九、供电系统
城市轨道交通供电系统是由电力系统经高压输电网、主变电所降压、配电网络、牵引变电所降压、整流等环节向城市轨道交通系统输送电力的能源系统。因为城市轨道交通系统与一般电力用户有很大区别，所以其供电系统的功能、要求和构成也存在一定的特殊性。
1.城市轨道交通供电系统的功能
城市轨道交通供电系统是城市轨道交通运营的动力源泉，负责为电动列车提供牵引用电，为车站、区间、车辆段、控制中心等建筑物提供动力和照明用电。因此，供电系统应具备安全可靠、经济适用、调度方便的特点，具备供电、故障自救、自我保护、防止误操作等功能。
（1）供电服务功能。保障城市轨道交通安全运营是城市轨道交通供电系统的最基本功能，即为所有用电设备提供安全、可靠的电能。城市轨道交通系统中的用电设备既有风机、水泵、照明灯具等固定设备，也包括运动着的列车。这些设备的电压等级、制式不同，对电源的要求也不同。城市轨道交通供电系统就是为这些用电设备提供合格的电力，使其正常运行，保证城市轨道交通安全运营。
（2）故障自救功能。系统的安全性、可靠性是供电系统的首要要求，城市轨道交通供电系统应设置必要的应急措施，以保证供电系统发生任何一种故障时都不影响城市轨道交通的正常运行。双电源是城市轨道交通供电系统的主要原则，两路电源互为备用，当一路电源发生故障时，另一路电源应能满足系统正常供电的要求。
（3）自我保护功能。城市轨道交通供电系统应设置完整、协调的保护措施，各级保护应相互配合和协调，保护装置应满足可靠性、灵敏性、速动性、选择性的要求。在系统某处发生故障时，应使最近的保护装置动作，只切除故障部分的设备，从而缩小故障影响范围。
（4）防止误操作功能。防止误操作是保证系统安全、可靠运行所不可缺少的环节。供电系统中任何一个环节的操作都应有相应的联锁条件，避免因误操作而发生故障。
（5）灵活的调度功能。城市轨道交通供电系统应能在控制中心进行集中控制、监视和测量，并根据运行需要方便、灵活地进行调度，变更运行方式，分配负荷潮流，使系统在更加经济合理的模式下运行。
（6）控制、显示和计量功能。系统应能方便地进行各种控制操作，各环节的运行状态应有明确的显示，各种电量的测量和电能的计量应准确。另外，应具备远距离控制、监视和测量功能，在控制中心即可根据运行需要方便地进行调度，提高系统运行的经济性。
（7）电磁兼容功能。城市轨道交通处于强电、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他设备、装置或系统构成不能承受的电磁干扰，各种电子和电气设备系统与其他系统之间的电磁兼容就显得尤为重要。供电系统既是电磁干扰源，又是电磁敏感设备，要在技术上采取措施抑制干扰，提高抗干扰能力。
2.城市轨道交通供电系统的基本要求
城市轨道交通供电系统对保证城市轨道交通正常、安全运行具有很大的影响，它应达到安全可靠、经济适用和满足不同用户需求的基本要求。
（1）供电系统必须安全可靠。城市轨道交通电动列车和车站设备都是为乘客提供服务的设备，在运营过程中，一旦供电中断，受影响最大的是行车和客运两个部门。所以，城市轨道交通供电系统必须具有高度的安全性、可靠性，以保证供电的连续性和稳定性。为此，各变电站均采用两路进线，并互为备用；设计电源容量时应为发展留有余地；应选用先进、可靠的电气设备，采用模块化的计算机控制系统，实现实时监控、调度自动化的运行模式；以专人定时巡视检查来进一步保障供电运行的安全可靠。
（2）供电系统必须经济适用。经济是指在满足供电系统安全可靠的前提下，实现项目在全生命周期内供电费用的最低化。经济性不但要求节省初期的工程投资，还要尽量降低运营成本，以保证项目在全生命周期内实现最佳的技术经济效果。适用是指城市轨道交通供电系统的建设应满足业主的建设目的和对性能的要求，主要通过系统设计来实现。
（3）供电系统必须满足不同用户的需求。无论是车站还是列车的用电设备，对供电都有不同的要求，为了分析其用电要求，首先要对供电负荷进行分类。按供电对象的重要性可将供电负荷分为3类。
①一级负荷。一级负荷必须连续供电，不可间断，一旦停电将造成重大人员伤亡和经济损失。城市轨道交通电动列车、通信设备、信号设备、通风设备、消防设备等属于一级负荷，必须确保不间断供电。为此，必须采取两路电源供电，当任何一路电源失电后，应自动、迅速地切换至另一路电源。除由两个电源供电外，还应增设应急电源，并严禁将其他负荷接入应急供电系统。可作为应急电源的有独立于正常电源的发电机组、供电网络中独立于正常电源的专用馈电线路、蓄电池、干电池。
②二级负荷。二级负荷为不可停电负荷，一旦停电将造成较大人员伤亡和经济损失。城市轨道交通车站照明、自动扶梯等设备属于二级负荷，应确保连续供电，如果停电，在一定程度上会影响客运服务质量，但并不影响列车运行安全。设计时，一般采用二路进线电源，再分片、分区供电。
③三级负荷。三级负荷是除一级、二级负荷以外的负荷。城市轨道交通的商业用电、广告照明等设备属于此类负荷，应确保正常供电，在维修保养期间或其他必要的时候，如负荷高峰期可以停电。停电后不会影响客运服务质量和列车运行，其用电可根据电网负荷情况进行调整。
城市轨道交通供电系统中的用电设备，必须依据不同用电需求区别对待，以满足和保障用户的需求，实现城市轨道交通的正常运营。
3.城市轨道交通供电原理
城市轨道交通供电电源一般取自城市电网，通过城市电网一次电力系统和轨道交通供电系统实现输送或变换，最后以适当的电流（直流电或交流电）和电压等级供给用电设备。其中，牵引供电系统和动力照明系统是城市轨道交通供电系统中最主要的组成部分。从发电厂经升压变电站、高压输电网、区域输电网、区域变电站至主降压变电站的部分通常被称为城市电网一次电力系统。城市轨道交通供电原理如图1-26所示。
图1-26 城市轨道交通供电原理
城市轨道交通是一个重要的用电部门，按规定须由两路独立的电源供电，当其中任何一路电源发生故障时，另一路应能保证一级负荷的全部用电需要。因此，轨道交通牵引变电站的电源进线来自两个区域变电站或来自一个区域变电站的两路独立电源，当一路电源失压时，另一路电源自动切入，使城市轨道交通系统能获得不间断的电源。
4.牵引网供电制式
（1）牵引网的电流制。直流馈电方式不但适用于电阻启动控制方式，也适用于斩波调压和变频调压等电子控制方式。采用直流供电的电动车辆具有调速范围大、调速方便、易于控制、启动制动平稳、接触网简单、投资少、电压质量高等优点，所以，目前城市轨道交通电力机车基本上都采用直流制。
（2）牵引网的电压等级。目前，世界上城市轨道交通中的直流牵引电压等级繁多，如570 V、600 V、625 V、650 V、700 V、750 V、780 V、825 V、900 V、1000 V、1100 V、1200 V、1500 V、3000 V，其发展趋向是国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）标准中的600 V、750 V和1500 V；我国国家标准规定为750 V、1500 V两种，其电压允许波动范围分别为500～900 V、1000～1800 V。在选择电压等级时，要结合系统馈电方式，根据车辆、线路等的工程特点综合比较确定。
（3）牵引网馈电方式及其与电压等级的关系。馈电方式与电压等级是牵引网供电制式中的关键点，两者密切相关。对于一个具体的城市轨道交通工程，馈电方式与电压等级的选择，应该结合起来统一考虑。牵引网的馈电方式有架空接触网和接触轨两种方式，我国牵引网供电制式有直流1500 V架空接触网、直流1500 V接触轨、直流750 V架空接触网、直流750 V接触轨4种方式。
与750 V电压等级相比，1500 V电压等级的供电距离更远，电压损失和电能损耗更小，但防护要求更高。我国早期城市轨道交通项目中，1500 V主要用于架空接触网，但随着支持、防护材料的不断发展，目前在接触轨系统中也有大量应用，而且直流1500 V接触轨在供电能力、施工难度、对城市景观的影响等诸多方面都更有优势。