地鐵供電系統設計The Design of Subway Power Supply System 目 錄第1章 緒論11.1 地鐵供電系統設計的背景與意義11.2 地鐵供電系統國內外現狀11.3 供電系統的功能11.4 供電系統的基本要求11.5 供電系統的構成2第2章 外部電源42.1 概述42.2 外部電源方案的形式42.2.1 集中式供電42.2.2 分散式供電52.2.3 混合式供電62.3 地鐵3號線供電方式選擇與分析6第3章 主變電所83.1 概述83.2 主變電所選址83.3 電氣主接線93.3.1 線路-變壓器組接線93.3.2 中壓側主接線形式93.4 主變壓器選擇103.4.1 主變壓器臺數的確定原則103.4.2 主變壓器容量的確定原則103.4.3 主變壓器形式的選擇113.5 主變壓器中性點接地方式113.5.1 中性點接地方式的原則113.5.2 主變壓器中性點接地方式11第4章 中壓網絡124.1 概述124.2 中壓網絡電壓等級124.2.1 電源等級的概念124.2.2 不同電壓等級的中壓網絡特點124.2.3 地鐵3號線中壓供電網絡電壓等級選擇134.3 中壓網絡的構成134.3.1 概述134.3.2 中壓網絡的構成原則134.3.3 地鐵3號線中壓網絡構成形式144.4 主變電所的運行方式144.4.1 正常運行方式154.4.2 單故障運行方式154.4.3 主變電所退出時運行方式15第5章 牽引供電系統175.1 概述175.2 牽引變電所選址原則175.3 牽引變電所主接線185.3.1 中壓主接線185.3.2 直流側主接線195.4 牽引供電系統保護205.4.1 概述205.4.2 交流中壓系統保護215.4.3 直流牽引系統保護22第6章 供配電系統256.1 概述256.2 降壓變電所選址原則256.3 降壓變電所主接線256.3.1 中壓主接線266.3.2 低壓主接線27第7章 地鐵供電系統容量計算297.1 概述297.2 地鐵供電容量計算的前提297.3 牽引變電所容量計算297.3.1 牽引負荷特點297.3.2 評估牽引供電系統的指標307.3.3 地鐵3號線牽引變電所供電計算317.4 降壓變電所用電計算317.4.1 概述317.4.2 地鐵變配電設計負荷計算327.4.4 無功功率補償367.4.5 配電變壓器選擇367.4.6 地鐵3號線降壓變電所用電計算377.5 主變壓器用電計算387.5.1 概述387.5.2 地鐵3號線柏林莊站主變電所用電計算387.6 結論38第8章 雜散電流與接地398.1 概述398.2 雜散電流398.2.1 雜散電流的產生398.2.2 雜散電流的危害398.2.3 雜散電流的保護408.3 地鐵接地系統40第9章 短路計算419.1 概述419.2 交流系統短路計算419.2.1 計算意義419.2.2 交流短路計算的內容419.2.3 中壓交流系統429.2.4 低壓交流系統439.2.5 中山廣場牽引降壓混合所交流短路計算示例449.3 直流系統短路計算479.3.1 計算意義479.3.2 牽引變電所內阻479.3.3 直流短路計算的方法489.3.4 中山廣場牽引降壓混合所直流短路計算示例51第10章 結論53參考文獻54附錄A 外文資料56附錄B 中文翻譯64附錄C 相關圖紙71第1章 緒論1.1 地鐵供電系統設計的背景與意義地鐵是一種獨立的地下有軌交通系統，不受地面道路狀況和天氣情況的影響，能夠按照設計的能力正常運行，從而快速、安全、舒適地運送乘客。地鐵供電系統，是城軌工程中重要機電設備系統之一，采用直流制供電方式供電。它擔負著為電動列車和各種運營設備提供電能的重要任務，也是城市電網的重大用戶。地鐵的運營具有良好的社會效益，正日益成為人們日常生活中密不可分的一部分。因此，地鐵供電系統的研究對于地鐵的發展有著極其重要的意義。1.2 地鐵供電系統國內外現狀國外地鐵交通已有140多年歷史，目前已呈現出多元化的發展趨勢。世界上第一條蒸汽式地鐵列車于英國倫敦通車，從第一條地鐵誕生起，歐美的地鐵交通發展較快。不久便開啟了電氣化地鐵線路的先河，地鐵從此步入連續不斷的發展時期。現代地鐵技術的標志，當以舒適的車輛和行車控制技術為代表。進入21世紀以來，隨著我國大城市交通問題的日益突出，大力發展地鐵交通已達成共識。目前我國城市地鐵交通建設已進入了大規模高速發展階段，國內現有30多個城市正在建設或規劃籌建地鐵工程，北京、上海、廣州等特大城市的地鐵發展已步入了網絡化發展時代。而供電系統作為地鐵的重要組成部分，也隨著地鐵的發展而快速發展。1.3 供電系統的功能地鐵供電系統是地鐵的動力源泉，負責電能的供應和運輸，分別為電動列車牽引供電和提供車站、區間、車輛段、控制中心等其他建筑物所需要的動力照明用電。地鐵供電系統應具備安全可靠、經濟適用、調度方便的特點，其總體功能應具備供電系統服務功能、故障自救功能、自我保護功能、防誤操作功能、便于調度功能、完善的控制、顯示和計量功能和電磁兼容功能等1。1.4 供電系統的基本要求地鐵供電系統應滿足安全性、可靠性、經濟性、先進性的基本要求。(1)安全性供電系統的安全性，關系著乘客安全、運營人員安全、行車安全、設備安全等多個方面，而且各種安全性是相互聯系、不可分割的。供電系統設計時，一般從系統安全性和設備安全性兩個方面分析。系統安全性分析，一般包括連鎖關系、繼電保護、牽引網、直流牽引系統、綜合接地系統、應急電源等方面；設備安全性分析，一般包括變壓器、牽引整流器、斷路器、隔離開關、接地開關、電纜等方面。(2)可靠性供電系統的可靠性，是正常運營、事故處理、火災救援等方面的前提條件。供電系統可靠性涉及到規劃、設計、運行管理等各個方面，并滲透到供電、變配電的不同環節。(3)適用性供電系統的適用性，是指地鐵供電系統的建設應滿足業主建設目的與性能要求。適用性要求地鐵供電系統應與城市特點、本線功能及特殊要求相適應。 (4)經濟性 經濟性不但要求節省工程投資，同時還要求降低運營成本。供電系統設計應優化電源網絡結構，實現外部電源共享；另外應盡可能采用成熟設備、新型材料。 (5)先進性 先進性體現在設計理念、先進的系統方案、先進的設備及工程先進的管理手段等方面。要充分認識到環境保護與節約能源的重要性，采取必要措施進行環境保護和降低能耗。1.5 供電系統的構成 地鐵供電電源通常取自城市電網，通過城市電網一次電力系統和地鐵供電系統實現輸送或變換，然后以適當的電壓等級供給地鐵各類設備。根據用電性質的不同，地鐵供電系統可分為兩部分：由牽引變電所為主組成的牽引供電系統和以降壓變電所為主組成的動力照明供配電系統2。(1)外部電源地鐵供電系統的外部電源就是為地鐵供電系統的主變電所或電源開閉所提供的外部城市電網電源。外部電源方案的形式，有集中式供電、分散式供電、混合式供電。(2)主變電所主變電所的功能是接受城市電網高壓電源，經降壓為牽引變電所、降壓變電所提供中壓電源，主變電所適用于集中式供電。(3)牽引供電系統牽引供電系統的功能是將交流中壓電壓降壓整流成直流1500V或750V電壓，為電動列車提供牽引供電，它包括牽引變電所與牽引網。(4)動力照明系統動力照明系統的功能是將交流中壓電壓降壓成交流380V/220V電壓，為各種運營設備提供低壓電源，它包括降壓變電所、動力照明配電系統。(5)雜散電流防護系統雜散電流防護系統的功能是減少因直流牽引供電系統引起的雜散電流并防止其對外擴散，盡量避免雜散電流對城市軌道交通本身及附近結構鋼筋、金屬管線的電腐蝕，并對雜散電流及其腐蝕防護情況進行檢測。71 第2章 外部電源2.1 概述地鐵供電系統由外部電源、主變電所、牽引供電系統、變配電系統組成。外部電源來自城市電網，外部電源涉及的內容包括外部電源方案形式、外部電源方案比選、外部電源設計原則等。2.2 外部電源方案的形式地鐵作為城市電網的特殊用戶，一條線其用電范圍多在1040km之間，呈線狀分布。究竟采用哪種供電方式，主要取決于城市電網的構成、分布及電源的容量。城市電網對地鐵的供電方式可采用集中式、分散式、混合式三種。2.2.1 集中式供電集中式供電是指由專門設置主變電所集中為牽引變電所及降壓變電所供電的外部電源方式。根據地鐵線路的長短和用電容量大小，建設一座或幾座地鐵專用主變電所，每個主變電所有兩路獨立的進線電源。在有牽引變電所的車站，可以把牽引變電所和降壓變電所建成牽引降壓混合變電所3。如圖2-1所示。集中式供電方案的主要特點如下：(1)在城市軌道交通沿線，建設主變電所，集中為牽引變電所及降壓變電所供電。(2)地鐵供電系統從城市電網引入高壓電源，與城市電網接口比較少，每座主變電所只從城市電網引入兩路獨立的進線電源，外部電源電壓等級一般為110kV。(3)地鐵供電系統相對獨立，自成系統，便于運營管理。 圖2-1 集中式供電、牽引-降壓混合配電網絡2.2.2 分散式供電分散式供電是指由就近分散引入的城市中壓電源直接(或通過電源開閉所間接)為牽引變電所及降壓變電所供電的外部供電形式，如圖2-2所示。分散式供電一般從城市電網引入10kV中壓電源，這就要求地鐵沿線有足夠的電源引入點及備用容量。從沿線就近引來的城網中壓電源，經電源開閉所母線向牽引變電所和降壓變電所提供中壓電源。一般情況下，兩個電源開閉所之間需要建立電源聯系，即兩個電源開閉所之間的供電分區通過雙環網電纜進行聯絡。分散式供電方案的主要特點如下：(1)在城市軌道交通沿線，直接從城網分散地引入多路中壓電源作為地鐵電源。(2)地鐵供電系統從城網引入中壓電源，與城網接口較多，平均每4到5個車站就要引入兩路電源。(3)地鐵供電系統與城網關系緊密，獨立性差，運營管理相對復雜。圖2-2 分散式供電、牽引-降壓混合配電網絡2.2.3 混合式供電 混合式供電方案，多指以集中式供電為主以分散式供電為輔的供電方式，混合式供電方案介于集中式與分散式供電之間的一種結合方案，根據城市電網現狀、規劃以及城市地鐵交通自身需要，吸收了集中式外部電源方案與分散式外部電源方案的各自優點，系統方案靈活、使供電系統完善可靠。如圖2-3所示。圖2-3 混合式供電、牽引-降壓混合配電網絡 2.3 地鐵供電方式選擇與分析(1)供電質量集中式供電的外部電源引自城市高壓電網，電壓等級高，輸電容量大，系統短路容量大，抗干擾能力強，電網電壓波動小；另外，地鐵主變電所一般裝有載自動調壓變壓器，因此中壓側電壓相對穩定，供電質量高。(2)供電可靠性對于集中式供電，由于主變電所進線電壓等級高，電氣設備的絕緣等級、制造水平、繼電保護配置等要求都比較高，線路故障率相對較低；同時，城市供電系統相對獨立，與城市電網接口少，城市其他負荷對地鐵供電系統干擾少。(3)中壓網絡電壓對于集中式供電，中壓網絡的電壓等級，不受城市電網電壓等級的限制，可根據用電負荷的供電距離等情況比選確定。目前集中式供電的中壓網絡電壓等級高，一般為35KV。這樣可以提高系統的供電能力與供電可靠性，同時可以降低線路功率損耗。(4)對城市電網影響地鐵供電系統對城市電網的影響主要表現在諧波影響和網壓波動兩個方面。目前牽引整流機組一般采用雙機組等效24脈波整流裝置。牽引整流機組的脈波數越高，產生的低次諧波就越少。采用集中式供電方式時，高次諧波經過多級變電所變換、分流以后，注入城市電網的諧波含量少。在網壓波動方面，采用集中式供電方案，牽引負荷產生的電壓波動和閃變在地鐵供電系統內部經過兩級變壓器轉換，逐漸變的平衡，對城市電網其他用戶的影響很小。(5)工程實施采用集中式供電，地鐵主變電所與城市電網接口較少，外部電源引入路徑相對較少，建設單位與城市協調工作相對較少，易于實施。第3章 主變電所3.1 概述對于集中式供電系統，應建設地鐵專用主變電所。本部分涉及內容較多，主要有主變電所選址、電氣主接線、主變壓器選擇、主變壓器中性點接地等。地鐵主變電所功能是接受城市電網高壓電源，經降壓后為牽引變電所、降壓變電所提供中壓電源。主變電所電氣主接線，可以從高壓側和中壓側兩個方面來描述。高壓側線路采用線路變壓器組接線形式；中壓側一般采用單母線分段形式，并設置母線分段開關。主變電器的選擇，包括主變壓器的臺數與容量的確定的原則、主變壓器形式選擇等。主變壓器高壓側接地方式按城市電網運行方式確定；中壓側中性點一般經過消弧線圈接地或接地電阻接地。3.2 主變電所選址地鐵變電所的用電負荷沿著地鐵線路走向呈線狀分布。這種負荷分布的特點，便要求主變電所的位置只能在地鐵沿線。主變電所位置盡量靠近軌道線路，以便減少主變電所至地鐵線路的電纜通道距離。一般地，主變電所位置離地鐵線路的距離控制在幾百米范圍以內。 主變電所位置的選擇，應按下述原則確定：(1)靠近負荷中心，鄰近城市軌道交通線路布置；(2)滿足中壓網絡電纜壓降要求；(3)各主變電所的負荷平衡，并使其兩側的供電距離基本相等；(4)靠近地鐵站，以縮短電纜通道的距離，減少和城市地下管網的交叉和干擾，具體位置應與城市供電部門和規劃部門共同商討；(5)應考慮路網規劃和其他地鐵線路資源共享，并預留電纜通道和容量；(6)便于電纜線路引入、引出，便于設備運輸；(7)具有適宜的地質、地形和地貌條件；(8)考慮主變電所與周圍環境、鄰近設施的相互影響。3.3 電氣主接線3.3.1 線路-變壓器組接線 (1)主變電所兩路高壓電源110kV主接線采用線路-變壓器組、兩斷路器的形式。如圖3-1所示。 (2)正常運行下，兩路線路各帶一臺主變壓器，接線簡單、高壓設備少、投資省、繼電保護簡單。(3)故障狀態下，恢復供電操作簡單方便，當一臺主變或一條線路故障退出運行時，只需在主變中壓側做轉移負載操作，由另一路進線電源的主變電所承擔本主變電所范圍內的全部一、二級用電負荷，對相鄰主變電所無影響。圖3-1 變壓器-線路組接線3.3.2 中壓側主接線形式主接線中壓側一般采用單母線分段形式，并設置母線分段開關。如圖3-2所示。正常情況下，兩段母線分裂運行；牽引變電所和降壓變電所可以從不同母線段取得中壓電源；當主變電所一段中壓母線失壓時，另一端中壓母線可以迅速恢復對牽引變電所和降壓變電所供電。 當一路高壓進線失電壓或一臺主變退出后，通過中壓母線分段開關迅速合閘，由另一臺主變壓器承擔本主變電所范圍內的全部一、二級用電負荷。當一段中壓母線故障時，該段母線上的進線開關分閘，同時該段母線上饋線所接的一級牽引或降壓變電所進線開關也應失壓跳閘，根據中壓供電網絡運行方式，由主變電所的另一段中壓母線繼續供電。圖3-2 主變壓器主接線圖3.4 主變壓器選擇主變壓器的選擇，包括主變壓器的臺數與容量的確定原則、主變壓器選型以及中性點接地方式等。3.4.1 主變壓器臺數的確定原則主變壓器臺數應結合供電網絡規劃、中壓網絡形式、系統運行方式、主變電所容量備用要求等因素綜合分析確定。地鐵3號線設置兩臺主變壓器。3.4.2 主變壓器容量的確定原則主變壓器容量應滿足“N-1準則”，即供電系統中有任意一個設備發生故障時，供電系統應能維持列車繼續運行4。主變正常運行時，兩臺主變壓器共同承擔本所供電范圍內的用電負荷。當一臺主變壓器退出運行時，另一臺主變壓器應能承擔本供電范圍內的一、二級用電負荷，保證列車正常運行，主變壓器容量的選擇應滿足該運行要求。3.4.3 主變壓器形式的選擇當不受運輸條件限制時，在330kV及以下的發電廠或變電所，均應選用三相變壓器。地鐵主變電所高壓側電壓為110kV，因而選擇三相變壓器。地鐵主變采用110/35kV兩線圈Y/接線變壓器，有載調壓開關裝在高壓側。3.5 主變壓器中性點接地方式主變壓器中性點接地方式是一個綜合問題 。它與電壓等級、單相接地短路電流、過電壓水平、保護配置等有關，直接影響供電系統的可靠性和連續性、主變壓器的運行安全以及對通信線路的干擾等。3.5.1 中性點接地方式的原則單相接地故障時對連續性供電的影響最小，用電設備能夠繼續運行較長時間。單相接地故障時，非接地相的過電壓倍數較低，不至于破壞用電系統的絕緣水平，發展為相間短路。發生單相接地故障時，能將故障電流對電動機、電纜等的危害限制到最低限度，同時有利于實現靈敏而有選擇性的接地保護。3.5.2 主變壓器中性點接地方式(1)主變電所110kV側中性點接地方式我國110kV及以上電力系統為中性點直接接地系統。但在實際運行中，主變壓器高壓側中性點是否直接接地，則根據地區電網具體情況確定。有時一個主變電所的兩臺主變壓器，其高壓側一臺接地而另一臺不接地。(2)主變電所35kV側中性點接地方式當接地電容電流大于10A(20kV63kV電網)時，中性點應經過消弧線圈接地或小電阻接地。(3)中性點設備選擇主變壓器大部分采用Y/接線。當主變電所無中性點或中性點未引出時，應裝設專用接地變壓器。選擇接地變壓器容量時，可考慮主變的短時過負荷能力。接地變壓器的特性要求是：零序阻抗低、空載阻抗高、損失小。第4章 中壓網絡4.1 概述中壓網絡不是供電系統中獨立的子系統，但是它卻是供電系統設計的核心內容。它的設計牽扯到外部電源方案、主變電所的位置及數量、牽引變電所及降壓變電所的位置與數量、牽引變電所與降壓變電所的主接線等。中壓供電網絡是通過中壓電纜，縱向把上級主變電所和下級牽引變電所、降壓變電所連接起來，橫向把全線的各個牽引變電所、降壓變電所連接起來，形成了中壓網絡。根據網絡功能的不同，把為牽引變電所供電的中壓網絡，稱為牽引網絡；同樣，把為降壓變電所供電的中壓網絡稱為動力照明網絡。中壓網絡有兩大屬性：一是電壓等級，二是構成形式。4.2 中壓網絡電壓等級4.2.1 電源等級的概念地鐵主變電所屬一級負荷，需要引入雙路110kV高壓電源對地鐵供電系統供電，既然屬于一級負荷，應該按照國家統一標準對一級負荷的要求進行設計。一級負荷的供電電源應符合下列規定：(1)一級負荷應有兩個電源供電，當一個電源發生故障時，另一個電源不應該同時受到損壞。(2)一級負荷中特別重要的負荷，除了由兩個電源供電外，尚應增設應急電源，并嚴禁將其他負荷接入應急系統。4.2.2 不同電壓等級的中壓網絡特點中壓供電網絡電壓等級與外電源供電方式的確定，與城市電網的分布與容量緊密相關，國內一般采用的中壓供電網絡為10kV、35kV兩個電壓等級。不同電壓等級的中壓網絡的特點如下：(1)35kV中壓網絡，國家標準電壓級。輸電容量較大、距離較長；設備來源國內；設備體積較大，占用變電所面積較大；設備價格適中；國內沒有環網開關，因而不能用(相對于斷路器柜)價格較便宜的環網開關，構成接線與保護簡單、操作靈活的環網系統。(2)33kV中壓網絡，國際標準電壓級。輸電容量較大、距離較長，基本與35kV一致；設備來源國外，不利于國產化；國外開關設備體積較小、價格較高。(3)20kV中壓網絡，國際標準電壓級。輸電容量及距離適中，比10kV系統大。設備完全實現國產化；引進MG、ALSTHOM等技術的開關設備，體積較小，占用變電所面積遠小于國產35kV設備，有利減小車站體量，節省土建投資；價格適中；有環網單元，能構成接線與保護簡單、操作靈活的環網系統。(4)10kV中壓網絡，國家標準電壓級。輸電容量較小、距離較短；設備來源國內；設備體積適中；設備價格較低；環網開關技術成熟、運營經驗豐厚，可用其構成保護簡單、操作靈活的環網系統。4.2.3 地鐵中壓供電網絡電壓等級選擇地鐵3號線采用35kV牽引動力照明混合網絡，它采用同一電壓等級，并通過公用電源電纜同時向牽引變電所、降壓變電所提供中壓電能，供電系統的整體性比較好。而且地鐵3號線途徑繁華地段，客運量大，要求供電的可靠性高，更宜采用35kV電壓等級。4.3 中壓網絡的構成4.3.1 概述城市電網中壓網絡常用的典型接線有：單電源輻射網、“手拉手”環網、電纜單環網、電纜雙環網等。而地鐵3號線則采用電纜雙環網接線形式。中壓網絡的重要指標是供電可靠性，具體要求如下：中壓網絡負荷轉移能力必須滿足N-1安全準則；主變電所失去任何一路進線或一臺主變退出運行而降低供電能力時，中壓網絡應具有轉移一、二級負荷的能力；主變電所的中壓一段母線因故障退出時，中壓網絡應具有轉移一、二級負荷的能力。4.3.2 中壓網絡的構成原則中壓網絡的構成形式涉及很多方面，在電壓等級確定的前提下，應遵循以下原則：(1)環網供電，調度方便，誤操作機會為零滿足安全可靠的供電要求；(2)滿足潮流計算要求，即設備容量及電壓降要滿足要求；(3)接線簡單，負荷平衡，滿足繼電保護的要求；(4)滿足運行管理、倒閘操作的要求；(5)每一個牽引變電所、降壓變電所均應有兩路電源；(6)供電分區應就近引入電源，必要時可從負荷中心引入電源，盡量避免返送電；(7)全線牽引變電所、降壓變電所的主接線盡量一致；(8)滿足設備選型要求。4.3.3地鐵中壓網絡構成形式地鐵3號線的牽引網絡與動力照明系統采用同一電壓等級，即牽引動力照明混合網絡。其基本接線如圖41所示。圖4-1 牽引動力照明混合網絡將全線的牽引變電所及降壓變電所分成若干個供電分區，根據負荷要求、電壓等級及節能的需要，確定每個供電分區內的牽引變電所和降壓變電所的數量。每一個供電分區均從主變電所的不同母線就近引入兩個中壓電源，中壓網絡采用雙環網接線方式。牽引降壓混合變電所主接線采用分段單母線加母線分段開關形式；降壓變電所的主接線可采用分段單母線加母線分段開關形式，也可以取消母線分段開關。4.4 主變電所的運行方式主變電所的運行方式主要有三種：正常運行方式；單故障運行方式；主變電所退出運行方式。兩個主變電所之間的供電分區設置環網電纜聯絡。如圖4-2所示。圖4-2 供電分區聯絡電源示意圖4.4.1 正常運行方式在正常情況下，每座主變電所各自承擔所轄范圍內所有變電所的負荷，除中壓母線開關、應急聯絡開關為分段狀態外，其余進、出線開關均在閉合狀態。4.4.2 單故障運行方式主變電所單故障類型有以下三種：主變電所一個進線電源失電壓；單臺主變壓器退出；主變電所一段中壓母線故障。(1)主變電所一個進線電源失電壓該主變電所采用線路變壓器組接線方式，當主變電所一個進線電源失電后，由另一個進線電源的主變壓器承擔本主變電所范圍內的全部一、二級負荷。(2)單臺主變壓器退出當單臺主變退出后，中壓母線分段開關合閘，由另一臺主變壓器承擔本主變電所范圍內的全部一、二級用電負荷。(3)主變電所一段中壓母線故障當一段中壓母線故障時，該段母線上的進線開關分閘，同時該段母線上饋線所接的第一級變電所進線開關也應失壓跳閘；通過倒閘操作，由主變電所的另一段中壓母線繼續供電。4.4.3 主變電所退出時運行方式當一座主變電所退出后，首先應將該主變電所所有饋出開關分閘，將該主變電所和中壓網絡電氣隔離，使該主變電所處于無電狀態；解除QF1、QF2應急聯絡開關的閉鎖關系并合閘，通過兩個主變電所之間的供電分區間的聯絡電纜，由相鄰主變電所向該主變電所供電，承擔該主變電所所轄范圍內一定的用電負荷。 第5章 牽引供電系統5.1 概述本部分分為牽引變電所設置和主接線兩個部分。從牽引變電所選址入手，對牽引變電所的設置、牽引變電所的中壓主接線和直流主接線的形式及其運行方式進行分析。牽引變電所引入兩路獨立的中壓交流電源，并將交流電能轉換為直流電能，承擔著向電動列車提供直流牽引電能的功能。地鐵3號線牽引變電所與車站降壓變電所合建，構成牽引降壓混合變電所。牽引變電所中壓主接線采用單母線分段方式，兩套整流機組接于同一段母線上，保證兩套牽引整流機組出力平衡和構成24脈波整流；牽引變電所直流主接線采用單母線系統。牽引變電所通過直流斷路器分別向上下行接觸網供電，以保證列車安全可靠地運行。根據運行需要，牽引變電所可以雙機組運行或單機組運行，對牽引網實行雙邊供電或大雙邊供電。牽引供電系統中，一座或幾座牽引變電所退出運行，不應影響地鐵的運輸能力，其前提是退出運行的牽引變電所必須是“相隔兩座”5。5.2 牽引變電所選址原則牽引變電所是牽引供電系統的核心，起到為電動列車供應直流電能的作用。牽引變電所位置的選擇，應遵循以下原則進行：(1)對于地下線路，如果地面有地方，牽引變電所設于地面比較合適，以便于運營維護。在線路通過人口稠密、商業繁華的地區時，線路需從地下通過，此時牽引變電所宜建在地下。(2)地下車站設置牽引變電所時，一般位于車站站臺端，或建于車站一側端頭井以里；地面車站設置牽引變電所時，宜與地面站務用房合建。 (3)牽引變電所的設置應首先考慮有列車檢修線的車站一端，檢修線應由專用回路供電，列車夜間檢修時，不影響線路的正常停電維修。(4)地下車站牽引變電所應和車站主排水站分別設于車站的兩端，以免牽引變電所的地下通道滲水。地鐵3號線牽引變電所一般設置在地下車站站臺端，按照負荷計算結果確定各個車站具體地址。5.3 牽引變電所主接線牽引變電所主接線由交流中壓開關設備、牽引整流機組、直流開關設備等幾部分組成。主接線應滿足可靠性、靈活性的基本要求。主接線的可靠性包括一次部分和二次部分綜合的可靠性，需采用可靠性高的電氣設備簡化接線。具體要求為：開關故障時，不影響對牽引負荷的供電；母線故障或檢修時，很短時間內恢復送電。主接線應滿足調度、檢修靈活性要求。在故障運行方式、檢修運行方式下，調度時可以靈活的投入和退出，檢修時可方便停運開關及其繼電保護設備，不影響系統運行。5.3.1 中壓主接線(1)中壓主接線形式牽引變電所中壓主接線兩套牽引整流機組接同一段母線，設分段開關。這樣的接法有利于平衡兩套整流機組的輸出負荷，同時也有利于構成等效24脈波整流，有利于諧波治理。當一套牽引整流機組故障退出后，另一套牽引整流機組在過負荷允許的情況下，可以繼續維持運行。其接線圖如圖5-1所示。圖5-1 牽引中壓側單母線分段(2)中壓主接線運行方式分段單母線接線有以下幾種運行方式：正常運行方式正常運行時，兩個獨立的進線電源同時供電，兩段母線并列運行。進線電源失壓運行方式一個進線電源失壓退出后，分段開關自動投入運行，由另一個進線電源向本變電所的兩段母線供電。母線故障運行方式當一段母線退出后，閉鎖分段開關自投功能，分段開關不投入運行，另一段母線繼續運行。此時，若牽引整流機組在該段母線上，則該段牽引變電所的整個牽引直流系統退出運行，直流牽引供電系統只能通過直流系統內部的控制操作，相鄰牽引變電所實施大雙邊供電。5.3.2 直流側主接線(1)直流側主接線形式直流側主接線采用單母線系統，兩路進線采用直流斷路器，設置四路直流饋出線。牽引整流機組的負極采用電動隔離開關，為實現自動化、遠動調度操作提供條件。同一饋電分區電分段處上行和下行之間設有縱向隔離開關。如圖5-2所示。圖5-2 牽引直流側接線該接線系統無論是在牽引整流機組、直流進線、直流母線、母線饋線開關故障或檢修退出時，均能實現不影響直流牽引供電系統運行的要求，系統運行的可靠性很高，造價低。(2)直流側主接線運行方式單母線系統直流側主接線運行方式主要體現在備用母線、上下行縱向隔離開關的設置上，其主要運行方式如下：正常運行方式牽引變壓器采用雙機組等效24脈波整流方式，雙機組并列運行。直流進線開關、饋線開關及上網電動隔離開關均閉合，縱向電動隔離開關處于斷開狀態。該牽引變電所與相鄰牽引變電所對同一供電分區維持正常的雙邊供電。單套牽引整流機組退出運行時運行方式牽引整流機組交流進線開關QF1(QF2)因牽引整流機組U1(U2)故障而跳閘時，進線直流斷路器QF3(QF4)則被聯動跳閘；另一套整流機組U2(U1)在其過負荷能力允許的情況下承擔全部牽引負荷，該牽引變電所與相鄰牽引變電所對同一供電分區維持正常的雙邊供電。兩套整流機組退出時運行方式兩套整流機組U1、U2退出運行時運行方式與單套牽引整流機組退出時允許方式相同。控制中心對上傳的保護信號等信息進行判別，若非直流母線短路或框架保護動作時，則遙控閉合直流饋線開關QF5、QF6、QF7、QF8。相鄰牽引變電所通過本站直流母線和饋線開關構成大雙邊供電，倒閘期間，不中斷列車的正常運行。直流母線退出時運行方式開關柜直流母線發生故障時，進線的直流斷路器則被框架保護聯動跳閘，同時框架保護聯跳全部饋線開關；如進線為電動隔離開關，框架保護聯跳全部饋線開關和兩套牽引整流機組交流進線開關。控制中心遙控上網電動隔離開關。在滿足縱向電動隔離開關合閘的條件下，如縱向電動隔離開關連接兩端的牽引網電壓無壓時，可遙控縱向隔離開關QS1、QS2,相鄰牽引變電所可通過本牽引變電所縱向隔離開關構成大雙邊供電。5.4 牽引供電系統保護5.4.1 概述地鐵牽引供電系統可分為兩個部分：交流中壓系統和直流牽引系統。交流中壓系統的保護主要有35kV進、出線保護和母聯開關處的保護等。直流牽引供電系統的保護可分為牽引整流機組保護和直流饋出保護。牽引供電系統保護的最大特點就是系統的“多電源”和保護的“多死區”。針對這兩點，牽引供電系統除交流系統常用的保護外，還采用了牽引變電所內部聯跳、牽引網雙邊聯跳、di/dtI等特殊保護措施，這就可以完全滿足牽引供電系統發生故障時及時切斷電源、消除死區的要求6。5.4.2 交流中壓系統保護(1)AC35kV進、出線處設有線路差動保護、過電流保護、零序電流保護35kV進、出線處可能出現的故障有單相接地短路和相間短路，由電流互感器檢測線路上的電流，當出現單相接地短路時，零序電流互感器上檢測出線路上出現零序電流，當該電流大于下一線路出口處相間短路時所出現的最大不平衡電流，則會啟動零序過電流保護使斷路器跳閘；當線路出現相間短路時，線路差動保護作為主保護，而當線路差動保護拒動時，由過電流保護作為后備保護啟動斷路器跳閘，以切除故障。其進線保護整定計算如下：電流速斷保護按躲過保護范圍末端最大短路電流整定，一般為：(可靠系數，一般取)過電流保護其啟動電流按照躲開線路最大負荷電流來整定，即:(過電流保護系數，一般取；電流繼電器的返回系數，數值大于1；自啟動系數，一般取)線路差動保護整定值應大于外部故障時的最大不平衡電流，即 (可靠系數，一般大于1)防止電流互感器二次回路斷線時保護誤動， (最大負荷電流，可靠系數，一般取1.3)；應躲開勵磁涌流的影響：按照上述三原則整定后，取整定值最大者為最終差動保護的整定值。(2)AC35kV母線聯絡開關處設有電流速斷保護、過電流保護、過電壓保護、零序電流保護 繼電保護裝置接收母線連接處電流互感器檢測到的母線電流和電壓互感器PT1檢測到的AC35kV進線的電壓，當出現短路故障時，電流速斷作為主保護且過電流保護作為后備保護動作使相應的斷路器跳閘，切除故障；繼電保護裝置接收電壓互感器PT2檢測到的AC35kV出線上的電壓，當出現單相接地短路時，零序過電壓保護動作使相應斷路器跳閘，以切除故障；當出現相間短路時過電壓保護動作使該斷路器跳閘，以切除故障6。5.4.3 直流牽引系統保護(1)牽引變電所聯跳直流牽引系統當牽引變電所兩臺整流機組的直流(或交流)進線開關故障跳閘時，同時聯跳四路直流饋出開關，稱之為變電所聯跳。牽引變電所聯跳保護適用于以下兩種情況：牽引變電所的兩套整流機組開關同時因故障跳閘；牽引變電所任何一路直流饋出開關失靈拒動。牽引變電所聯跳是解決牽引供電系統無遠后備保護的唯一可靠的方法。設置牽引變電所聯跳的根本原因就是因為牽引變電所的直流斷路器失靈拒動時，沒有遠后備保護，因為地鐵牽引供電系統短路的特點就是多電源、多回路、多參數。牽引變電所6臺直流開關中任一臺失靈拒動，只跳其上級斷路器是不能切斷電源的，還有五路開關向短路點供電。因此，解決牽引變電所直流斷路器的遠后備保護，只有實現牽引變電所聯跳。如圖5-3所示。當直流進線開關上口至整流器出口處短路時，如短路點，則流向短路點的短路電流共有6路，即2路整流機組、4路饋出回路的短路電流 當點發生短路時，如果直流開關失靈拒動，即便是短路電流使直流開關DS2跳閘，并使交流開關QF1、QF2也同時跳閘，也不能切斷短路點的電源，還有、四路短路電流通過牽引網向短路點繼續供電，要迅速切斷電源，必須同時使四路饋出開關DS3、DS4、DS5、DS6同時跳閘，即實現牽引變電所聯跳。 當直流母線短路時，如短路點，則流向短路點的短路電流也是6路，即此時只斷QF1、QF2是不能切斷短路電流的，還有、四路短路電流向短路點繼續供電，要迅速切斷電源，也必須使四路饋出開關跳閘，即實現牽引變電所聯跳。圖5-3 牽引變電所聯跳 當牽引網發生短路時，如短路點，流入短路點的短路電流也為6路 由上面分析可知，無論牽引供電系統何處發生短路，直流開關都沒有遠后備保護，因為其上一級有多路電源、多路開關。當開關失靈拒動時，只有實現牽引變電所聯跳才能及時而迅速切斷電源，保證列車正常運行。(2)直流饋出保護直流饋出保護，在牽引供電系統中是最重要的保護。因供電方式不同而形成保護上的不同的死區；因供電的對象是隨時變化并移動的負荷，還需要在保護上進行配合，這就形成了保護上特殊要求。直流饋出保護首先是以保障列車的正常運行、保護旅客的人身安全為第一要素。大電流短路速動保護這是直流快速開關自身的大電流整定，主要是作為直流短路保護。它的整定值應躲開一列車的最大起動電流與區間的列車平均電流之和，在一般情況下，按下式整定式中 列車最大起動電流； 直流快速開關額定電流饋出開關的大電流整定值，需大于列車起動電流，以保證列車正常起動，而列車起動電流又可能大于末端短路電流，形成線路上保護不了的死區，即 式中 列車起動電流； 末端最小短路電流。從上式可以看出，當線路末端發生短路時，或列車啟動時，開關的大電流整定均不動作。 雙邊聯跳保護雙邊供電時向同一供電分區的相鄰變電所的兩路饋線開關，當一路開關事故跳閘后，強迫另一路開關跳閘，雙邊聯跳是解決死區保護的重要措施之一。 電流增量保護這是根據以下兩個條件鑒別短路電流和列車起動電流的區別： 短路電流的初始上升率di/dt大于列車起動電流上升率di/dt； 短路電流增量大于列車起動電流增量。一般整定為 第6章 供配電系統6.1 概述地鐵供配電系統和牽引供電系統同樣是地鐵供電系統的重要組成部分。降壓變電所將中壓電能轉換到低壓電能，向車站、區間、車輛段、控制中心所有低壓用電負荷提供電能，使地鐵安全運營得到可靠地保障。供配電系統中壓電源側和牽引供電系統中壓交流側電壓一致，采用混合網絡，地鐵3號線采用35kV電壓級，分段單母線中壓接線形式。兩臺配電變壓器分別接在不同母線上，分裂運行。降壓變電所電源應有兩個獨立的引入電源。主接線的確定和動力照明配電系統、降壓變電所本身運行的可靠性、靈活性、經濟性密切相關。供配電系統的低壓側則完全和地面工程相同，采用三相五線制TN-S系統。變壓器中性點直接接地，中性線和接地線分開，即三根相線、一根中性線、一根接地線7。6.2 降壓變電所選址原則地鐵每個車站都應設降壓變電所，因為它是保證旅客運行中有良好秩序和良好環境的動力供應中心，降壓變電所的位置應靠近負荷中心，盡量靠近大負荷空調設施的冷水機組，以縮短電纜長度和減小電纜截面積，降低能耗。對于地下車站的島式站臺，降壓變電所一般設于站臺一側，對于大型車站，因負荷增加，也可在站臺兩端均設降壓變電所，一端為主所，另一端為輔助變電所。各負責半個車站和相鄰半個區間的供電。對于側式站臺的地下車站，也可以設在車站中部。降壓變電所在有牽引變電所的車站一般與牽引變電所合建成混合變電所。6.3 降壓變電所主接線雙電源是地鐵供電的原則，降壓變電所應有兩路中壓電源，兩路電源可以來自相鄰車站的牽引變電所或降壓變電所，降壓變電所主接線由交流中壓開關設備、降壓變壓器、交流低壓開關設備等幾部分組成。主接線的可靠性包括一次部分和相應二次部分綜合的可靠性，其很大程度取決于設備的可靠性，采用可靠性高的電氣設備可以簡化接線。當開關故障或檢修、或單段母線故障或檢修時，不應影響一、二級負荷供電持續性。主接線在滿足可靠性、先進性、靈活性要求的前提下，做到經濟合理。6.3.1 中壓主接線這里降壓變電所中壓主接線采用單母線分段，設分段開關。單臺配電變壓器正常負載率宜在70%左右，并應滿足本降壓變電所一、二級低壓負荷的用電要求。(1)中壓主接線形式降壓變電所中壓電源側為分段母線，設母線分段開關，母線分段開關可手動和遠動操作。降壓變電所在兩段母線上各設一臺降壓變壓器，其接線組別采用D，Yn11。如圖6-1所示。圖6-1 降壓變電所中壓側分段單母線(2)中壓主接線運行方式正常運行時，兩個獨立的進線電源同時供電，兩臺變壓器分裂運行，負載率應盡量接近。故障運行時，主要有以下幾種：一個進線電源QF1(QF2)失壓退出運行后方式一:根據低壓負荷情況，自動或手動切除三級負荷，另一臺配電變壓器TM2(TM1)承擔本降壓變電所全部一、二級負荷的正常用電。一個進線電源QF1(QF2)失壓退出運行后方式二：分段開關QF5自動投入運行，由另一個進線電源QF2(QF1)向本降壓變電所的兩段母線供電。兩個進線電源QF1、QF2失壓退出后，通過調度令倒閘操作，由相鄰變電所反向提供中壓電源QF3、QF4。采用這種方式時，倒閘操作需要一定的時間。期間，本降壓變電所暫時退出，對線路運營有短時的影響。當一段母線退出后，閉鎖分段開關QF5自投功能，分段開關不投入運行，另一段母線繼續運行。根據低壓負荷使用情況，自動或手動切除三級負荷，另一段母線上的配電變壓器承擔本降壓變電所全部一、二級負荷的正常用電。當一臺降壓變壓器TM1(TM2)退出后，根據低壓負荷情況，自動或手動切除三級負荷，另一臺降壓變壓器TM2(TM1)承擔本降壓變電所全部一、二級負荷的正常用電。6.3.2 低壓主接線(1)負荷分類及配電原則一級負荷變電所操作電源，通信設備自動售檢票系統設備，屏蔽門、安全門設備，火災自動報警設備，消防系統設備，監控系統設備，防護門，電動閥門，消防泵，地下車站公共區一般照明，應急照明，用于疏散旅客的自動扶梯等。站廳及站臺照明由降壓變電所兩端低壓母線分別供電，各帶約50%的照明負荷。其他一級負荷應由雙電源雙回路供電，當一個電源發生故障時，另一路電源不應同時受到破壞。一級負荷中特別重要的負荷應設置不間斷電源裝置。二級負荷與消防無關的風機，污水泵，設備管理用房照明，不用于疏散旅客的自動扶梯等。二級負荷宜雙回路供電。對電梯及其他距變電所不超過半個站臺有效長度的負荷，可采用雙電源單回路專線供電。三級負荷空調制冷系統設備，廣告照明，電熱設備，鍋爐設備等。三級負荷可為單電源單回線路供電，當系統中只有一個電源工作時允許自動切除該負荷。(2)低壓主接線形式0.4kV配電系統直接面向車站、區間的低壓用戶，從用電設備負荷分類來講，一、二級負荷占絕大多數，對低壓電源的可靠性要求高。降壓變電所低壓側主接線為單母線分段，設分段開關，失電壓自投、過電流閉鎖、來電自復。兩端低壓母線上的負荷應盡量均衡匹配，以與配電變壓器安裝容量相匹配。降壓變電所低壓側采用集中補償，0.4kV低壓母線設電力電容器組，以控制功率因數正常范圍內。如圖6-2所示。(3)低壓主接線運行方式正常運行時，兩個獨立的低壓電源同時供電，兩段母線分裂運行。當一個低壓進線電源失壓時，進線開關與母線分段開關可以采用“自投自復、自動手復、手動手復”等投入方式。即當一個低壓進線電源失壓延時跳閘時，母線分段開關自動或手動投入，另一個低壓進線電源向兩段母線供電。該低壓進線電源來電時，母線分段開關自動或手動分閘，該低壓進線開關自動或手動合閘，恢復正常運行方式8。 圖6-2 降壓變電所低壓側主接線 第7章 地鐵供電系統容量計算7.1 概述地鐵供電計算在地鐵供電系統占