一种基于三相逆变电源装置的轨道交通供电系统

摘要

一种基于三相逆变电源装置的轨道交通供电系统，以有效简化整个供电系统方案、减少中压环网电缆及设备数量，大幅降低各变电所的建设规模及整个供电系统的工程投资。包括牵引供电系统和低压供配电系统，从地方电网引入两回外部进线电源，通过一个中压供电环网向工程沿线若干个牵引降压混合变电所和降压变电所供电，该两回外部进线电源分别通过变电所中压开关引入变电所中压I段母线，该中压供电环网通过变电所中压开关与工程沿线的牵引降压混合变电所和降压变电所的变电所中压I段母线相连。

说明书

技术领域

本发明专利涉及轨道交通工程，特别涉及一种基于三相逆变电源装置的轨道交通供电系统，通过牵引整流机组、直流牵引网、配电变压器与三相逆变电源装置的配合应用，同时实现轨道交通工程牵引和低压配电供电。

背景技术

目前，大部分城市轨道交通工程牵引供电系统均采用了DC1500V(或DC750V)接触网(或接触轨)授流、走行轨回流的牵引供电制式。

根据牵引供电计算，在部分站点设置牵引变电所，与同址的降压变电所整合成为牵引降压变电所，部分站点仅设置降压变电所。通过牵引变电所设置的牵引整流机组，将中压环网(35kV或20kV或10kV)的交流电转换为DC1500V(或DC750V)，通过直流牵引网给轨道上运行的电动车组实现牵引供电。同时在各降压变电所内，通过设置降压变压器，将中压环网的交流电转换为低压0.4kV交流电，给工程沿线的相关低压动力照明负荷供电。

低压动力照明负荷根据其重要程度，分为一、二、三级负荷。根据GB50052-供配电系统设计规范，“一级负荷的供电电源应符合下列规定：一级负荷应由两个电源供电；当一个电源发生故障时，另一个电源不应同时受到损坏。”

因此在常规地铁轻轨工程中，为实现向低压动力照明一级负荷的供电，由于其功率需求较大，一般中压供电系统采用双环网、在各变电所采用单母线分段模式，并在每段母线各设置一台配电变压器，共同向一级负荷供电。

随着各种制式轨道交通的发展，除常规大运量的地铁轻轨工程以外，出现了类似现代有轨电车、小运量的中低速磁浮、悬挂式空轨、小运量的跨坐式单轨等供电负荷较轻的轨道交通工程。其特点是工程规模小、行车编组小、载客运量小、牵引供电及低压动力照明负荷供电容量总需求均较小；但大部分该类工程，根据负荷的重要程度，在低压动力照明负荷分类中，仍然提出了一级负荷供电的需求，但其功率需求均相对较小。

针对这类供电负荷较轻的轨道交通工程，为满足这部分功率较小的一级负荷供电需求，如仍按常规供电系统方案进行设计，采用双环网的中压供电网络、变电所采用单母线分段及双配电变压器，提供两回独立电源的方案，不仅会导致外部输入电源配套、中压供电环网系统及各变电所的配置方案复杂，外部电源、中压环网电缆及设备数量大幅上升，同时导致各变电所的占地面积及工程投资的大幅攀升，与采用这类轨道交通工程要求工程投资省、占地小的立项建设初衷不符。同时由于负荷终端的牵引供电及低压动力照明负荷供电需求均较小，如仍按常规方案进行实施，将导致整个供电系统方案显得头重脚轻，供电能力上下不匹配，大马拉小车，导致供电能力及工程投资上的严重浪费。

为更好的适应各种类型轨道交通工程的建设，同时满足低压动力照明其中关于一级负荷供电的功能需求，简化供电系统规模，减少工程投资，随着半导体变流技术的发展应用，提出一种基于三相逆变电源装置的供电系统方案，实现整个供电系统方案的优化，供电能力的匹配并节省工程投资。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于三相逆变电源装置的轨道交通供电系统，以有效简化整个供电系统方案、减少中压环网电缆及设备数量，大幅降低各变电所的建设规模及整个供电系统的工程投资。

本发明一种基于三相逆变电源装置的轨道交通供电系统，包括牵引供电系统和低压供配电系统，其特征是：从地方电网引入两回外部进线电源，通过一个中压供电环网向工程沿线若干个牵引降压混合变电所和降压变电所供电，该两回外部进线电源分别通过变电所中压开关引入变电所中压I段母线，该中压供电环网通过变电所中压开关与工程沿线的牵引降压混合变电所和降压变电所的变电所中压I段母线相连；

所述牵引降压混合变电所内，变电所中压I段母线通过变电所中压开关与整流变压器相连，再与牵引整流装置相连，整流输出DC1500V或DC750V直流电源至变电所直流母线，输出连接至工程线路的直流牵引网；在牵引变电所附近通过牵引网绝缘分段将直流牵引网分为左右两侧，机车车辆通过直流牵引网取电实现正常运行，该部分构成牵引供电系统。

所述牵引降压混合变电所和降压变电所内，变电所中压I段母线通过变电所中压开关与变电所内配置的一台配电变压器相连，降压输出一回0.4kV低压电源；同时各变电所内配置的一套三相逆变电源装置与直流牵引网(相连取得DC1500V或DC750V输入电源，逆变输出一回独立的0.4kV低压电源；该两回独立的0.4kV低压电源共同向低压动照一级负荷(12)供电，该部分构成低压供配电系统。

与常规采用双环网的中压供电网络、变电所采用单母线分段及双配电变压器的供电系统相比，本发明的有益效果主要体现在如下方面：

1、中压供电系统方案由常规的双环网供电模式，简化为单环网供电模式，在满足供电容量需求的情况下，减少一半的中压环网敷设工程量；

2、外部引入的电源点数量可以大幅降低，一般情况下，可以减少一半的数量；

3、各变电所的中压主接线方案由常规的单母线分段模式，简化为单母线模式，在满足供电容量需求的情况下，减少了一半的中压母线的工程量，减少了中压设备数量；

4、各变电所由常规的双配电变压器，简化为单配电变压器；

5、各变电所内设置一套三相逆变电源装置，从全线贯通的直流牵引网(接触网或接触轨)上的DC1500V(或DC750V)电源逆变一回三相0.4kV交流电源，向低压动力照明负荷供电。相对于机车车辆的牵引负荷功率，其从直流牵引网上取得的功率需求较小，对于牵引网的影响基本可以忽略。

6、各变电所内的一台配电变压器及一套三相逆变电源装置，其输入电源来自不同地方，共同实现向工程的低压动力照明一级负荷供电。由于全线的牵引网是由多个外部电源点通过牵引变电所实现的并联供电，任何一个外部电源或变电所出现故障的情况下，牵引网均不会出现停电的情况。因此完全能满足规范要求的一级负荷应由两个电源供电，当一个电源发生故障时，另一个电源不应同时受到损坏的供电需求。

综上所述，本发明在满足直流牵引供电需求的同时，也满足特别是针对这类供电负荷较轻的轨道交通工程，对应低压动力照明容量需求较小的一级负荷供电需求，有更好的适应性。可广泛应用于目前类似现代有轨电车、小运量的中低速磁浮、悬挂式空轨、小运量的跨坐式单轨等这类轨道交通工程的供电系统方案中。

附图说明

本说明书包括如下两幅附图：

图1是常规轨道交通工程供电系统的结构示意图。图中：牵引降压混合变电所B1、降压变电所B2；外部进线电源1、变电所中压开关2、母联分段开关20、变电所中压I段母线21、变电所中压II段母线22、中压供电环网3、中压供电环网联络开关30、整流变压器5、牵引整流装置6、变电所直流母线7、直流牵引网8、牵引网绝缘分段9、机车车辆10、配电变压器11、低压动照一级负荷12。

图2是本发明一种基于三相逆变电源装置的轨道交通供电系统的结构示意图。图中：牵引降压混合变电所B1、降压变电所B2；外部进线电源1、变电所中压开关2、变电所中压I段母线21、中压供电环网3、中压供电环网联络开关30、三相逆变电源装置4、整流变压器5、牵引整流装置6、变电所直流母线7、直流牵引网8、牵引网绝缘分段9、机车车辆10、配电变压器11、低压动照一级负荷12。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提出的一种基于三相逆变电源装置的轨道交通供电系统方案进行进一步说明。

轨道交通工程常规供电系统方案采用双环网的中压供电网络、变电所采用单母线分段及双配电变压器的方案。以下以典型的从地方电网引入4回外部进线电源的供电方案为例进行对比说明。

参照图1，常规供电系统方案从地方电网引入4回外部进线电源1，通过两个中压供电环网3向工程沿线若干个牵引降压混合变电所B1及降压变电所B2供电。外部进线电源1分别通过变电所中压开关2，引至变电所中压I段母线21以及变电所中压II段母线22，两段母线之间由母联分段开关20连接。两个中压供电环网3分别通过变电所中压开关2，与工程沿线的牵引降压混合变电所B1及降压变电所B2的中压I段母线21以及变电所中压II段母线22相连。

所述牵引降压混合变电所B1内，变电所中压I段母线21或者变电所中压II段母线22，通过变电所中压开关2与整流变压器5相连，再与牵引整流装置6相连，整流输出直流电源(DC1500V或DC750V)至变电所直流母线7，输出连接至工程线路的直流牵引网8。在各牵引变电所附近通过牵引网绝缘分段9，将直流牵引网8分为左右两侧，机车车辆10通过直流牵引网8取电实现正常运行，该部分构成轨道交通的牵引供电系统。

所述牵引降压混合变电所B1以及降压变电所B2内，变电所中压I段母线21以及变电所中压II段母线22，分别通过变电所中压开关2与两台独立的配电变压器11相连，降压输出两回独立0.4kV低压电源，共同向低压动照一级负荷12供电。该部分构成轨道交通的低压供配电系统。

正常情况下，4回外部进线电源1通过两个中压供电环网3各自负责一个区段范围内变电所的供电，中压供电环网联络开关30处于分断位置，当其中任何一个外部进线电源1故障退出，则对应中压供电环网3的联络开关30闭合，实现由另外的外部进线电源1的故障支援供电。

正常情况下，变电所内的中压I段母线21以及中压II段母线22各自独立运行，母联分段开关20处于分断位置，当其中任何一段母线失电，则母联分段开关20闭合，实现变电所内的故障支援供电。

正常情况下，两台配电变压器11输出两回独立的0.4kV低压电源，共同向低压动照一级负荷12供电；当其中任何一台配电变压器11输出回路出现故障时，由另外一台配电变压器11输出回路承担全部的低压动照一级负荷12供电，实现相互之间的故障支援供电。

而针对供电负荷较轻的轨道交通工程，如按以上常规供电系统方案进行设计，采用双环网的中压供电网络、变电所采用单母线分段及双配电变压器，提供两回独立电源的方案，不仅会导致外部输入电源配套、中压供电环网系统及各变电所的配置方案复杂，外部电源、中压环网电缆及设备数量大幅上升，同时导致各变电所的占地面积及工程投资的大幅攀升，导致供电能力及工程投资上的严重浪费。

参照图2，本发明一种基于三相逆变电源装置的轨道交通供电系统，包括牵引供电系统和低压供配电系统，从地方电网引入两回外部进线电源1，通过一个中压供电环网3向工程沿线若干个牵引降压混合变电所B1和降压变电所B2供电，该两回外部进线电源1分别通过变电所中压开关2引入变电所中压I段母线21，该中压供电环网3通过变电所中压开关2与工程沿线的牵引降压混合变电所B1和降压变电所B2的变电所中压I段母线21相连。

牵引降压混合变电所B1内，变电所中压I段母线21通过变电所中压开关2与整流变压器5相连，再与牵引整流装置6相连，整流输出DC1500V或DC750V直流电源至变电所直流母线7，输出连接至工程线路的直流牵引网8。在牵引变电所附近通过牵引网绝缘分段9将直流牵引网8分为左右两侧，机车车辆10通过直流牵引网8取电实现正常运行，该部分构成牵引供电系统。

各牵引降压混合变电所B1和降压变电所B2内，变电所中压I段母线21通过变电所中压开关2与变电所内配置的一台配电变压器11相连，降压输出一回0.4kV低压电源；同时各变电所内配置的一套三相逆变电源装置4与直流牵引网8相连取得DC1500V或DC750V输入电源，逆变输出一回独立的0.4kV低压电源；该两回独立的0.4kV低压电源共同向低压动照一级负荷12供电，该部分构成低压供配电系统。

正常情况下，两回独立的外部进线电源1通过中压供电环网3各自负责一个区段范围内变电所的供电，中压供电环网联络开关30处于分断位置，当其中任何一个外部进线电源1故障退出，则中压供电环网联络开关30闭合，实现由另外的外部进线电源1的故障支援供电。

当任何变电所内的中压I段母线21故障退出时，则与该中压I段母线21连接的配电变压器11退出运行；对于牵引降压混合变电所B1，与该中压I段母线21连接的整流变压器5也均退出运行，其对应的牵引供电部分退出运行，由相邻的牵引变电所B1向牵引网支援供电。对于本变电所内对应的低压供配电系统，由变电所内配置三相逆变电源装置4，从牵引网8上取得输入电源(DC1500V或DC750V)，逆变输出0.4kV低压电源，独立维持向本变电所内所有的低压动照一级负荷12供电。

正常情况下，变电所内配置的一台配电变压器11及三相逆变电源装置4，输出两回独立的0.4kV低压电源，共同向低压动照一级负荷12供电；当其中配电变压器11输出回路出现故障时，则由三相逆变电源装置4输出回路承担变电所内全部的低压动照一级负荷12供电；当其中三相逆变电源装置4输出回路出现故障时，则由配电变压器11输出回路承担全部的低压动照一级负荷12供电；配合实现相互之间的故障支援供电。

参照图2，本发明一种基于三相逆变电源装置的轨道交通供电系统的特点如下：

1、中压供电环网系统采用单环网的模式；

2、各变电所的中压主接线方案采用单母线方案；

3、各牵引降压混合变电所设置一套牵引整流机组，从中压交流电网取得交流电源(35kV或20kV或10kV)，降压整流后共同向全线贯通的牵引网提供直流电源(DC1500V或DC750V)；

4、各变电所内仅设置一台配电变压器，从中压交流电网取得交流电源(35kV或20kV或10kV)，降压输出一回三相0.4kV交流电源，向低压动力照明负荷供电；

5、利用直流牵引网全线贯通且供电可靠性高的特点，在各变电所内设置一套三相逆变电源装置，其容量与一级负荷的容量需求相匹配，其输入端与直流牵引网直接相连，从直流牵引网(接触网或接触轨)上输入直流电源DC1500V(或DC750V)，采用半导体变流技术，将直流输入电源逆变输出一回三相0.4kV交流电源，向低压动力照明负荷供电；

6、各变电所内的一台配电变压器及一套三相逆变电源装置，根据相关的规范要求，共同实现向工程的低压动力照明一级负荷供电。满足当一个电源发生故障时，另一个电源不应同时受到损坏的可靠性需求；

7、正常情况下，变电所内的一台配电变压器及一套三相逆变电源装置同时投入运行。当其中的配电变压器回路出现故障时退出运行时，切换由变电所内的该套三相逆变电源装置输出电源继续维持向一级负荷供电；当其中的三相逆变电源装置回路出现故障时退出运行时，切换由变电所内的配电变压器回路输出电源继续维持一级负荷供电。

通过上述两个方案的对比，本发明的一种基于三相逆变电源装置的轨道交通供电系统在完全满足规范要求的一级负荷应由两个电源供电，当一个电源发生故障时，另一个电源不应同时受到损坏的供电需求下，带来了以下有益的效果：

1、成倍的减少了外部进线电源1对应的电源点(35kV或20kV或10kV)的数量。

2、中压供电环网3的方案由常规的双环网供电模式，简化为单环网供电模式，减少约一半的中压环网(35kV或20kV或10kV)敷设工程量。

3、各牵引降压混合变电所B1及降压变电所B2的主接线方案由常规的单母线分段模式(中压I段母线21以及中压II段母线22)，简化为单母线模式(仅中压I段母线21)，取消了母联分段开关20，同时变电所中压开关2的数量减少约一半。

4、各变电所内增设一套三相逆变电源装置4，从直流牵引网8取得输入电源(DC1500V或DC750V)，逆变输出一回独立低压电源；各变电所简化为单配电变压器11供电，减少一半的配电变压器设备数量。

由此可见，本发明充分利用了全线贯通的牵引网，简化供电系统方案、减少设备数量、大幅降低各变电所的建设规模及整个供电系统的工程投资。

以上所述只是用图解说明本发明专利一种基于三相逆变电源装置的轨道交通供电系统方案的一些构成,并非是要将本发明专利局限在图所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明专利所申请的专利范围。