地铁变配电系统设计毕业设计.doc

地铁变配电系统设计毕业设计目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 地铁变配电系统设计的背景与意义11.2 地铁变配电系统的现状11.3 地铁变配电系统的内容与目标22 地铁变配电设计的负荷计算42.1 负荷计算的目的和方法42.1.1 单位指标法42.1.2 需要系数法52.1.3 二项式系法数62.2 地铁变配电系统负荷计算实例72.2.1 地铁负荷分类72.2.2 地铁负荷计算72.2.3 无功功率补偿122.2.4 配电变压器选择132.3 地铁的单位容量指标和需要系数152.3.1 地铁的单位容量指标152.3.2 地铁的需要系数153 地铁总体配电方案的工程设计163.1 地铁供电系统概述163.2 地铁中压配电网络163.2.1 集中供电方式163.2.2 分散供电方式183.2.3 混合供电方式213.3 降压变电所213.3.1 降压变电所的设置与形式213.3.2 降压变电所的电气设计233.4 地铁总体配电工程实例263.4.1 主变电所和中要求配电网络的设计方案263.4.2 降压变电所的设计方案284 地铁动力配电系统的工程设计314.1 地铁动力配电系统的设计原则314.2 配电线路的设计314.2.1 配电线路设计的基本要求314.2.2 消防设备电气配电设计334.3 低压电器的选择354.3.1 低压电器选择的基本要求354.3.2 低压断路器的选用354.4 微机电动机综合保护装置的应用374.4.1 装置的功能及配置374.4.2 装置保护的整定计算384.5 地铁动力配电设计工程实例404.5.1 动力配电设计的基本要求404.5.2 动力设备控制414.5.3 动力电缆选择414.5.4 动力配电方式425 地铁照明配电工程设计435.1 地铁照明分类435.2 地铁照明配电设计435.3 地铁照明技术要求455.3.1 照明标准455.3.2 照明质量465.3.3 灯具选型465.4 地铁照明系统参数计算475.4.1 平均照度475.4.2 负荷密度485.5 地铁照明配电设计工程实例485.5.1 照明分类和设置485.5.2 照明控制方式495.5.3 照明质量和灯具选用49结论51致谢52参 考 文 献53附录A 地铁集中式供电系统主接线图54附录B 地铁动力配电系统主接线图55附录C地铁动力配电平面图56附录D 地铁照明配电系统主接线图57附录E 地铁照明配电平面图58- III -兰州交通大学毕业设计（论文）- 61 -1 绪论1.1 地铁变配电系统设计的背景与意义随着城市社会经济的不断发展，城市交通的压力越来越大，目前城市交通存在诸如道路容量不足、交通结构不合理、中心区高峰小时机动车车速较低，交通需求仍然有增无减等主要问题，广州等多个城市已经明确提出了逐步建立以公交为主体、轨道交通为骨干，各种交通方式相结合的多层次、多功能、多类型的城市交通综合体系，以地面路网和交通设施为基础，建设轨道交通系统、高速公路系统、高架桥系统合理衔接的立体交通网路城市交通发展策略。优先发展大运量轨道交通系统，强化区域间的高效联系，并以轨道交通找点为核心，通过适用于公交优先的道路系统，建立轨道交通与周边地区常规公交的便捷换乘，大力发展区域组团的中心地带，同时将步行系统完善导入，构筑沿轨道交通走廊发展的网状城市结构体系。地铁是地下铁道的简称。它是一种独立的有轨交通系统，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。地铁效率高，无污染，能够实现大运量的要求，具有良好的社会效益。1969年新中国第一条地铁在北京正式通车。进入上世纪90中后期，随着国家经济和技术实力的增强，我国加快了城市轨道交通的建设步伐、北京、上海、天津、广州、深圳、南京、武汉、重庆、沈阳等各大城市纷纷开工建设多条地铁或轻轨线路，仅上海市的轨道交通远景规划就有17条线路，总里程达800多公里，地铁正日益成为人们日常生活中密不可分的一部分1。 地铁的供电系统是为地铁运营提供电能的。地铁列车是电力牵引的电动列车，其动力是电能；此外，地铁中的辅助设施包括照明、通风、空调、排水、通信、信号、防灾报警、自动扶梯等，也都依赖电能。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电系统2。因此，地铁变配电系统的研究对于地铁的发展有着极其重要的意义。1.2 地铁变配电系统的现状进入20世纪90年代，我国城市人口迅速增加，机动车数量快速增加，城市交通堵塞日益严重，城市环境不断恶化。发展城市轨道交通已经成为我国大中城市发展公共交通的根本方针和缓解交通拥堵的最佳选择，城市轨道交通进入了一个快速发展时期，建设规模世界上少见。而变配电系统作为城市轨道交通的重要组成，也随着轨道交通的发展而快速发展。我国城市轨道交通变配电系统的发展状况如下：(1) 目前，针对地铁负荷计算的单位容量指标和需要系数还未颁布，往往需借鉴其它民用建筑（如写字楼、办公楼等）的指标和系数。因此，负荷计算的准确与否，是地铁变配电系统合理设计的前提，负荷计算已成为地铁变配电系统工程设计中遇的首要问题。(2) 在供电方面，在地铁车站内一、二、三级负荷同时存在，因此增加了供电的复杂性。不论在高低压的一次、二次接线中，都存在着需要进一步探讨、摸索和在实践中不断总结经验、使之提高的过程。(3) 在动力上，不仅仅是几台风机、几台水泵、几台电梯，而是各成系统，如空调通风系统、给排水系统、消防系统、运输系统；在控制上不是简单的起动、停止，而是就地控制、远方集控、BAS系统自动控制、火警信号控制及连锁控制；起动方式上有直接起动、降压起动、软起动，还有风机、水泵及空调系统的能量自动调节等。(4) 在照明上，照明在适应国情的情况下尽可能与国际接轨；照明质量的要求按照不同的用途，选择不同的色温及显色指数的光源，以产生冷色调、暖色调、中间色调及不同显色性的照明；在灯具形式，既要满足与地铁的装修相协调，又要达到节能的效果；照明的种类也日益增多，有一般照明、房间照明、区间照明、事故照明、出入口照明和广告照明等；不同种类的照明，其供电要求不同，控制方式各异。1.3 地铁变配电系统的内容与目标本文针对地铁变配电系统的特点，以上海地铁M8线一期工程变配电系统设计为实例，深入分析了地铁变配电系统的设计原则和设计要点，研究解决了负荷计算、总体配电方案、动力配电和照明系统等四个方面工程设计的关键问题，为今后地铁变配电系统的设计提供了参考经验。本文设计的内容如下：(1) 研究地铁负荷计算问题，给出可供地铁变配电负荷计算的地铁单位容量指标建议值和需要系数建议值，并结合实例进行具体的分析计算。(2) 深入研究地铁变配电系统的特征，给出实际工程的总体配电方案。根据地铁变配电系统的特点以及城市电网所能提供的外部电源，分析中压配电网络、降压变电所的功能和构成，分别给出三种设计方案。(3) 阐述地铁动力负荷划分及供电要求，论述地铁动力配电系统设计原则、配电线路设计、低压电器选择以及微机电动机综合保护装置的应用，并给出工程案例。(4) 研究分析地铁照明的特点，给出地铁照明配电及其控制方式、照明质量、灯具选用等设计方法，以及地铁照明设计案例。2 地铁变配电设计的负荷计算2.1 负荷计算的目的和方法地铁的实际负荷并不等于所有用电设备的额定功率总和。这是因为用电设备不可能同时全部工作，每台设备也不可能全部满负荷，各种用电设备的功率因数也不可能完全相同。因此，地铁电气系统设计过程中，必须找出这些用电设备的等效负荷。所谓 “等效” 是指这些用电设备在实际运行中所产生的最大热效应与等效负荷产生的热效应相等，产生的最大温升与等效负荷产生的最高温升相等。按照等效负荷，从满足用电设备发热条件来选择各类用电设备，而计算的负荷功率或负荷电流称为“计算负荷”。计算负荷是某一假想的持续负荷，此负荷的热效应与实际变动负荷所产生的最大热效应相等。一般采用30min时间间隔的负荷最大平均值作为计算负荷，它是确定供电容量、电气设备、线材规格、无功补偿、线路压降的依据。计算负荷务求确当，过小会引起变压器和线路过热，加速其绝缘损坏，过多损耗能量，增加电压损失而破坏正常的运行条件，甚至引起线路失火，造成重大事故。反之，计算负荷过大，则会引起变压器容量过剩，线路截面过大，开关整定电流过高，使工程投资增加，造成不必要的浪费。因此，要正确合理地对地铁的配电系统进行设计，负荷计算是至关重要的一环。计算负荷的正确性，是指实际使用的负荷是否与计算负荷相等。它取决于以下三方面的因素：第一，取决于设计是否合理，若选用的需要系数、变压器的负载率正确，则在建筑物功能充分发挥时，实际使用负荷应该与计算负荷相接近。第二，取决于运行管理水平，如对设备严格管理，定期维护检修，在设计合理的前提下，实际使用负荷应接近于计算负荷。第三，与需求相适应有关，对地铁而言，是指客流量是否与规划预期的客流量相符合，如果客流量过小，那么实际使用负荷必定小于计算负荷。事实上，以上三个因素都是不确定因素，因此负荷计算很难做到高度的准确性，只有参考国内外的相关经验，通过个人知识的积累，严格执行规格规范，进行仔细的计算和比较，才能解决上述难题3。2.1.1 单位指标法(1) 单位指标法的计算公式单位指标法是以单位建筑面积负荷密度乘以建筑面积4，其公式如下： (2.1)式中，有功计算负荷，kW；建筑单位面积负荷密度，W/m2；建筑面积，m2。在方案设计阶段可采用单位指标法。(2) 各类建筑物的单位指标一般民用建筑如宾馆、商场、学校、住宅、办公楼等的单位指标可从现有的电气设计手册中查到，如表2.1所示。表2.1 各类建筑物单位指标建筑类别 单位（W/m2）建筑类别单位指标（W/m2）公寓3050医院4070旅馆4070高校2040办公4080 中小学1220商业一般：4080展览馆5080大中型：70130体育4070演播室250500剧场5080汽车库518(3) 本文给出的地铁单位指标建议值 目前针对地铁的单位指标还未颁布。但是考虑到地铁的负荷类型与大中型商业建筑相似的，都有大量的通风空调设备、消防设施、电梯、扶梯以及BAS、FAS等各种智能建筑系统，两者的负荷均比一般民用建筑大的多；同时地铁也有其独有的特点，如有商业建筑没有的负荷（隧道风机、排热风机、信号、AFC、屏蔽门等）、地铁没有自然通风和采光，必须依靠机械通风和人工照明，因此通风和照明负荷相对较大。基于以上大致分析，笔者认为地铁的单位指标可以参考大中型商业建筑的上限值，并适当增加，即150W/m2，考虑功率因数和变压器负荷率，折合成变压器容量VA/m2 时应乘以1.5的系数5，即225VA/m2。后面的文章还将以具体的地铁车站为例，经过计算分析得到地铁的单位指标，以验证上述观点。2.1.2 需要系数法(1) 需要系数法的计算公式。需要系数法是用设备容量乘以需要系数和同时系数，直接求出计算负荷4。其公式如下： (2.2)式中，有功计算负荷，kW； 设备总容量，kW； 需要系数。需求系数与用电设备的工作性质、设备台数、设备功率及功能的充分利用有关。前三者是比较固定的因数，后一种是不确定的因素。因此，在值中包含一定份量的经验数据成分，各国的值不同，即使在同一个国家的不同时期，值也会有所变化。 在施工图设计阶段，一般采用需要系数法。用电设备台数较多，各台设备容量相差不悬殊时，宜采用需要系数法，一般适用于干线、配变电所的负荷计算。民用建筑中的负荷大都采用需要系数法进行计算的，这种方法比较简变，应用广泛。(2) 各类建筑物的需要系数一般民用建筑的需要系数均可从现有的电气设计手册中查到，如表2.2所示。 表2.2 各类建筑物需要系数建筑类别需求系数建筑类别需求系数住宅0.40.5医院0.550.65办公0.70.8高校0.60.7商业0.70.8综合楼0.60.65体育0.650.7餐饮0.80.85剧场0.60.7加工业0.40.45(3) 本文给出的地铁需要系数建议值目前针对地铁的需要系数还未颁布。基于已在表2.1中对地铁与商业建筑两者的负荷进行了比较，可以考虑地铁的需要系数应能参考商业建筑的需要系数，即0.70.8，本文将在后面的章节中通过对地铁的需要系数进行具体的计算来加以验证。2.1.3 二项式系法数需要系数法没有考虑在同一组负荷中少数容量特别大的设备，对负荷计算是有影响的，不适合大容量设备的需要，因此提出了二项式系数法。其公式如下： (2.3)式中，有功计算负荷，kW；用电设备总容量，kW；n台最大的设备容量之和，kW；、二项式系数。由于二项式系数法不仅考虑了设备组的平均负荷，也考虑了设备组中几台大容量设备运行时的附加负荷。所以此法适用于设备台数较少而容量相差较大的低压分支线及干线的负荷计算。二项式系数法适合于工业用电负荷，不适用于地铁设计。2.2 地铁变配电系统负荷计算实例2.2.1 地铁负荷分类地铁动力、照明负荷按其重要性，分为一、二级及三级负荷。一级负荷由降压变电所I、II段母线各提供一路专用电源供电并在末端自切，以实现不间断供电，如BAS、FAS、AFC、通信、信号、屏蔽门、消防泵、喷淋泵、废水泵、直流盘、变电所所用电、消防联动的车站送、排风机、风阀等、消防电源、兼作紧急疏散的自动扶梯等。二级负荷由降压变电所I段或II段母线提供一路专用电源，在变电所处切换，必要时可以切除，如污水泵、雨水泵、普通风机、自动扶梯、直升电梯、正常照明、区间维修电源等。三级负荷由降压变电所三级负荷母线提供一路电源，当变电所只有一路电源时必须切除，如广告照明、冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、清洁设备、电热设备等。2.2.2 地铁负荷计算要进行负荷计算，必须首先确定用电设备的容量。下面以上海轨道交通M8线一期工程延吉中路车站为例。(1) 动力负荷按照专业系统，将动力用电设备划分为通风空调、给排水、消防、弱电、 运输、安全防护及其它等七个负荷组成，如表2.3所示。各类设备负荷的需要系数参照民用建筑电气设计手册的值计取。表2.3 延吉中路车站动力设备容量序号设备名称总容量负荷类型1通风空调系统1187.6隧道风机4400.80.75I排热风机1500.80.75I回排风机740.80.75I小系统新风机11.80.80.75I小系统排风机46.80.80.75I组合空调机组880.80.75I空气处理机组270.80.75I冷水机组2800.90.7III冷冻泵600.80.75III电动组合风阀100.70.6I2给排水系统167冷却塔190.80.75III冷却泵300.80.75III废水泵570.80.75I污水泵120.80.75II雨水泵90.80.75II电热开水器4010.7III3消防系统61消火栓泵150.80.75I喷淋泵300.80.75I气体灭火160.80.8I4弱电系统105BAS、FAS100.80.8IAFC200.80.8I通信200.80.8I信号250.80.8I公共无线300.80.8I5运输系统120.8自动扶梯1080.50.6II直升电梯12.80.50.4II6安全防护系统48屏蔽门300.70.6I门禁、卷帘门180.80.6I7其他60检修600.60.35III续表2.3序号设备名称总容量负荷类型负荷总计1749.4其中I类负荷1118.6其中II类负荷141.8其中III类负荷489从表2.3可看出，由于处于地下这一特殊性，为了给乘客提供较为舒适的环境,地铁车站的通风空调设备数量多、容量大，其总容量占地铁动力设备总容量的70%左右，是最主要的负荷类型。动力负荷计算的方法： 消防泵、喷淋泵、气体灭火等消防负荷远远小于火灾时予以切除的III类负荷，因此进行负荷计算时，不考虑消防负荷。 除消防负荷以外，对上面所列的其余六个负荷组按照需要系数法进行负荷计算；由于功率因素不尽相同，分别按需要系数及计算出有功功率和无功功率，再几何相加求得计算视在功率。计算公式如下：a)计算有功功率 (2.4) 式中，通风空调系统等七个系统下的第一个用电设备有功负荷，kW；通风空调系统等七个系统下的第二个用电设备有功负荷，kW；通风空调系统等七个系统下的第n个用电设备有功负荷，kW；通风空调系统等七个系统下的第一个的需要系数；通风空调系统等七个系统下的第二个的需要系数；通风空调系统等七个系统下的第n个的需要系数；通风空调系统等七个系统下的第一个的设备总容量，kW；通风空调系统等七个系统下的第二个的设备总容量，kW；通风空调系统等七个系统下的第n个的设备总容量，kW。b)计算无功功率 (2.5) 式中，通风空调系统等七个系统下的第一个的用电设备无功负荷，kVar； 通风空调系统等七个系统下的第二个的用电无功负荷，kVar；通风空调系统等七个系统下的第n个的用电无功负荷，kVar；通风空调系统等七个系统下的第一个用电设备有功负荷，kW；通风空调系统等七个系统下的第二个用电设备有功负荷，kW；通风空调系统等七个系统下的第n个用电设备有功负荷，kW； 通风空调系统等七个系统下的第一个用电设备阻抗角正切值； 通风空调系统等七个系统下的第二个用电设备阻抗角正切值。 通风空调系统等七个系统下的第n个用电设备阻抗角正切值。c)计算视在功率 (2.6)式中，用电设备总视在功率。d)计算综合功率因数 (2.7)式中，综合功率因数。计算结果如表2.4所示。表2.4 延吉中路车站动力计算负荷序号设备名称总容量（kW）计算有功功率(kW)计算无功功率(kVar)1通风空调系统1187.6875.36072给排水系统167123.471.63消防系统61不计不计4弱电系统10584635运输系统120.869.9121.16安全防护系统4828.826.57其他602127.9负荷总计1749.41202.4917其中I类负荷1118.6789.9600.9II类负荷141.885.7132.9III类负荷489326.8183.2视在功率1512综合功率因数0.795(2) 照明负荷地铁照明由站厅照明、站台照明、区间照明、事故照明和广告照明等组成，如表2.5所示。表2.5 延吉中路车站照明容量序号照明种类总容量（kW）负荷类型1站厅照明680.951II2站台照明350.951II3区间照明160.91II4事故照明1811I5广告照明900.951III负荷总计227其中I类负荷18II类负荷119III类负荷90由于地铁处于地下环境，所有的照明必须全部启用，因此表2.5中需要系数均为1。根据式2.42.7照明计算负荷，如表2.6所示。表2.6 延吉中路车站照明计算负荷序号照明种类总容量（kW）计算有功功率(kW)计算无功功率(kVar)1站厅照明686822.32站台照明353511.53区间照明16167.84事故照明181805广告照明909029.6负荷总计22722771.2其中I类负荷18180II类负荷11911941.6III类负荷909029.6 视在功率237.9 综合功率因数0.954(3)综合计算负荷根据以上对动力、照明负荷计算的结果，可以计算出地铁车站的综合计算负荷，如表2.7所示。表2.7 延吉中路车站综合计算负荷序号负荷种类总容量计算有功功率(kW)计算无功功率(kVar)1动力1749.41202.49172照明22722771.2总计1976.41429.4988.2其中I类负荷1136.6807.9600.9II类负荷260.8204.7174.5III类负荷579416.8212.8 视在功率1737.7 综合功率因数0.8232.2.3 无功功率补偿由表2.3可以看出，地铁动力设备中有大量的风机、水泵、电梯，这些设备的功率因数大都在0.8以下，因此导致整个配电系统的功率因素较低。功率因素的降低不仅会引起有功损耗，也会造成电压降落，影响供电质量。按国家供电规则要求，高压供电用户功率因数要求在0.9以上。因此，采用无功补偿、提高功率因素是必不可少的。一般在地铁降压变电所采用低压集中自动补偿方式，每段0.4kV母线上装设电容自动补偿装置，对系统进行无功功率补偿，使补偿后的功率因数大于0.9。无功补偿原理和无功补偿矢量图如图2.1，2.2所示。 图2.1 无功补偿原理图 图2.2 无功补偿矢量图补偿容量可按下式求得： (2.8)式中，补偿容量，kVar；有功功率之和，kW；补偿前功率因数角正切值；补偿后功率因数角正切值；、均为已知，经计算=300kVar。目前大多采用自愈式金属化全膜电容器代替旧式的油浸电容器，它具有体积小、重量轻、介质损耗低、安全性能高等优点，如国产型号主要有BMMJ型，进口产品有ABB公司的CLMD型等。CLMD型电容器更具有高容量和放电速度快的特点，单台容量可达83kVar，放电速度可在断开电源一分钟后端电压下降到50V6。2.2.4 配电变压器选择地铁设计规范(GB50157-2003)规定：“配电变压器的容量选择应满足一台配电变压器退出运行时，另一台配电变压器能负担供电范围内远期的一、二级负荷”7 。因此地铁降压变电所应配备两台容量相等的配电变压器，按照供电范围内的一、二级计算负荷选择容量。在进行变压器容量计算时，还应考虑参差系数，计算公式如下： (2.9) (2.10)式中，变压器总的低压侧有功功率, kW；变压器总的低压侧无功功率，kVar； 一、二级计算有功功率之和，kW； 一、二级计算无功功率之和，kVar；有功参差系数，0.850.95；无功参差系数，0.900.97。这里取=0.9，=0.95，而、在表2-7中已经求出(还应计入无功补偿容量)，因此根据式2.9、2.10可以求得：=911.3kW=451.6kVar=1017kVA单台变压器运行时负载率100%，因此选用标称容量=1250kVA的变压器，其负载率为81%。上面选择变压器容量时未考虑三级负荷，因此还需根据三级负荷对变压器容量进行校验如下： 正常运行过程时，两台配电变压器同时运行，共同承担一、二、三级负荷。因此正常运行时配电变压器总容量为2500kVA，根据表2.7可知车站综合视在功率1737.7kVA，在不考虑参差系数的情况下，配电变压器负载率为70%。因此无论在两台配电变压器同时运行，还是任意一台因故退出运行，均能够满足供电要求。单台变压器运行时负载率100%，因此选用标称容量S=1250kVA的变压器地铁降压变电所配电变压器首选SC型环氧树脂干式变压器。它具有良好的电气和机械性能、较高的耐热等级，并且是一种安全可靠、环保节能型新产品，能适应多种恶劣环境。通过使用环氧树脂干式变压器可减少维护工作量和增强安全性，同时环氧树脂干式变压器较好的超铭牌运行能力和抗短路能力，将给安全供电带来可靠的保证。2.3 地铁的单位容量指标和需要系数2.3.1 地铁的单位容量指标根据2.2.4的计算，地铁延吉中路车站降压变电所配备两台1250kVA配电变压器，装机总容量为2500kVA；该站总建筑面积为19372m2，扣除折返线建筑面积7530m2，有效建筑面积为11842 m2。因此该地铁站的单位容量指标（装机密度）为211VA/ m2，与表2.1中设想的单位指标225 VA/ m2 接近。2.3.2 地铁的需要系数根据表2.7，可知地铁延吉中路车站动力、照明设备总容量为1976.4kW，动力、照明计算有功功率为1429.4kW 。因此该地铁站的需要系数为0.72，与表2.2中设想的需要系数0.70.8相符。通过对上海地铁M8线延吉中路车站的负荷计算得出了单位容量指标和需要系数。对于其他地铁车站，可以借鉴该站的数据或本文提出的建议值进行设计。3 地铁总体配电方案的工程设计3.1 地铁供电系统概述地铁的用电负荷按其功能不同可分为两大类，一是电动机车运行所需要的牵引电力，二是车站、区间、车辆段、控制中心等建筑物所需要的动力照明用电，如风机、空调、水泵、电梯、照明、BAS、FAS、AFC、通信、信号、屏蔽门等。地铁供电系统担负着地铁运行所需电能的传输与供应，是地铁安全、可靠运行的重要保证。地铁供电系统由外部电源、主变电所（或电源开闭所）、牵引供电系统、变配电系统、电力监控系统（SCADA）组成。外部电源来自城市电网，可采用集中式、分散式、混合式等形式，外部电源的电压等级一般为110kV或10kV。主变电所适用于集中式供电，电源开闭所适用于分散式供电。地铁集中式供电系统主接线图如附图A所示。牵引供电系统包括牵引变电所和接触网系统，牵引变电所一般每两座车站设置一座，向贯通地铁全线的接触网供电。变配电系统包括降压变电所与低压动力、照明配电系统。降压变电所在规模较大的车站设置两座，规模较小的车站设置一座，向本站及其相临区间的动力照明负荷供电8。电力监控系统（SCADA）由设在地铁中央控制室的电力调度中心（主站）、设在各变电所自动化系统（子站）及通信通道组成，担负着全线供电系统的数据采集与监控任务9。3.2 地铁中压配电网络地铁中压配电网络是通过中压电缆，纵向上把主变电所和牵引变电所、降压变电所连接起来，横向上把全线的各个牵引变电所、降压变电所连接起来而形成的配电网络。中压配电网既为牵引变电所供电（即牵引配电网络），有位降压变电所供电（即降压配电网络）。本文只讨论为降压变电所供电的降压配电网络。降压配电网络的设计是地铁配电系统设计中比较重要的一环。3.2.1 集中供电方式根据用电容量和线路长短，在地铁沿线设置专用的主变电所，这种由主变电所构成的供电方案，称为集中式供电。主变电所应有两路独立的电源进线，进线电压一般为110kV，经降压后变成35可V或10kV，供给牵引变电所与降压变电所。集中式供电有利于地铁供电网形成独立系统，便于管理和运营。上海轨道交通M8线一期工程即为集中式供电方案。集中式供电方案下的中压配电网络可分为牵引降压独立配电网络和牵引降压混合配电网络两种形式。(1) 牵引降压独立配电网络牵引降压独立配电网络即牵引配电网络和降压配电网络相互独立的中压网络形式。对于牵引降压独立网络，牵引配电网络和降压配电网络的电压等级不同，牵引配电网络电压为35kV，降压配电网络电压为10kV。全线的降压变电所被分成若干个分区，每个分区一般不超过3个车站；每一个分区均从主变电所的35/10kV变压器，就近引入两路10kV电源；每座降压变电所的两路电源分别由主变电所或相邻降压变电所10kV不同母线引入，接至两段母线，同时在降压变电所的每段母线设一路出线，向相邻降压变电所供电；在各分区设有网络开关，正常运行时该开关分断，形成10kV开口双环网供电形式，如图3.1所示。图 3.1 集中式供电、降压独立配电网络(2) 牵引降压混合配电网络牵引降压混合配电网络是指牵引配电网络和降压配电网络共用一个网络的中压网络形式。当中压网络采用牵引降压混合配电网络时，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。牵引降压混合配电网络电压可以为35kV或10kV，因35kV输电容量大、距离长，故一般采用35kV级。全线的牵引降压混合变电所及降压变电所被分成若干个分区，每个分区一般不超过3个车站；每一个分区均从主变电所35(10)kV的不同母线就近引入两路35(10)kV电源，中压配电网络采用双环网接线方式；两个主变电所之间的分区间通过环网电缆联络，如图3.2所示。图 3.2 集中式供电、牵引降压混合配电网络3.2.2 分散供电方式根据城市电网的特点，在地铁沿线直接由城市电网引入多路电源构成的供电形式，称为分散式供电。这种供电方式的电压一般为10kV，要求地铁沿线有足够的电源引入点及备用容量。中压配电网络适宜采用牵引降压混合网络，基本的接线方式有以下四种。(1) 全线的牵引降压混合变电所、降压变电所被分成若干个分区，每个分区一般不超过3个车站；每一个分区均从城市电网就近引入两路10kV电源，两路电源可以来自不同的地区变电所，也可以来自同一地区变电所的不同母线；中压配电网络采用双环网接线方式；两个相邻分区之间通过两路环网电缆联络，如图3.3所示。 图 3.3 分散式供电、牵引降压混合配电网络（接线方式一）(2) 全线的牵引降压混合变电所，每两个分成一组。每一组均从城市电网引入两路来自不同地区变电所的10kV电源，分别作为两个牵引降压混合变电所的主电源，同时同一组的两个牵引降压混合变电所之间设双路联络电缆，实现电源互为备用；相邻两组牵引降压混合变电所之间设单路联络电缆，增加系统的供电可靠性；无牵引变电所的车站，其降压变电所的10kV电源可由相邻牵引降压混合变电所的两段10kV母线提供。该方式要求每组牵引降压混合变电所从城市电网引来的两路10kV电源应来自不同地区变电所，以增加供电的可靠性，如图3.4所示。图 3.4 分散式供电、牵引降压混合配电网络（接线方式二）(3) 全线除末端牵引-降压混合变电所从城市电网直接引入两路10kV电源以外，其余牵引降压混合变电所均从城市电网引入一路10kV电源，这路电源既是本变电所的主电源，又是相邻变电所的备用电源，也就是说，变电所的主电源直接来自城市电网的10kV电源，而备用电源则来自于相邻变电所。换而言之，当前变电所的主电源直接来自城市电网的10kV电源，而备用电源则来自于下一个变电所。依次类推，最末端变电所则需要从城市电网各引入两路10kV电源。无牵引变电所的车站，其降压变电所的10kV电源可由相邻牵引降压混合变电 所的两段10kV母线提供。该方式中N+1路10kV电源为N个牵引-降压混合变电所供电，相邻变电所间只有一路联络电源。该方式要求这些城市电网引来的10kV电源应来自不同地区变电所，以增加供电的可靠性，如图3.5所示。图 3.5 分散式供电、牵引降压混合配电网络（接线方式三）(4) 全线设有若干座电源开闭所，每座开闭所由城市电网的不同地区变电所引来两路10kV电源，开闭所可以与车站变电所合建。全线的牵引降压混合变电所、降压变电所被分成若干个分区，每个分区一般不超过 4个车站，每个分区由一个电源开闭所供电。在两个相邻电源开闭所之间，设置起联络作用的牵引降压混合变电所，其电源分别来自其两侧的电源开闭所，并通过在这种变电所的母线段上设置与电源开闭所间的专用联络电缆，将相邻的两个电源开闭所联系起来。对于无联络功能的变电所，其电源来自就近的电源开闭所。该接线方式比较复杂，为同一电源开闭所供电的两路市网10kV电源，最好来自于不同的地区变电所，如图3.6所示。图 3.6 分散式供电、牵引降压混合配电网络（接线方式四）3.2.3 混合供电方式将集中式供电与分散式供电结合起来构成的供电方式称为混合式供电。这种方式一般以集中式供电为主，个别地段引入城市电网电源作为集中式供电的补充，使中压配电网络更加完善和可靠。北京地铁环线、武汉轻轨等即为混合式供电方案。以上述及的只是地铁中压配电网络的几种基本形式，其中每一种形式又可以有多种不同的变化。对于大城市尤其是特大城市，轨道交通的远期建设将成网络状，因而地铁中压配电网络方案的确定，不应局限在某一种方式上，而应结合轨道交通网和城市电网的具体情况进行综合考虑10。3.3 降压变电所3.3.1 降压变电所的设置与形式众所周知，低压供电半径相对较小。为满足地铁设计规范(GB50157-2003)中规定的“末端设备电压偏差允许值（以额定电压的百分数表示）为5%”的要求，降压变电所的设置必须遵循靠近车站负荷中心的基本原则。在此前提下，根据不同的地铁车站，降压变电所可以采用多种型式。(1) 一所型式车站只设一座降压变电所，位于重负荷一端。车站所有重要的一、二级负荷及容量较大的三级负荷均从所内以放射式供电。根据设计经验，标准的地下双层车站，降压变电所送出回路在8090个。除冷冻站以外，由于车站两端负荷一般分布较为均匀，故远离降压变电所一端的供电回路约占一半左右。 降压变电所为一所型式的供电方案的优点整个车站的变配电设备集中设置在一处，减少了降压变电所的设备投资。设备用房数量少，降低了土建造价。 降压变电所为一所型式的供电方案的缺点由于供电方案为放射式，势必造成供电距离大幅度增加，为保障线路电压损失限制在规定范围内，必须增大导线截面；同时低压线路的数量也大幅度增加，出现故障的机率增大，一定程度上降低了供电的质量及可靠性。因供电距离较长，单机大容量设备需要采用大截面电缆或密集型母线供电，而二者（尤其是密集型母线）价格高昂，会引起电力投资的显著增加。(2) 一主所一跟随所型式在车站一端设一座主降压变电所，另一端设一座跟随式降压变电所（跟随所电源引自设在主降压变电所的高压开关室）。主所、跟随所的高压进线均为两路独立电源，引自不同的馈线回路，互不干扰，即为并列关系的两座降压变电所。因此，两者低压间亦不存在联系，各负担本端的负荷用电。 降压变电所为一主所一跟随所型式供电方案的优点两所各负责本端的用电负荷，根本上解决了低压供电的电压损失问题，电缆截面及数量随之显著降低，供电方案较为合理。两所间采用高压联系，在供电质量、可靠性和安全性上有了根本提高，尤其突出体现在单机大容量设备的供电上。一主所一跟随所型式单台变压器容量一般为500、630、800kVA几种规格，较一所型式规格为1250、1600kVA的配电变压器，总安装容量变化不大，但单台安装容量降低了二至三个级别，其运转的经济性会大为提高。降压变电所为一主所一跟随所型式供电方案的缺点设置跟随所须增加高压柜、变压器及低压柜等设备，使整个降压变电所的投资有较大增加。因跟随所的设置，其房屋面积增加许多，加大了土建工程投资。(3) 一所一室型式在车站一端设一座降压变电所，另一端设一座低压配电室。与一主所一跟随所型式不同的是，低压配电室替代了跟随所。以车站中心分界，降压变电所与低压配电室各负责本端的负荷供电（除单台容量较大的设备外）。低压配电室的电源引自降压变电所低压侧，因此两者的一、二级负荷母线为并列关系。 降压变电所为一所一室型式的优点远离降压变电所端的大部分设备从低压配电室送出，供电负荷较一所型式有明显地降低，从而减少了贯穿车站低压电缆的数量。低压配电室配电负荷的供电距离相对减小，可在一定程度上减少故障的机率，提高供电的质量及可靠性。低压配电室房屋面积较跟随所型式相对减少，同时亦减少两面高压送出柜，一定程度上降低了设备投资和土建造价。 降压变电所为一所一室型式的缺点由于低压配电室电源引入为0.4kV低压，不可避免地造成电压损失，从根本上未解决末端设备的电压损失问题。由于单机大容量设备还须从降压变电所直接供电，所以仍存在一所型式的供电可靠性差的缺陷。低压配电室引入为低压电源，为保障供电方案，进线必须采用大截面电缆或密集型母线，增加了工程造价。(4) 综合分析比较综上所述，降压变电所的设计一般采用一所型式、一主所一跟随所型式或一所一室型式，其性能对比如表 3.1所示。表 3.1 三种降压变电所性能对比型式供电质量供电灵活性低压电缆数量投资一所低低多低一主所一跟随所高高少高一所一室较高较高较少较高从技术角度而言，设置跟随所为最佳方案，它可以保障供电质量、提高供电可靠性、减少有色金属消耗和运营能耗，但须结合经济造价。一般换乘站、带折返线的车站以及车站长度超过200的大规模车站，由于其负荷容量较大，供电距离较长，设置一主所一跟随所的方案较为合理；车站长度低于200的一般车站，在节约投资的前提下，一所型式即可满足供电方案。而一所一室型式由于没有突出的优点采用的并不多。总之，因地铁型式多种多样，在设计中还要结合具体工程的特点因地制宜，在满足供电要求的前提下，合理设计技术方案，作到性价比最优11。3.3.2 降压变电所的电气设计(1) 主接线降压变电所一般设在车站的负荷中心，担负本车站和相邻区间的全部动力、照明用电。地铁动力、照明负荷大多为一、二级负荷，因此降压变电所必须按两路独立电源供电设计12。每座降压变电所的两路电源分别由主变电所、电源开闭所或相邻变电所的35（10）kV不同母线引入，接至两段母线。降压变电所35（10）kV测接线采用单母线分段，设置断路器。正常运行时，两路 35（10）kV进线电源分别向两段母线供电，断路器打开，两段母线分段运行；当一段母线进线电源失电时，进线断路器分闸，断路器自动合闸。35（10）kV开关柜内设过电压保护。每段母线分别设一组电压互感器和避雷器，电压互感器用于母线电压测量和断路器检测电压自投，避雷器用于系统过电压保护。降压变电所设两台 35（10）/0.4kV配电变压器，分别来自不同35（10）kV母线上，配电变压器容量按一、二级负荷备用容量考虑。低压母线为单母线分段运行方式，设开关，平时分段运行。当一台配电变压器退出运行时，可自动或手动投入开关，由另一台变压器提供全部一、二级负荷用电。进线开关、开关之间应实现互锁，保证在任何情况下三台开关不同时处于合闸状态（母线故障时不允许开关自动投入）。当任一进线电源故障导致开关跳闸或其中一台变压器检修时，另一台变压器只能提供全部一、二级负荷用电而必须切除三级负荷，否则会导致变压器超负荷运行而跳闸；因此，设置三级负荷总开关，将三级负荷均置于该开关下级，同时两台进线开关和三级负荷总开关之间实现联动，断开两段母线上的三级负荷总开关后，开关才能合闸13。降压变电所低压侧的主接线如图3.7所示。图 3.7 降压变电所低压侧的主接线(2) 控制、继电保护和自动装置 控制降压变电所 35（10）kV断路器采用SCADA远动控制、变电所集中控制和地控制；0.4kV进线、断路器和三级