理石清洗剂集中供电方式是指一条轨道交通线路配置少量的受电点（主变电所），通过受电点（主变电所）集中从城市电网受进电力，经主变电所降压后再向轨道交通内部电网的牵引变电所和降压变电所供电。图2-3为采用集中供电方式的外部供电示意图。
集中式供电方式的特点是：
（1）城市轨道交通供电系统与城市电网的接口少；
（2）主变电所、牵引变电所、降压变电所均有两个独立的引入电源；
（3）城轨供电系统相对独立，自成系统，便于运营管理。
上海、广州、南京、香港及近几年新建大部分地铁均为集中供电方案。
2.分散式供电方式
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。图2-4为分散式供电方式示意图。
分散式供电方式的特点是：
（1）需要从城市电网分散引入多路中压电源，一般为10KV；。
（2）平均4～5个车站需引入两路电源，与城网接口多。
（3）要求城网有足够的电源引入点和备用容量。
ranth（4）两开闭所之间的供电分区通过双环网进行联络。
（5）城轨供电系统与城网关系紧密，独立性差，运营管理相对复杂。
长春轻轨、大连快轨、北京地铁4、5、余热制冷9号线等为分散供电方案。
采用分散式供电方式可以取消地铁主变电所，从而节省主变电所的投资，但采用的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。目前国内的北京地铁4、5、9号线、长春轻轨、大连快轨采用的就是这种供电方式。图2-4为分散式供电示意图。
3.混合式供电方式
混合式供电方式是将分散式与集中式相结合的供电方式，多指以集中式供电为主以分散式为辅的供电方式，如图2-5所示。混合式供电方式可根据城市电网现状、规划以及城市轨道交通自身的需要，吸收集中式供电方式和分散式供电方式的优点，系统方案灵活，节约投资使供电系统完善和可靠。
采用集中式供电方式时，在主变电所设置一定的情况下，若线路末端中压网络压降不能满足要求，则可从城市电网引入中压电源作为补充，这就构成了以集中式供电方式为主的混合式供电方式。如武汉轨道交通一期就采用了以集中式供电为主的混合式供电方式。
采用分散式供电方式时，如果沿线有城市轨道交通主变电所可以资源共享，那么也可以从该主变电所引入中压电源，作为城市电网中压电源点的补充，这就构成了以分散式供电方式为主的混合式供电方式。北京地铁10号线就采用了以分散式为主的混合式供电方式。
对于某一城市究竟应采用哪种供电方式，需要根据地铁和城轨交通用电负荷并结合该城市电网的具体情况进行分析。若该城市的电力资源缺乏，变电站较少，采用分散供电方式时由于需要新建多个地区变电站而使投资增大，在此情况下采用集中供电方式就比较合适。该供电方式具有管理方便、供电可靠性相对较高等优点。若城市的电力资源较丰富，沿地铁和城轨交通线路的地区变电站较多且容量也足够给地铁和城轨交通供电，则采用分散供电方式可节约建设资金。当城市电网的情况介于上述两种情况之间时，可考虑采用分散与集中相结合的供电方式。
对于某一城市究竟应采用哪种供电方式，需要根据地铁和城轨交通用电负荷并结合该城市电网的具体情况进行分析。若该城市的电力资源缺乏，变电站较少，采用分散供电方式时由于需要新建多个地区变电站而使投资增大，在此情况下采用集中供电方式就比较合适。该供电方式具有管理方便、供电可靠性相对较高等优点。若城市的电力资源较丰富，沿地铁和城轨交通线路的地区变电站较多且容量也足够给地铁和城轨交通供电，则采用分散供电方式可节约建设资金。当城市电网的情况介于上述两种情况之间时，可考虑采用分散与集中相结合的供电方式。
四.外部电源对城市轨道交通供电的电压等级
对于为采用集中式供电方式的城市轨道交通供电系统，目前外部电源的电压等级一般为AC110Kv或AC63Kv，其中AC63Kv电压为东北电网所特有。
对于采用分散式供电方式的城市轨道交通供电系统，外部电源电压等级应与城市电网电压等级一致。目前根据城市电网的情况，外部电源的电压等级有AC35Kv和AC10Kv两种。由于AC35Kv这一电压等级在各大城市电网中将逐渐被AC110Kv取代，所以一般都采用AC10Kv的电压等级。
城市轨道交通中存在非线性负荷，除整流机组外，还存在大量荧光灯、UPS电源、变频器及软启动装置等，这些设备会产生大量的谐波，会使电力系统的正弦波形发生畸变，从而降低电能质量。因此需要对谐波进行综合治理，从谐波产生的源头对它进行限制，并采取必要的技术措施降低谐波的危害程度。
1.谐波及其产生
在理想的干净供电系统中，电流和电压都是正弦波的。在只含线性元件(电阻、电感及电容)
的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波。
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在电力系统中，谐波产生的根本原因是由于电流流经非线性负荷（如变压器、电子开关等）时，电流与所加的电压不呈线性关系而造成波形畸变，形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。
根据法国数学家傅里叶分析原理，任何非正弦曲线信号都可以分解成常数（直流量）、与原正弦函数频率相同的正弦波和一系列频率为原正弦函数倍数的正弦波。与原正弦函数频率相同的正弦波称为基波或一次谐波，频率为原正弦函数倍数的正弦波称为高次谐波。因此高次谐波的频率必然也等于基波的频率的若干倍，基波频率3倍的波称之为三次谐波，基波频率5倍的波称之为五次谐波，以此类推。不管几次谐波，他们都是正弦波。根据谐波频率的不同，可以分为奇次谐波（额定频率为基波频率奇数倍的谐波）和偶次谐波9额定频率为基波频率偶数倍的谐波）。
当电力系统向非线性负荷供电时，这些负荷在传递（如变压器）、变换（如交直流换流器）、吸收（如电弧炉）系统发电机所供给的基波能量的同时，又把部分基波能量转换为谐波能量，向电力系统倒送大量的高次谐波，使电力系统的正弦波形发生畸变，使电能质
量降低。
城市轨道交通供电系统中的谐波源主要为电子开关型，即城市轨道交通中广泛使用的各种交直流换流装置（整流器、逆变器）以及双向晶闸管可控开关设备。
牵引供电系统是城市轨道交通供电系统的主要谐波源。其中采用的牵引整流机组的容量、整流相数、接线方式等对正弦波形的畸变程度有较大的影响。
除牵引供电系统产生谐波外，动力照明系统也会产生谐波。动力照明系统的
主要谐波源有变频器、荧光灯、高压气体放电灯、计算机、软启动装置、电容器。
2.谐波的危害
理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染。其危害波及整个电网，对各种电气设备都有着不同程度的影响和危害。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面：
（1）谐波对供电线路产生了附加损耗，加大了电力运行成本；
（2）谐波降低了供电可靠性，影响各种电气设备的正常工作；
（3）谐波使电网中的电容器产生谐振，容易引发供电事故；
（4）谐波对附近的通信系统产生干扰，影响通信系统的正常工作。
3.谐波的治理
谐波治理属于综合性工程。首先限制谐波源头，采取必要的技术措施将谐波含量降到最小，其次采取辅助措施，降低谐波的影响。
（1）限制电网谐波源头
限制电网谐波源头的主要措施有增加牵引整流机组的脉波数和安装滤波装置或谐波补偿装置等。
高次谐波电流与整流器的整流相数密切相关，即相数增多，高次谐波的最低次数变高，则谐波电流幅值减小。为了减少牵引供电系统产生的谐波电流，城轨的牵引变电所采用两套带移相线圈的12脉波牵引整流机组，正常情况下，两台机组并联运行，形成24脉波整流，
最大限度地抑制谐波的产生。
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