地铁供电系统设计

The Design of Subway Power Supply System

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 (64)

附录C 相关图纸 (71)

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