石家庄铁道大学毕业设计1 田春苗

1、石家庄铁道大学毕业设计Design of beijing 4th Subway Power Supply System 20132013 届届 电气与电子工程电气与电子工程 学院学院专专 业业 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 学学 号号 2009317920093179 学生姓名学生姓名 田春苗田春苗 指导教师指导教师 刘靖纳刘靖纳 完成日期完成日期 20132013 年年 6 6 月日月日北京地铁 4 号线牵引供电设计毕业设计成绩单毕业设计成绩单学生姓名田春苗学号20093179班级电 0901-3专业电气工程及其自动化毕业设计题目北京地铁 4 号线牵引供电设计指导教师姓名刘靖纳指导教

2、师职称讲 师评 定 成 绩指导 教师得分评阅人得分答辩小组组长得分成绩：院长签字：年 月 日毕业设计任务书毕业设计任务书题目北京地铁 4 号线牵引供电设计学生姓名田春苗学号20093179班级电 0901-3专业电气工程及其自动化承担指导任务单位电气与电子工程学院导师姓名刘靖纳导师职称讲师1、设计内容按照实际要求完成对北京地铁 4 号线牵引供电系统的设计。根据现实情况对电源与主变电所，牵引供电运行方式，牵引供电系统保护，牵引变电所，接触网进行设计；对谐波处理，杂散电流的防护措施进行分析比较；完成牵引供电的计算：分别利用平均运量法完成负荷计算和直流短路计算。二、基本要求1.设计说明书字数：1 万

3、字。2.设计图纸：折合 0 号图纸一张。3.外文翻译：3000 字以上。三、主要技术指标和设计任务1.符合地下铁道设计规范GB50157-922.符合供配电系统设计规范GB50052-953.确定供电方案，完成负荷计算、阻抗计算及短路计算4.绘制北京地铁 4 号线供电系统图纸。5.编制设计说明书，计算说明清晰完整，正确无误。四、参考文献五、进度计划第 1 周 第 2 周：收集资料，相关调研，确定论文方案，写开题报告。第 3 周 第 6 周：负荷计算，短路计算，主接线设计，中期报告。第 7 周 第 13 周：完成设计，整理并撰写论文，绘制图纸。第 14 周 第 16 周：修改论文，提请初审，准备

4、毕业答辩。教研室主任签字时间 年 月 日毕业设计开题报告毕业设计开题报告题目北京地铁 4 号线牵引供电设计学生姓名田春苗学号20093179班级电 0901-3专业 电气工程及其自动化一、研究背景以及国内外现状交通运输是城市基本职能和物质基础的重要组成部分, 城市发展与城市交通运输具有相辅相成、相互制约的密切关系。交通运输决定了城市的形成和发展, 在城市形成之后, 则要求交通技术水平与城市发展相适应。任何一 种交通工具的出现都有一定的社会背景, 是城市社会经济发展的结果, 并将随着科学技术的发展而不断提高。目前，国际上技术比较成熟、已经上线运营的城市轨道交通有地铁、市郊铁路、轻轨、单轨、导轨、

5、线性电机牵引的轨道交通及有轨电车等种类型。其中以市郊铁路、地铁、轻轨和有轨电车应用最为广泛，以线性电机牵引系统最有发展前途。城市轨道交通是一种容量较大、运送速度较快的交通方式，可为乘客提供安全、快速、便捷、舒适的运送服务。随着经济的快速发展，我国开始进入城市化和机动化的加速发展阶段。城市轨道交通以其大运量、高效率、低污染等优势，迅速成为许多大城市解决交通问题的首要选择，并在我国形成以地铁、城市快速铁路、高架轻轨等为主的多元化发展趋势。经过 10 多年的发展，全国现已有 10 座城市 18 条线 425 公里轨道交通系统投入运营，而在上世纪 80 年代前，我国轨道交通只有北京的 40 公里地铁。

6、供电系统是城市轨道交通的动力源泉。没有供电系统的可靠安全供电，就不可能有城市轨道交通的正常运行。地铁供电系统是为地铁运营提供所需电能的重要系统。地铁列车是电力牵引的电动列车，其动力就是电能。此外，为地铁运营服务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，也都依赖并消耗电能。在地铁运营中，供电一旦中断，将危及旅客生命安全并造成财产损失。因此，高度安全、可靠而又经济合理地供给电力是地铁正常运营的重要保证和前提。二、主要工作以及采用的方法、手段按照地下铁道设计规范GB50157-92,供配电系统设计规范GB50052-95,10kV 及以下变电所设计规范GB50053-9

7、4 中的要求进行本次设计。进行地铁牵引供电系统设计有以下几个步骤:（1）对供电系统，包括牵引供电系统和供配电系统的功能有所了解，理解设计要求，为后续设计打好基础。（2）分析电源系统的供电方式，结合实际情况拟定北京地铁 4 号线供电方案。（3）根据中压供电网络的构成原则，及各种方式的优缺点拟定北京地铁 4 号线中压供电网络方案。（4）对牵引供电系统进行设计，其中包括牵引供电方式设计方案、牵引供电系统保护措施举例、牵引变电所设置、牵引网、牵引供电系统的谐波治理方法分析、电能再生与杂散电流防护（5）进行牵引供电计算，包括运用平均运量法进行牵引符合计算和用电路图发进行直流系统短路计算三、设计原则及预期

8、达到的结果：（1）以安全、健康、环保和不影响其它公众利益为设计的首要原则，尽可能提高四号线供电系统的安全性。（2）在确保安全的前提下，使供电系统可靠、经济、优质地运行。地铁供电按一级负荷设计，每个变电所有两路电源。10kV 供电系统的可靠性达到 N2；正常供电时系统效率达到 90以上；电压质量符合要求，并力争减少电磁干扰，电网谐波、杂散电流的危害。（3）供电能力满足近远期运营要求，并留有发展余地。牵引供电满足远期列车 6 辆编组 2 分钟运行间隔，车辆为 VVVF 调速 B 型车，满足远期运营要求，留有发展余地。 （4）电压水平满足使用要求，牵引网电压在正常供电时维持在 500V900V，大双

9、边供电时在550V 以上的水平。（5）变电所尽可能与车站建筑物结合，在满足各项供电要求的前提下，减少牵引变电所和降压变电所的数量，以节约投资和运行费用。（6）采用整流和其它措施，使正常运行方式时注入电网的谐波达到国家标准和供电部门要求。（7）牵引网采用 750V 接触轨、正极供电、走行轨负极回流的供电方式，采取措施提高安全性和供电可靠性及减少电磁干扰。（8）杂散电流防护立足于以防为主，采取多项措施提高轨道绝缘电阻和减少回流电阻，同时做到以排为辅、防排结合、加强监测，将杂散电流防护措施落实到各专业设计中。（9）进行牵引供电计算，为直流牵引供电系统设备选型及继电保护整定打好基础。指导教师签字时 间

10、 年 月 日摘摘 要要牵引供电系统对地铁的正常运营起至关重要的作用，为轨道交通系统中的电力车辆供电，确保轨道交通电动列车的正常运行。在我国加快地铁工程建设，解决公共交通问题的时代背景下，研究地铁牵引供电系统的工程设计，具有十分重要的意义。通过对供电方案的比较，北京地铁四号线供电系统采用：集中供电（开闭所）方式；双环网中压供电网络；双边供电及大双边供电的牵引供电方式；750V 接触轨正极供电、走行轨负极回流的供电方式。结合实际分析，牵引供电系统采用：24 相整流机组从而有效抑制谐波；以防为主以排为辅、防排结合、加强监测的杂散电流防护措施。对牵引供电系统继电保护进行举例分析。在设计最后进行牵引供电

11、计算，包括运用平均运量法进行牵引负荷计算和用电路图发进行直流系统短路计算。关键词：集中供电方式 牵引变电所 DC750V 接触轨 牵引负荷计算 直流短路计算AbstractTraction power supply system has the very important function to subways normal operation, It provides power for rail transit system, ensure the normal operation of rail transit electric train. Under the background

12、of accelerating construction of subways engineering for resolving the mass transit problems in our country, the research on project design of traction power supply system in subway is very important. Through the comparison of the power supply scheme, beijing 4th Subway power system uses centralized

13、power (switch station) supply mode; Double-loop network medium voltage power network; Traction power supply system of bilateral power and large bilateral power supply; 750V contact rail power supply anode power, running rail negative return. Combined with the practical analysis, traction power suppl

14、y system uses: 24 phase rectifier unit to effectively restrain the harmonic; Preventing to row, supplemented by combination of waterproofing and drainage, strengthening preventive measures for stray current monitoring. To analyze power system relay protection of traction. In the final design and cal

15、culation of traction power supply, including traction load calculation using average volume method and circuit for the DC system short circuit calculation using average volume method.Key words: Centralized power supply system Traction substation DC750V contact rail The traction load calculation DC s

16、hort-circuit calculation目目 录录第 1 章 概论.11.1 地铁牵引供电系统设计的背景和意义.11.2 供电系统的功能及要求.21.2.1 系统的总体功能.21.2.2 系统的基本要求.21.3 供电系统的构成.31.3.1 牵引供电系统.31.3.2 供配电系统.31.3.3 中压网环网供电系统.3第 2 章 地铁 4 号线供电方案.42.1 电源系统.42.1.1 地铁 4 号线供电方式.42.1.2 北京地铁 4 号线供电方案.52.2 供电系统基本运行方式.62.3 中压供电网络.72.3.1 中压供电网络的概念.72.3.2 中压供电网络的电压等级.72.3

17、.4 北京地铁 4 号线中压供电网络方案.8第 3 章 牵引供电系统.93.1 牵引电压制式及供电方式.93.1.1 牵引电压制式.93.1.2 牵引供电运行方式.93.1.3 牵引供电方式设计方案.103.1.3.1 牵引供电系统按双边供电设计.103.1.3.2 大双边供电的两种方式.113.2 牵引供电系统保护.123.2.1 牵引变电所内部联跳保护.133.2.2 直流馈线开关失灵拒动保护.143.2.3 直流馈线保护.143.2.3.1.死区的形成.153.2.3.2 直流馈线保护.163.2.4 牵引整流机组保护.163.3 牵引变电所.173.3.1 牵引变电所设置.173.3.

18、2 主接线.183.3.2.1 中压交流侧主接线.183.3.2.2 牵引直流侧主接线.193.3.3 地铁四号线牵引变电所方案.193.4 地铁 4 号线牵引网方案.213.4.1 牵引网的馈电方式.213.4.2 牵引网的回流方式.223.4.2.1 辅助回流线.223.4.2.2 断电区的设置.223.4.3 接触轨.233.5 牵引供电系统的谐波治理措施.243.5 电能再生吸收装置.253.6 牵引供电系统杂散电流防护.26第 4 章 牵引供电计算.274.1 牵引负荷的特点.274.2 牵引供电计算方法简介.274.3 平均运量法.284.3.1 计算条件.284.3.2 计算原理

19、.294.4 用平均运量法对中共关村牵引变电所的计算.30第 5 章 直流系统短路计算.355.1 计算意义.355.2 电路图法.355.3 两座牵引变电所双边供电.365.4 对西单站两边的供电区间进行短路计算.38第 6 章 主要结论及发展方向.416.1 主要结论.416.2 论文的不足之处及今后的研究方向.41参考文献.43致谢.44附录.45附录 A 英汉翻译.45附录 B 设计图纸 .57第第 1 章章 概论概论1.1 地铁牵引供电系统设计的背景和意义进入 21 世纪以来，随着我国大城市交通问题的不断突出，优先发展公共交通，大力发展城市轨道交通已成为城市交通发展的必然选择。交通运

20、输是城市基本职能和物质基础的重要组成部分, 城市发展与城市交通运输具有相辅相成、相互制约的密切关系。交通运输决定了城市的形成和发展, 在城市形成之后, 则要求交通技术水平与城市发展相适应。目前，我国城市轨道交通建设已进入了大规模高速发展期，国内现有 30 多个城市正在建设或规划筹建城市轨道交通工程，北京、上海、广州等特大城市正在逐步形成城市轨道交通网络。十二五”时期是我国深化改革开放、加快转变经济发展方式的攻坚时期，其经济发展方式将从投资拉动向注重投资效益转变，更加注重科学发展。构建以轨道交通为骨干、道路公交为主体、多种交通方式协调发展的多层次、多功能、多类型的城市交通综合体系，已纳人许多城市

21、综合交通规划之中。地下铁道，简称地铁，是线路的大部分建筑物在地下，作为大运量轨道交通手段的城市高速铁道的总称，其非常适合于城市内市区及老城区建设。其特点是在市内地下通行，不占用地表及地上空间，运营干扰小，输送能力大，每小时运量达3000060000 人，但造价比较昂贵。1863 年，世界上最初的地铁在伦敦开通，全长6km。1969 年 10 月，我国在北京建成了第一条地铁，即北京地铁第一期工程投入试运营，也是我国自行设计、建设的第一条地下铁道。十二五期间北京地铁运营总里程将由 392 公里达 600 公里以上，到 2020 年北京地铁将建成 30 条线路总长 1050公里，形成“中心城棋盘式+

22、新城放射式”的线网格局。同时，北京地铁的满载率和单车运行均居世界第一。城市轨道交通供电系统，负责为电动列车提供牵引电源和为各种运营设备提供动力照明电源。没有供电系统的可靠安全供电，就不可能有城市轨道交通的正常运行。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。地铁列车是电力牵引的电动列车，其动力就是牵引供电系统提供的电能，在地铁运营中，供电一旦中断，将危及旅客生命安全并造成财产损失。因此，地铁牵引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 供电系统的功能及要求1.2.1 系统的总体功能地铁供电系统应具备安

23、全可靠、经济适用、调度方便的特点，其总体功能包括：供电服务功能、故障自救功能、自我保护功能、防误操作功能、便于调度功能、控制、显示和计量功能、电磁兼容功能。1.2.2 系统的基本要求地铁供电系统应满足安全性、可靠性、适用性、经济性、先进性的基本要求。地铁四号线除安河桥北站、龙背村停车场和马家堡车辆段外全线均为地下隧道和车站，电能传输是保证地下铁道安全运营的关键环节。运转良好的供电系统一方面可以保证地下铁道内电动车辆畅通无阻；另一方面可以保证乘客在旅行中有良好的乘车环境和秩序。整个地铁四号线是一个多层次的用电整体，用电设备有不同的电压等级，不同的电压制式；用电负荷有固定的容量，也有随车辆运动而变

24、化的容量。供电系统就是要充分地满足这些不同设备的用电需求，确保电源的供电容量、电压质量和功率因数。因此，供电系统是地铁四号线需用能源的基础设施之一。地铁四号线供电系统，不论怎样构成，选用什么设备首先要考虑的是安全性和可靠性，双电源是构成供电系统的重要原则。牵引变电所和降压变电所采用双电源双机组、牵引网双边供电；动力照明中一级负荷采用双电源。因此，不论发生任何一种故障，供电系统本身都具有备用措施，用以保证地铁正常运行不受影响。供电系统各级继电保护应具备完整的相互协调配合的保护措施，当系统发生故障时，只切除故障部分的设备。系统中的各级保护应满足可靠性、速动性、选择性和灵敏性的要求。系统中任何一个环

25、节的操作都应有相应的联锁，不允许误操作而导致发生故障。牵引变电所、降压变电所采用全所综合自动化，通过遥控、遥测、遥信的 SCADA 系统，在控制中心内实现全线集中控制、监视测量，并具备根据运行需要方便灵活地进行电力调度。逐步实现对部分现场设备进行远方运行管理和变电设施无人值守的功能。低压用电设备采用集中和就地控制相结合的控制方式，各种电量自动采集，准确显示。为便于对用电指标进行经济分析，牵引用电、低压设备用电和照明用电分别计量。1.3 供电系统的构成地铁供电系统的电源一般取自国家电力供电系统，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

26、质的不同，地铁供电系统可分为三部分：由牵引变电所为主组成的牵引供电系统，以降压变电所为主组成的动力照明供配电系统和中压环网供电系统。1.3.1 牵引供电系统牵引供电系统是地铁供电系统的核心，它的主要功能是将交流电压经降压整流变成直流 1500V（接触网） ，750V（三轨） ，提供地铁车辆的牵引动力电源，专为电动车辆服务。它包括牵引变电所与牵引网。牵引变电所可以分成正线牵引变电所、车辆段或停车场牵引变电所；正线牵引变电所又分为车站牵引变电所和区间牵引变电所。牵引变电所一般采用设备安装在建筑物内的形式，另外也有少量的箱牵引变电所。牵引网包括接触网和回流网。接触网有架空接触网和接触轨两种悬挂方式。

27、1.3.2 供配电系统动力照明供配电系统主要由降压变电所、低压母线排、配电设备、线缆、用电设备等组成。其功能是将交流中压电压降变成交流 220/380V 电压，为地铁机电设备提供动力电源和照明电源，如车站和区间的动力、照明及其他为地铁服务的自动化用电设施。1.3.3 中压网环网供电系统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。在中压网环网供电系统就是指国家电网向城市轨道交通系统供电的方式。因此城市电网或区域电网的结构对地铁供电系统起着决定性作用。第第 2 章章 地铁地铁 4 号线供电方案号线供电方案2.1 电源系统

28、电源由城市电网引入，地铁供电系统对于城市电网是特殊用户，对地铁的各类负荷又是电源。城市电网对地铁的供电方式主要有集中供电、分散供电、混合供电三种形式，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。2.1.1 地铁 4 号线供电方式集中供电方式是指由专门设置的主变电所集中为牵引变电所及降压变电所供电的外部供电方式，如图 2-1 所示。城市电网（通常是 110kV 或 63kV 电压等级）向地铁的专用主变电所供电，主变电所再向地铁的牵引变电所和降压变电所供电，地铁自身组成完整的供电网络系统。主变电所应有两路独立的电源。目前国内采用集中供电方供电的城市较多。集中供电方式又分为电源

29、变电所和开闭所两种方式。电源变电所是将高压或超高压电源降压为地铁需要的中压网络电压。建电源变电所有利于地铁运行管理和统一调度，地铁可自行选择适合地铁需要的中压网络、电压等级，而不受城市供电电压等级的约束。另外，便于地铁自行调整电压水平和谐波治理，并能适应今后电力行业改革的要求。建设电源变电所需加大投资，增加运行管理费用和管理难度，设备利用率较低。目前上海、广州、重庆、天津、深圳、武汉等城市地铁均采用此种供电方式。开闭所是将城市配电电源集中分配给地铁变电所的供电方式，不起降压作用。它有利于地铁运行管理和统一调度，减少了投资和运行管理费用。但地铁不能自行选择中压网络电压等级，不能调整中压网络和电压

30、水平。目前北京地铁中的八通线、图 2-1 集中供电方式示意图五号线、城市铁路等线路采用的是此种方式，地铁一号线、环线在 1998 年已将电源变电所改为开闭所方式。地铁四号线拟采用此种方式。2.1.2 北京地铁 4 号线供电方案根据地铁四号线线路条件，从城市电网中的地区变电所提供 10kV 电源，在地铁四号线建八座开闭所，具体方案如下：a.用户用电性质的认定城市地下铁道是城市的重要交通工具，一旦出现故障，势必造成严重后果。因此，北京供电局将其列入重要用户（一级负荷） 。b.供电电压等级的确定根据北京供电局关于“将地铁一期工程供电电压由 35kV改为 10kV 供电的意见” ，考虑到北京市区己经取

31、消 35kV 电压的现状，建议地铁四号线供电电压等级为 10kV。c.供电方案基本模式根据地区电网的现状、规划方案和地铁四号线的负荷分布，将其分为若干个供电区，每个区建设一座总配电室（开闭所与站内混合变电所或降压变电所合建） ，由地区 110kV 变电站提供双路 10kV 电源。电源电缆输送，正常情况负载率为 50%；相邻两座总配电室之间敷设联络线，容量可以满足两端任一端全部负荷，以便在一个总配电室电源故障时承担全部供电任务，不影响地铁的正常运行。d.供电可行性方案.马家堡车辆段、公益西桥站、角门西站，拟由李窑 110kV 变电站提供双路10kV 电源电缆线路，长度约 2.6km 至公益西桥站

32、开闭所，再由公益西桥站开闭所引出双路 10kV 电缆，长度约 2.6km 至马家堡车辆段变电所和角门西站变电所供电。.马家堡站、北京南站，拟由开阳里 l10kV 变电站提供双路 10kV 电缆线路，长度约 l.7km 至马家堡站开闭所，再自马家堡站开闭所引出双路 10kV 电缆，长度1.8km，至北京南站变电所供电。.陶然亭站、菜市口站、宣武门站，拟由大栅栏 110kV 变电站提供双路 10kV电缆线路，长度约 1.2km,至菜市口站开闭所，再自菜市口站开闭所引出双路 10kV电缆，长度 2.6km，至宣武门站、陶然亭站变电所供电。.西单站、灵境胡同站、西四站，拟由西单 110kV 变电站提供

33、双路 10kV 电缆线路，长度约 0.7km 至西单站开闭所，再自西单站开闭所引出双路 10kV 电缆，长度2.3km，至灵境胡同站、西四站变电所供电。.平安里、新街口、西直门站、动物园站，拟由新街口 110kV 变电站提供双路10kV 电缆线路，长度约 0.9km 至新街口站开闭所，再自新街口站开闭所引出双路10kV 电缆，长度 2.5km，分别至平安里站、西直门站、动物园站变电所供电。.国家图书馆站、魏公村站、人民大学站，拟由动物园 110kV 变电站提供双路10kV 电缆线路，长度约 0.4km 至国家图书馆站开闭所，再自国家图书馆站开闭所引出双路 10kV 电缆，长度 4.8km，至魏

34、公村站、人民大学站变电所供电。.黄庄站、中关村站、北京大学东门站、圆明园站，拟由苏州街 110kV 变电站提供双路 10kV 电缆线路，长度约 1.3km 至中关村站开闭所，再自中关村站开闭所引出双路 10kV 电缆，长度 3.5km，至黄庄站、北京大学东门站、圆明园站变电所供电。.西苑站、北宫门站、安河桥北站及龙背村停车场，拟由青龙桥 110kV 变电站提供双路 10kV 电缆线路，长度约 l.6km 至安河桥北站开闭所，再由安河桥北站开闭所引出双路 10kV 电缆，长度约 3.5km，分别至西苑站、北宫门站变电所及龙背村停车场变电所供电。2.2 供电系统基本运行方式(1)正常运行方式供电系

35、统正常运行的前提条件是保证所有地铁车辆和电气设备的用电要求。整个系统处在最经济、最合理的运行状态，各种消耗、损失最小，运营成本最低。各种供电设备都处在良好的运行状态，供电系统有相应的备用能力。四号线的正常运行方式是各变电所两路进线电源同时投入，两台牵引机组实行双边供电；两台动力变压器分段运行。(2)正常运行且有计划的进行设备检修运行方式供电系统的部分供电设备需要正常检修、维护和保养。此时部分供电设备退出运行，处在停电状态，供电系统靠备用能力维持地铁的正常运行。如一路电源停用时由联络电源供电，一台牵引机组或一路 750V 开关停用时仍维持双边供电。一台动力变压器停用由另一台带全站一、二级负荷。地

36、铁四号线在 N-1 时，仍能满足正常运营的各项要求。(3)电源故障状态允许运行方式电源故障状态有多种方式，备用电源的设置满足在下列四种状态下都能保证地铁的正常运行。a.允许某个 10kV 开闭所一路电源或两路电源停电。b.牵引供电系统中任何一座牵引变电所故障解列时，由相邻牵引变电所采用大双边供电方式仍能保证地铁列车的正常运行。c.一台 750V 直流开关退出运行时，仍采用双边供电，不影响地铁列车的正常运行。d.降压变电所一路电源停电或一台电力变压器解列时，不影响地铁的正常运营。(4)应急运行方式当发生局部地区性停电或设备出现二个以上故障时，可采用应急方式。如 10kV试行“穿糖葫芦”供电、由牵

37、引网单边供电、车站设有事故电源等。这时个别车站可停用，只维持运行。2.3 中压供电网络2.3.1 中压供电网络的概念通过中压电缆，纵向把上级主变电所和下级牵引变电所、降压变电所连接起来，横向把全线的各个牵引变电所、降压变电所连接起来，便形成了中压网络。根据网络功能的不同，把为牵引变电所供电的中压网络，称为牵引网络；同样，把为降压变电所供电的中压网络称为动力照明网络。中压网络不是供电系统中独立的子系统，但是它却是供电系统设计的核心内容。涉及到外部电源方案、主变电所的位置及数量、牵引变电所及降压变电所的位置与数量、牵引变电所与降压变电所的主接线等。2.3.2 中压供电网络的电压等级国内城市轨道交通

38、的中压供电网络采用的电压等级为 10kV 和 35kV，20kV 电压等级的中压供电网络也在酝酿之中。不同电压等级的中压网络的特点:(1)35kV 中压网络，国家标准电压级。输电容量较大、距离较长；设备来源国内；设备体积较大，占用变电所面积较大，不利于减小车站体量；设备价格适中；国内没有环网开关，因而不能用(相对于断路器柜)价格较便宜的环网开关，构成接线与保护简单、操作灵活的环网系统；广州地铁、上海地铁已经采用。(2)20kV 中压网络，国际标准电压级。输电容量及距离适中，比 10kV 系统大。设备完全实现国产化；引进 MG、ALSTHOM 等技术的开关设备，体积较小，占用变电所面积远小于国产

39、 35kV 设备，有利减小车站体量，节省土建投资；价格适中；有环网单元，能构成接线与保护简单、操作灵活的环网系统；国内地铁尚没有采用，但国外地铁多有采用。(3)10kV 中压网络，国家标准电压级。输电容量较小、距离较短；设备来源国内；设备体积适中；设备价格较低；环网开关技术成熟、运营经验丰厚，可用其构成保护简单、操作灵活的环网系统；国内外地铁广为采用。一般来说，电压越高，供电能力越大，供电距离越远，经济性越好。对于地铁来说，它具有负荷分布成线条型、用电点(变电所)负荷量相对集中于车站的特点。提高中压网络电压等级对于大运量特别是超大运量的地铁系统来说，肯定是有利的。这不但是地铁的发展趋势，也是城

40、市供电部门发展的趋势。北京地铁 4 号线采用开闭所供电方式，中压网络电压也就由供电部门电压等级而定。针对北京地铁而言，10kV 电缆线路的供电距离以不超过 6km 为宜，最大不超过 8km。2.3.4 北京地铁 4 号线中压供电网络方案中压网络构成主要有放射线、环网型、放射与环网相结合三种形式，根据实际情况为地铁 4 号线拟定如下三种方案。方案一：中压网络为放射线加电源站间单环网。(1)这种供电方式电源点多，达到十六路。供电层次清楚，保护明确简单，便于操作管理。但其问题有：开闭所（总配电室）有四路电源，供电可靠性高，但各单独的牵引和降压变电所只有二路电源，而且又来自同一电源所，满足不了 N-2

41、 的要求。(2)当开闭所一路电源故障或停用，由相邻联络电源代替时，形成迂回供电，供电距离长，供电电压降过大。如动物园至中关村相距 6.205km，当一路电源停用，由联络电源供电时，至魏公村或人民大学站的供电距离在 9km 以上，超过 10kV 供电半径不大于 8km 的要求。(3)电缆用量多，正线部分超过 85km，个别区间电缆将达到 7 根。方案二：参考国内外多数地铁的作法，考虑四号线开闭所（总配电室）较多（8 个） ，牵引变电所较少（14 个）的特点，尽可能将开闭所与牵引变电所合建，而降压变电所 10kV 线路采用“T”型结线。全线建成八座开闭、牵引、降压混合变电所，六座牵引降压混合变电所

42、和十座降压变电所。这样可简化降压变电所的 10kV 结线（不用 10kV 开关柜，改用环网开关组合柜） ，电力自动化和蓄电池等设备，形成双环网结线。这种供电方式的优点是：(1)供电可靠性高，对每一个牵引或降压变电所均可提供四路电源。(2)全线电缆线路长 58km，比方案一少 31km，每个区间只有二路电缆。(3)运行方式多样，在正常运行方式下，和方案一几乎无区别，相当于放射性结线。在故障或检修情况下，又可满足 N-2 的要求，保证正常运营不受影响。(4)总投资少，不但 10kV 电缆少，而且降压站设备和占地面积少。方案三：放射性加单环网结线从开闭所到每个牵引或降压变电所设一路或二路进线电源，通

43、过联络使每个变电所（含开闭所）获得第三路电源，其可靠性满足 N-2 的要求。电缆线路长 53km，有一个区间有四路电缆，七个区间（两个开闭所间的供电分界点）只有一路电缆。在正常运行方式下，一路供电电缆最多带二个车站。可采用较简单的继电保护。其投资少于方案一，多于方案二。综合考虑上述三方案，方案二为最优选择。第第 3 章章 牵引供电系统牵引供电系统牵引供电系统由牵引变电所和牵引网构成。牵引变电所将 10kV 交流电源降压、整流为 750V 直流电源，然后经直流断路器向牵引网供电。牵引供电系统正常运行方式为双边供电；当牵引变电所因故障或检修退出运行时，可采用大双边供电；当牵引网发生故障或检修时可采

44、用单边供电。3.1 牵引电压制式及供电方式3.1.1 牵引电压制式牵引电压制式主要是指电流制式、电压等级和馈电方式，它制约着地铁四号线牵引变电所的型式和规模。根据国家标准地铁直流牵引供电系统 （GB10411-89） ，地铁四号线牵引供电制式宜采用直流制。直流馈电具有易于控制、车辆起制动平稳、牵引接触网简单、投资省和电压质量高等优点；但也存在电网谐波、电腐蚀和电磁干扰等难以解决的危害。目前世界上的地铁均采用直流牵引供电，牵引电压有多种，但主要是 DC750V 和 DC1500V 两种。牵引网电压等级越高，供电距离越大，一次投资及运行费用越低,还有利于杂散电流防护和提高电气保护的可靠性。目前国内

45、地铁采用 DC1500V 的有北京、上海、广州、深圳、南京、长春、大连、天津滨海、重庆等线路。采用 DC750V 的有北京、天津、武汉等线路。地铁四号线正线大部分为地下线路，为与现有的地铁线路保持一致，牵引系统电压采用 DC750V,电压允许波动最高值为 900V,最低值为 500V。3.1.2 牵引供电运行方式牵引供电系统根据需要可以有以下几种运行方式：牵引变电所正常为双机组并列运行，以构成等效 24 脉波整流。一台机组退出运行时也可以有条件地单机组运行。系统中允许几座牵引变电所解列退出运行，条件是解列的变电所必须是至少相隔两座牵引变电所。牵引网正常实行双边供电，当一座牵引变电所故障解列退出

46、运行时，应实行大双边供电。只有在末端牵引变电所故障解列时才采用单边供电，如列车在牵引网末端起动时电压降超过允许值，可通过横向电动隔离开关将上下行接触网并联，以减小回路电阻，降低电压损失。 3.1.3 牵引供电方式设计方案地铁四号线牵引网运营方式在正常运行时为双边供电，由相邻两牵引变电所向同一接触轨送电。双边供电具有供电能力大、可靠性高、牵引网电压质量高、线路损耗电能少、杂散电流小、对电网谐波影响小等一系列优点，因此应尽可能采用双边供电。当一台牵引整流机组故障或馈出断路器故障时，利用备用母线仍可保持双边供电；当变电所停电检修或存在故障时，仍可采用大双边供电方式。在正常维护、检修时也可采用大双边供

47、电，这样可以延长检修时间、提高工作效率、降低运营成本。大双边供电是利用接触轨电分段处的纵向隔离开关实现的。当接触轨出现故障可采用单边供电方式。双边供电时，允许变电所单机组运行。大双边供电或单边供电时要求变电所双机组同时运行。3.1.3.1 牵引供电系统按双边供电设计双边供电时电源来自电力系统的两个牵引变电所。地铁的牵引供电系统，在正线的设计和运营中，均应采用双边供电方式，因为双边供电具有明显的优点。双边供电是设计必须满足的条件，也是正常运营的首选方式，单边供电不是设计的限制条件。即使在一座牵引变电所故障解列时，也应采取技术措施实行大双边供电，同时应自动完成双边联跳条件的转换，这样可以减少牵引变

48、电所数量，既节省建设投资，叉减少运营费用，同时减小列车起动时的电压损失，降低功率损耗，有利于列车运行，并且不影响运送旅客的能力，这对运营是非常有利的。双边供电示意图 3-1 所示，走行轨对地电位分布如图 3-2 所示。 实现双边供电起码应满足两个条件：两相邻牵引变电所需由同一电力系统供电，以确保有相同的频率；两相邻牵引变电所的牵引端口应同相，否则将造成异相短路。图 3-1 双边供电示意图图 3-2 双边供电走行轨对地电位分布示意图双边供电比单边供电优点如下：牵引网的平均电压损失，双边供电是单边供电的 1/31/4。平均电压损失是指列车在区间运行时的平均电压损失，它对辅助电机的运转有意义。平均电

49、压损失有两个分量组成，即由指定列车本身所取电流在其受流器上引起的电压损失和同行其他列车电流在其受流器上造成的电压损失之和。列车带电运行时受流器上的电压损失，双边供电是单边供电的 1/31/4，也有两个分量组成，即由指定列车本身所取电流在其受流器上引起的电压损失和同行其他列车电流在其受流器上造成的电压损失之和。列车最大平均电压损失，双边供电是单边供电的 1/4。列车起动时最大电压损失，双边供电是单边供电的 1/4，满足列车起动耐的最大电压损失要求，是决定牵引变电所间距的必须满足的条件。单边供电列车起动时最大电压损失发生在供电区的终点，双边供电列车起动时最大电压损失发生在供电区的中点。牵引网的功率

50、损失，双边供电是单边供电的 1/31/4。牵引网中的功率损失等于牵引网中诸列车各自的电流与电压损失的乘积之和。双边供电时，列车的再生能量可以被同行列车吸收，当车流密度高时再生能量更易被同行列车利用；而单边供电时，再生能量被其他同行列车吸收的可能性极小。杂散电流值双边供电是单边供电的 1/31/4。直流牵引网采用接触网正极送电，走行轨负极回流，随着列车的运行，绝大部分回流电流沿着走行轨流回牵引变电所，同时也不可避免地要从走行轨道中向地下（道床、结构钢筋）泄漏电流（杂散电流） 。杂散电流的大小主要由下列两个主要因素起作用：走行轨对地电位的高低。走行轨对地过渡电阻的大小。当然，走行轨对地电位越低、走

51、行轨对地的过渡电阻越高则杂散电流就越小。牵引供电系统在向列车供电的同时，也在随列车的移动从走行轨向地下泄漏电流。采用双边供电方式是减小杂散电流最有效的措施。牵引网无论是正常运行方式还是事故状态（一座牵引变电所解列）时都应采用双边供电。走行轨对地电位双边供电是单边供电时的 1/31/4，在线路条件相同的情况下，双边供电比单边供电时杂散电流要小 34 倍是显而易见的。3.1.3.2 大双边供电的两种方式鉴于双边供电比单边供电有很多优点，系统中任何一座牵引变电所故障解列时，也应采取技术措施，实行大双边供电。实现大双边供电有以下两种方式：(1)利用解列的牵引变电所的直流母线构成大双边供电（如图 3-3

52、） ，其条件是：牵引变电所只有两套整流机组退出运行。直流母线、上下行 4 路馈线开关及其二次回路完好无损且能正常运行。(2)利用纵向电动隔离开关构成大双边供电（如图 3-4） ，当牵引变电所故障解列时，利用电分段处的纵向电动隔离开关构成大双边供电，使整座牵引变电所（含隧道开关柜）退出运行，牵引网运行不受故障牵引变电所的影响。纵向电动隔离开关的用途有两个：作为牵引变电所 4 路馈线开关的备用开关。作为牵引变电所的备用开关。3.2 牵引供电系统保护地铁直流牵引供电系统的保护,可以分为两部分：牵引整流机组保护和直流馈线保护。牵引供电系统保护的最大特点就是系统的“多电源”和保护的“多死区” 。所谓多电

53、源, 既当牵引网发生短路时, 并非仅双边供电两侧的牵引变电所向短路点供电, 而是全线的牵引变电所皆通过牵引网向短路点供电。所谓多死区, 是因牵引供电系统本身构成的特点和保护对象的特殊性而形成保护上的“死区” 。任何保护的最基本要求就是当发生短路故障时, 首先要迅速“切断电源” 、 “消除死区”, 针对这两点, 牵引供电系统除交流系统常用的保护外, 还设置了牵引变电所内部联跳、牵引网双边联跳、di/dt I 等特殊保护措施, 这就可以完全满足牵引供电系统发生故障时切断电源、消除死区的要求。牵引供电系统之所以形成保护上的死区，主要有两个原因：地铁列车为多辆电动车组编组，其起动电流大于牵引网最小短路

54、电流，只靠直流快速开关的大电流整定很难满足保护要求。电动列车是随时在运动的，其位置在不断地移动、变化，作为电动列车的远后备保护，牵引变电所的保护应延伸至电动列车主回路末端。对任何供电系统的继电保护而言, 可靠性总是第一位的, 而对直流牵引供电系图 3-3 直流母线构成的大双边供电图 3-4 纵向电动隔离开关的大双边供电统, 速动性可以看成和可靠性是同等重要的, 所以直流侧保护皆采用毫秒级的电器保护设备, 如直流快速断路器、保护等, 目的就是在直流短路电流上升过程/di dt I中将其遮断, 不允许短路电流到达稳态值。至于选择性, 在直流牵引供电系统中则处于次要位置, 其保护的设置应是“宁可误动

55、作, 不可不动作” 。 误动作可以用自动重合闸进行矫正; 不动作则很可怕, 因为牵引供电系统短路时产生的直流电弧, 如不迅速切断电源，电弧可以长时间维持燃烧而不熄灭; 而交流电弧则不同, 其电压可以过零而自动熄灭。地铁四号线 10kV 采用电流速断，过电流（电压闭锁） 、10kV 接地、失压保护和进线失压分段开关自投装置。如采用环网供电也可设线路纵差保护或其他保护。整流机组和动力变压器除电流保护外还设变压器过温、过负荷保护。直流馈出设电流速断、电流增量、过电流延时、直流开关柜框架漏电流、直流系统接地、轨电位限制、故障判断、自动重合闸以及各开关间、开关与整流机组间的联跳和闭锁等保护及装置。10k

56、V、750V 以及 380V 主开关的继电保护及二次控制装置均采用微机保护与智能化监控装置。3.2.1 牵引变电所内部联跳保护 牵引变电所内部联跳的定义：当发生短路故障引起两台整流机组直流引入断路器或交流断路器同时跳闸时，应迅速跳掉全部直流馈线断路器，以及时切断电源，图见附录 B-1。牵引变电所联跳保护适用于以下两种情况： 牵引变电所的两套整流机组开关同时因故障跳闸。 牵引变电所任何一路直流馈出开关失灵拒动。 当牵引变电所内部发生短路时，如 k2 点短路，则流向短路点的短路电流有 6 路，两台整流机组 2 路:Ik1、Ik2；相邻牵引变电所通过 4 路馈线开关流向短路点的有 4路：Ik3、Ik

57、4、Ik5、Iky。若只跳掉两台整流机组的直流开关或交流开关是不够的(只切断 Ik1、Ik2)，相邻牵引变电所仍会通过牵引网继续向短路点供电(Ik3、Ik4、Ik5、Iky)，因此必须跳掉直流母线上所有开关，以切断电源，实现牵引变电所内部联跳。当牵引变电所外部发生短路时，如果 k1 点短路，则流经 DS6 开关的短路电流有 5 路，其中两台整流机组的短路电流有 2 路Ik1、Ik2，相邻牵引变电所通过 3 路馈线流经 DS6 开关的短路电流有 3 路Ik3、Ik4、Ik5。此时，若馈线开关 DS6 拒动，而又没有远后备保护，就只能通过牵引变电所内部联跳及时切断电源。牵引变电所内部联跳的保护范围

58、：无论是牵引变电所内部短路还是外部短路，凡引起两台整流机组同时跳闸的故障均应实行牵引变电所内部联跳。由附录 B-1 可以看出，流经馈线开关 DS6 的短路电流 IKZ 是由 IK1IK5，5 个短路电流组成的，这就说明，如果馈线开关 DS6 失灵拒动，要切断短路点的电源，只跳掉 DS1、DS2 是不够的，还要跳掉 DS3、DS4、DS5 等 5 路开关，即必须跳掉牵引变电所直流母线上的所有开关。牵引变电所内部联跳保护，就是为当发生短路故障时，迅速切断电源的一种保护措施。如发生一路馈线开关失灵拒动或两台整流机组直流侧两路开关同时跳闸(或两路交流中压开关同时跳闸)，为迅速切断电源，都必须实行变电所

59、内部联跳，既跳掉直流母线上的所有开关，否则不能切断电源，如附录 B-1 所示。图中 K1(牵引变电所外部短路)和 K2(牵引变电所内部短路)点短路时，如果 DS1、DS2 两台直流断路器或 DL1、DL2 两台交流断路器同时动作，则必须实行变电所内部联跳，跳掉所有直流馈线断路器。即跳掉 DS3、DS4、DS5 等馈线开关，否则不能切断电源，相邻牵引变电所继续向短路点供电。3.2.2 直流馈线开关失灵拒动保护目前国内地铁直流馈线开关设置了多种保护和自动装置，这些都是必要的，但尚缺少一种重要的保护：开关失灵拒动保护。当开关失灵拒动时，开关本身设置的所有保护均失效，而馈线开关又没有远后备保护，这是直

60、流馈线保护的“软肋” 。众所周知，从牵引变电所的主接线上看，直流馈线开关没有远后备保护设备，这是由地铁供电网络的构成特点所决定的。在直流母线上共设置 6 路开关、2 路直流引入开关、4 路馈线开关，见附录 B -1。从电源角度讲，每路馈线开关的上一级有 5 路电源开关，这和交流电路不一样，交流电路上一级只有一路开关，所以当下一级开关失灵拒动时，上一级开关可以作为它的远后备保护。直流则不然，它的上级 5 路开关都不是它的远后备保护设备。从附录 B -1 中可以看出，当 K1 点发生短路时，如为变电所出口短路，馈线开关失灵拒动可能引起 2 路直流引入线开关跳闸，引起变电所联跳，及时切断 5 路电源