地铁供电系统设计

第1章绪论 (1)

1.1 地铁供电系统设计的背景与意义 (1)

1.2 地铁供电系统国内外现状 (1)

1.3 供电系统的功能 (1)

1.4 供电系统的基本要求 (1)

1.5 供电系统的构成 (2)

第2章外部电源 (4)

2.1 概述 (4)

2.2 外部电源方案的形式 (4)

2.2.1 集中式供电 (4)

2.2.2 分散式供电 (5)

2.2.3 混合式供电 (6)

2.3 地铁3号线供电方式选择与分析 (6)

第3章主变电所 (8)

3.1 概述 (8)

3.2 主变电所选址 (8)

3.3 电气主接线 (9)

3.3.1 线路-变压器组接线 (9)

3.3.2 中压侧主接线形式 (9)

3.4 主变压器选择 (10)

3.4.1 主变压器台数的确定原则 (10)

3.4.2 主变压器容量的确定原则 (10)

3.4.3 主变压器形式的选择 (11)

3.5 主变压器中性点接地方式 (11)

3.5.1 中性点接地方式的原则 (11)

3.5.2 主变压器中性点接地方式 (11)

第4章中压网络 (12)

4.1 概述 (12)

4.2 中压网络电压等级 (12)

4.2.1 电源等级的概念 (12)

4.2.2 不同电压等级的中压网络特点 (12)

4.2.3 地铁3号线中压供电网络电压等级选择 (13)

4.3 中压网络的构成 (13)

4.3.1 概述 (13)

4.3.2 中压网络的构成原则 (13)

4.3.3 地铁3号线中压网络构成形式 (14)

4.4 主变电所的运行方式 (14)

4.4.1 正常运行方式 (15)

4.4.2 单故障运行方式 (15)

4.4.3 主变电所退出时运行方式 (15)

第5章牵引供电系统 (17)

5.1 概述 (17)

5.2 牵引变电所选址原则 (17)

5.3 牵引变电所主接线 (18)

5.3.1 中压主接线 (18)

5.3.2 直流侧主接线 (19)

5.4 牵引供电系统保护 (20)

5.4.1 概述 (20)

5.4.2 交流中压系统保护 (21)

5.4.3 直流牵引系统保护 (22)

第6章供配电系统 (25)

6.1 概述 (25)

6.2 降压变电所选址原则 (25)

6.3 降压变电所主接线 (25)

6.3.1 中压主接线 (26)

6.3.2 低压主接线 (27)

第7章地铁供电系统容量计算 (29)

7.1 概述 (29)

7.2 地铁供电容量计算的前提 (29)

7.3 牵引变电所容量计算 (29)

7.3.1 牵引负荷特点 (29)

7.3.2 评估牵引供电系统的指标 (30)

7.3.3 地铁3号线牵引变电所供电计算 (31)

7.4 降压变电所用电计算 (31)

7.4.1 概述 (31)

7.4.2 地铁变配电设计负荷计算 (32)

7.4.4 无功功率补偿 (36)

7.4.5 配电变压器选择 (36)

7.4.6 地铁3号线降压变电所用电计算 (37)

7.5 主变压器用电计算 (38)

7.5.1 概述 (38)

7.5.2 地铁3号线柏林庄站主变电所用电计算 (38)

7.6 结论 (38)

第8章杂散电流与接地 (39)

8.1 概述 (39)

8.2 杂散电流 (39)

8.2.1 杂散电流的产生 (39)

8.2.2 杂散电流的危害 (39)

8.2.3 杂散电流的保护 (40)

8.3 地铁接地系统 (40)

第9章短路计算 (41)

9.1 概述 (41)

9.2 交流系统短路计算 (41)

9.2.1 计算意义 (41)

9.2.2 交流短路计算的内容 (41)

9.2.3 中压交流系统 (42)

9.2.4 低压交流系统 (43)

9.2.5 中山广场牵引降压混合所交流短路计算示例 (44)

9.3 直流系统短路计算 (47)

9.3.1 计算意义 (47)

9.3.2 牵引变电所内阻 (47)

9.3.3 直流短路计算的方法 (48)

9.3.4 中山广场牵引降压混合所直流短路计算示例 (51)

第10章结论 (54)

参考文献 (55)

附录A 外文资料 (56)

附录B 中文翻译 (57)

附录C 相关图纸 (64)

第1章绪论

1.1 地铁供电系统设计的背景与意义

地铁是一种独立的地下有轨交通系统，不受地面道路状况和天气情况的影响，能够按照设计的能力正常运行，从而快速、安全、舒适地运送乘客。地铁供电系统，是城轨工程中重要机电设备系统之一，采用直流制供电方式供电。它担负着为电动列车和各种运营设备提供电能的重要任务，也是城市电网的重大用户。地铁的运营具有良好的社会效益，正日益成为人们日常生活中密不可分的一部分。因此，地铁供电系统的研究对于地铁的发展有着极其重要的意义。

1.2 地铁供电系统国内外现状

国外地铁交通已有140多年历史，目前已呈现出多元化的发展趋势。世界上第一条蒸汽式地铁列车于英国伦敦通车，从第一条地铁诞生起，欧美的地铁交通发展较快。不久便开启了电气化地铁线路的先河，地铁从此步入连续不断的发展时期。现代地铁技术的标志，当以舒适的车辆和行车控制技术为代表。

进入21世纪以来，随着我国大城市交通问题的日益突出，大力发展地铁交通已达成共识。目前我国城市地铁交通建设已进入了大规模高速发展阶段，国内现有30多个城市正在建设或规划筹建地铁工程，北京、上海、广州等特大城市的地铁发展已步入了网络化发展时代。而供电系统作为地铁的重要组成部分，也随着地铁的发展而快速发展。

1.3 供电系统的功能

地铁供电系统是地铁的动力源泉，负责电能的供应和运输，分别为电动列车牵引供电和提供车站、区间、车辆段、控制中心等其他建筑物所需要的动力照明用电。地铁供电系统应具备安全可靠、经济适用、调度方便的特点，其总体功能应具备供电系统服务功能、故障自救功能、自我保护功能、防误操作功能、便于调度功能、完善的控制、显示和计量功能和电磁兼容功能等[1]。

1.4 供电系统的基本要求

地铁供电系统应满足安全性、可靠性、经济性、先进性的基本要求。

(1)安全性

供电系统的安全性，关系着乘客安全、运营人员安全、行车安全、设备安全等多个方面，而且各种安全性是相互联系、不可分割的。

供电系统设计时，一般从系统安全性和设备安全性两个方面分析。系统安全性分析，一般包括连锁关系、继电保护、牵引网、直流牵引系统、综合接地系统、应急电源等方面；设备安全性分析，一般包括变压器、牵引整流器、断路器、隔离开关、接地开关、电缆等方面。

(2)可靠性

供电系统的可靠性，是正常运营、事故处理、火灾救援等方面的前提条件。供电系统可靠性涉及到规划、设计、运行管理等各个方面，并渗透到供电、变配电的不同环节。

(3)适用性

供电系统的适用性，是指地铁供电系统的建设应满足业主建设目的与性能要求。适用性要求地铁供电系统应与城市特点、本线功能及特殊要求相适应。

(4)经济性

经济性不但要求节省工程投资，同时还要求降低运营成本。供电系统设计应优化电源网络结构，实现外部电源共享；另外应尽可能采用成熟设备、新型材料。

(5)先进性

先进性体现在设计理念、先进的系统方案、先进的设备及工程先进的管理手段等方面。要充分认识到环境保护与节约能源的重要性，采取必要措施进行环境保护和降低能耗。

1.5 供电系统的构成

地铁供电电源通常取自城市电网，通过城市电网一次电力系统和地铁供电系统实现输送或变换，然后以适当的电压等级供给地铁各类设备。根据用电性质的不同，地铁供电系统可分为两部分：由牵引变电所为主组成的牵引供电系统和以降压变电所为主组成的动力照明供配电系统[2]。

(1)外部电源

地铁供电系统的外部电源就是为地铁供电系统的主变电所或电源开闭所提供的外部城市电网电源。外部电源方案的形式，有集中式供电、分散式供电、混合式供电。

(2)主变电所

主变电所的功能是接受城市电网高压电源，经降压为牵引变电所、降压变电所提供中压电源，主变电所适用于集中式供电。

(3)牵引供电系统

牵引供电系统的功能是将交流中压电压降压整流成直流1500V或750V电压，为电动列车提供牵引供电，它包括牵引变电所与牵引网。

(4)动力照明系统

动力照明系统的功能是将交流中压电压降压成交流380V/220V电压，为各种运营设备提供低压电源，它包括降压变电所、动力照明配电系统。

(5)杂散电流防护系统

杂散电流防护系统的功能是减少因直流牵引供电系统引起的杂散电流并防止其对外扩散，尽量避免杂散电流对城市轨道交通本身及附近结构钢筋、金属管线的电腐蚀，并对杂散电流及其腐蚀防护情况进行检测。

第2章外部电源

2.1 概述

地铁供电系统由外部电源、主变电所、牵引供电系统、变配电系统组成。外部电源来自城市电网，外部电源涉及的内容包括外部电源方案形式、外部电源方案比选、外部电源设计原则等。

2.2 外部电源方案的形式

地铁作为城市电网的特殊用户，一条线其用电范围多在10～40km之间，呈线状分布。究竟采用哪种供电方式，主要取决于城市电网的构成、分布及电源的容量。城市电网对地铁的供电方式可采用集中式、分散式、混合式三种。

2.2.1 集中式供电

集中式供电是指由专门设置主变电所集中为牵引变电所及降压变电所供电的外部电源方式。根据地铁线路的长短和用电容量大小，建设一座或几座地铁专用主变电所，每个主变电所有两路独立的进线电源。在有牵引变电所的车站，可以把牵引变电所和降压变电所建成牵引—降压混合变电所[3]。如图2-1所示。

集中式供电方案的主要特点如下：

(1)在城市轨道交通沿线，建设主变电所，集中为牵引变电所及降压变电所供电。

(2)地铁供电系统从城市电网引入高压电源，与城市电网接口比较少，每座主变电所只从城市电网引入两路独立的进线电源，外部电源电压等级一般为110kV。

(3)地铁供电系统相对独立，自成系统，便于运营管理。

图2-1 集中式供电、牵引-降压混合配电网络

2.2.2 分散式供电

分散式供电是指由就近分散引入的城市中压电源直接(或通过电源开闭所间接)为牵引变电所及降压变电所供电的外部供电形式，如图2-2所示。分散式供电一般从城市电网引入10kV中压电源，这就要求地铁沿线有足够的电源引入点及备用容量。从沿线就近引来的城网中压电源，经电源开闭所母线向牵引变电所和降压变电所提供中压电源。一般情况下，两个电源开闭所之间需要建立电源联系，即两个电源开闭所之间的供电分区通过双环网电缆进行联络。

分散式供电方案的主要特点如下：

(1)在城市轨道交通沿线，直接从城网分散地引入多路中压电源作为地铁电源。

(2)地铁供电系统从城网引入中压电源，与城网接口较多，平均每4到5个车站就要引入两路电源。

(3)地铁供电系统与城网关系紧密，独立性差，运营管理相对复杂。

图2-2 分散式供电、牵引-降压混合配电网络

2.2.3 混合式供电

混合式供电方案，多指以集中式供电为主以分散式供电为辅的供电方式，混合式供电方案介于集中式与分散式供电之间的一种结合方案，根据城市电网现状、规划以及城市地铁交通自身需要，吸收了集中式外部电源方案与分散式外部电源方案的各自优点，系统方案灵活、使供电系统完善可靠。如图2-3所示。

图2-3 混合式供电、牵引-降压混合配电网络

2.3 地铁供电方式选择与分析

(1)供电质量

集中式供电的外部电源引自城市高压电网，电压等级高，输电容量大，系统短路容

量大，抗干扰能力强，电网电压波动小；另外，地铁主变电所一般装有载自动调压变压器，因此中压侧电压相对稳定，供电质量高。

(2)供电可靠性

对于集中式供电，由于主变电所进线电压等级高，电气设备的绝缘等级、制造水平、继电保护配置等要求都比较高，线路故障率相对较低；同时，城市供电系统相对独立，与城市电网接口少，城市其他负荷对地铁供电系统干扰少。

(3)中压网络电压

对于集中式供电，中压网络的电压等级，不受城市电网电压等级的限制，可根据用电负荷的供电距离等情况比选确定。目前集中式供电的中压网络电压等级高，一般为35KV。这样可以提高系统的供电能力与供电可靠性，同时可以降低线路功率损耗。

(4)对城市电网影响

地铁供电系统对城市电网的影响主要表现在谐波影响和网压波动两个方面。

目前牵引整流机组一般采用双机组等效24脉波整流装置。牵引整流机组的脉波数越高，产生的低次谐波就越少。采用集中式供电方式时，高次谐波经过多级变电所变换、分流以后，注入城市电网的谐波含量少。在网压波动方面，采用集中式供电方案，牵引负荷产生的电压波动和闪变在地铁供电系统内部经过两级变压器转换，逐渐变的平衡，对城市电网其他用户的影响很小。

(5)工程实施

采用集中式供电，地铁主变电所与城市电网接口较少，外部电源引入路径相对较少，建设单位与城市协调工作相对较少，易于实施。

第3章主变电所

3.1 概述

对于集中式供电系统，应建设地铁专用主变电所。本部分涉及内容较多，主要有主变电所选址、电气主接线、主变压器选择、主变压器中性点接地等。地铁主变电所功能是接受城市电网高压电源，经降压后为牵引变电所、降压变电所提供中压电源。

主变电所电气主接线，可以从高压侧和中压侧两个方面来描述。高压侧线路采用线路—变压器组接线形式；中压侧一般采用单母线分段形式，并设置母线分段开关。

主变电器的选择，包括主变压器的台数与容量的确定的原则、主变压器形式选择等。

主变压器高压侧接地方式按城市电网运行方式确定；中压侧中性点一般经过消弧线圈接地或接地电阻接地。

3.2 主变电所选址

地铁变电所的用电负荷沿着地铁线路走向呈线状分布。这种负荷分布的特点，便要求主变电所的位置只能在地铁沿线。主变电所位置尽量靠近轨道线路，以便减少主变电所至地铁线路的电缆通道距离。一般地，主变电所位置离地铁线路的距离控制在几百米范围以内。

主变电所位置的选择，应按下述原则确定：

(1)靠近负荷中心，邻近城市轨道交通线路布置；

(2)满足中压网络电缆压降要求；

(3)各主变电所的负荷平衡，并使其两侧的供电距离基本相等；

(4)靠近地铁站，以缩短电缆通道的距离，减少和城市地下管网的交叉和干扰，具体位置应与城市供电部门和规划部门共同商讨；

(5)应考虑路网规划和其他地铁线路资源共享，并预留电缆通道和容量；

(6)便于电缆线路引入、引出，便于设备运输；

(7)具有适宜的地质、地形和地貌条件；

(8)考虑主变电所与周围环境、邻近设施的相互影响。

3.3 电气主接线

3.3.1 线路-变压器组接线

(1)主变电所两路高压电源110kV主接线采用线路-变压器组、两断路器的形式。如图3-1所示。

(2)正常运行下，两路线路各带一台主变压器，接线简单、高压设备少、投资省、继电保护简单。

(3)故障状态下，恢复供电操作简单方便，当一台主变或一条线路故障退出运行时，只需在主变中压侧做转移负载操作，由另一路进线电源的主变电所承担本主变电所范围内的全部一、二级用电负荷，对相邻主变电所无影响。

图3-1 变压器-线路组接线

3.3.2 中压侧主接线形式

主接线中压侧一般采用单母线分段形式，并设置母线分段开关。如图3-2所示。

正常情况下，两段母线分裂运行；牵引变电所和降压变电所可以从不同母线段取得中压电源；当主变电所一段中压母线失压时，另一端中压母线可以迅速恢复对牵引变电所和降压变电所供电。

当一路高压进线失电压或一台主变退出后，通过中压母线分段开关迅速合闸，由另一台主变压器承担本主变电所范围内的全部一、二级用电负荷。

当一段中压母线故障时，该段母线上的进线开关分闸，同时该段母线上馈线所接的

一级牵引或降压变电所进线开关也应失压跳闸，根据中压供电网络运行方式，由主变电所的另一段中压母线继续供电。

图3-2 主变压器主接线图

3.4 主变压器选择

主变压器的选择，包括主变压器的台数与容量的确定原则、主变压器选型以及中性点接地方式等。

3.4.1 主变压器台数的确定原则

主变压器台数应结合供电网络规划、中压网络形式、系统运行方式、主变电所容量备用要求等因素综合分析确定。地铁3号线设置两台主变压器。

3.4.2 主变压器容量的确定原则

主变压器容量应满足“N-1准则”，即供电系统中有任意一个设备发生故障时，供电系统应能维持列车继续运行[4]。

主变正常运行时，两台主变压器共同承担本所供电范围内的用电负荷。当一台主变压器退出运行时，另一台主变压器应能承担本供电范围内的一、二级用电负荷，保证列

车正常运行，主变压器容量的选择应满足该运行要求。

3.4.3 主变压器形式的选择

当不受运输条件限制时，在330kV及以下的发电厂或变电所，均应选用三相变压器。地铁主变电所高压侧电压为110kV，因而选择三相变压器。

地铁主变采用110/35kV两线圈Y/Δ接线变压器，有载调压开关装在高压侧。

3.5 主变压器中性点接地方式

主变压器中性点接地方式是一个综合问题。它与电压等级、单相接地短路电流、过电压水平、保护配置等有关，直接影响供电系统的可靠性和连续性、主变压器的运行安全以及对通信线路的干扰等。

3.5.1 中性点接地方式的原则

单相接地故障时对连续性供电的影响最小，用电设备能够继续运行较长时间。

单相接地故障时，非接地相的过电压倍数较低，不至于破坏用电系统的绝缘水平，发展为相间短路。

发生单相接地故障时，能将故障电流对电动机、电缆等的危害限制到最低限度，同时有利于实现灵敏而有选择性的接地保护。

3.5.2 主变压器中性点接地方式

(1)主变电所110kV侧中性点接地方式

我国110kV及以上电力系统为中性点直接接地系统。但在实际运行中，主变压器高压侧中性点是否直接接地，则根据地区电网具体情况确定。有时一个主变电所的两台主变压器，其高压侧一台接地而另一台不接地。

(2)主变电所35kV侧中性点接地方式

当接地电容电流大于10A(20kV～63kV电网)时，中性点应经过消弧线圈接地或小电阻接地。

(3)中性点设备选择

主变压器大部分采用Y/Δ接线。当主变电所无中性点或中性点未引出时，应装设专用接地变压器。选择接地变压器容量时，可考虑主变的短时过负荷能力。接地变压器的特性要求是：零序阻抗低、空载阻抗高、损失小。