城市轨道交通双端供电BG110210贾航分解.docx
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城市轨道交通双端供电BG110210贾航分解
城市轨道交通双端供电
学院：
电气学院
专业：
电气工程及其自动化（轨道交通方向）
班级：
BG1102
姓名：
贾航
学号：
111001180210
指导教师：
王致杰
设计时间：
2014.12
小组设计及分工：
组长及原理图设计：
袁端丽
报告编辑：
贾航、叶云舟
报告排版：
胡池靖、陈迪
目录
第一章设计原始资料6
1.1具体题目6
第二章设计分析7
2.1外部电源选择7
2.2牵引变电所接线形式8
2.3整流机组接线形式9
第三章主接线图绘制11
3.1电源侧主接线11
3.2中压侧主接线11
3.3低压侧主接线12
4.1变压器形式的选择13
4.2变压器的冷却方式13
5.1电缆芯数选择15
5.2电力电缆截面选择16
5.2.1按照载流量选择16
5.2.2按经济电流选择截面16
第六章设备的功能和型式17
6.1高压开关设备17
6.2中压开关设备17
6.3断路器类型18
1、电压阶级分类19
2、用途上分类19
半屋外变电所19
7.1主变电所20
7.2牵引变电所21
7.3牵引变电所布点的基本要求22
7.3.1满足直流牵引供电系统运行方式的要求22
7.3.2满足牵引网电压损失允许值得要求22
7.4布点的设计方案23
7.5布点的实现过程23
8.1负荷计算25
第九章供电系统图、接线图、设备布置图的设计26
9.1供电系统图的设计26
9.2接线图的设计27
9.3设备布置图的设计29
个人小结30
参考文献31
序言
城市轨道交通供电系统是将电能从电力系统传送给电力机车的电力装置的总称。
城市轨道交通供电系统，担负着运行所需的一切电能的供应与传输，是城市轨道交通安全可靠运行的重要保证。
城市轨道交通的用电负荷按其功能不同可分为两大用电群体。
一是电动客车运行所需要的牵引负荷，二是车站、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，诸如：
通风机、空调、自动扶梯、电梯、水泵、照明、AFC系统、FAS、BAS、通信系统、信号系统等。
在上述用电群体中，有不同电压等级直流负荷、不同电压等级交流负荷；有固定负荷、有时刻在变化的运动负荷。
每种用电设备都有自己的用电要求和技术标准，而且这种要求和标准又相差甚远。
城市轨道交通供电系统就是要满足这些不同用户对电能的不同需求，以使其发挥各自的功能与作用。
保证电动客车畅行，安全、可靠、迅捷、舒适地运送乘客，是供电系统的根本目的。
城市供电系统正文由供电电源、各级电压的电力网络组成的系统，是为现代城市提供能源的基础设施之一。
城市供电系统规划是城市总体规划的组成部分。
规划任务城市供电系统规划的主要任务有：
①确定城
电力牵引供电系统，电力牵引供电系统正文电气化铁路向电力机车供给牵引用电能的系统。
主要由牵引变电所和接触网组成。
牵引变电所将电力系统通过高压输电线送来的电能加以降压和变流后输送给接触网，以供给沿线路行驶的电力机车。
有供电系统阻抗，定义从公共连接点看进去的供电系统的阻抗称为供电系统阻抗。
相关条目科学科技工程电力电力工程。
供电系统谐波，概述供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。
相关谐波频率与基波频率的比值（n=fn）。
星形连接，星形连接正文将三相电源或负载中每相的末端接在一起形成一个中性点，并再从每相的始端引出端线的连接方式（见图）。
图中的三相电源和三相负载都是这样连接而成的。
星形连接负载的每一相只与一条端线相连，因此负
间谐波，简介把含有供电系统设计运行频率（我国是50HZ）非整数倍频率的电压或电流定义为间谐波。
相关链接物理力学光学声学分析化学
供电可靠性，简介供电可靠性是指供电系统持续供电的能力，是考核供电系统电能质量的重要指标,反映了电力工业对国民经济电能需求的满足程度，已经成为衡量一个国家经济发达程度的标准之一；供电可靠性可以用如下一系列指标加以衡
第一章设计原始资料
1.1具体题目
车辆电气设备双端供电系统设计。
1.2要完成的内容
1）设计题目，确定具体任务；
2）进行设计计算：
包括负荷计算，变压器容量选择，短路电流计算，负荷开关的选择，电缆的选择。
3）提交轨道交通供电系统图、接线图、设备布置图等。
第二章设计分析
根据功能的不同，地铁供电系统一般划分为以下几部分：
外部电源；主变电所；牵引供电系统；动力照明系统；杂散电流腐蚀防护系统；电力监控系统。
外部电源：
地铁供电系统的外部电源就是地铁供电系统主变电所供电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。
集中式供电通常从城市电网110kV侧引入两回电源，按照地铁设计规范要求，至少有一回电源为专线。
主变电所：
主变电所的功能是接受城网高压电源（通常为110kV），经降压为牵引变电所、降压变电所提供中压电源（通常为35kV或10kV），主变电所适用于集中式供电。
主变电所接线方式为线变式或桥型接线。
牵引供电系统：
牵引供电系统的功能是将交流中压经降压整流变成直流1500V或直流750V电压，为地铁列车提供牵引供电，系统包括牵引变电所与牵引网，牵引网包括接触网与回流网。
接触网由架空接触网（直流1500V）和接触轨（直流1500V或750V）两种悬挂方式，大多数工程利用走行轨兼作回流网；少数工程单独设置回流轨。
动力照明供电系统：
动力照明供电系统的功能是将交流中压（35kV或10kV）降压变成交流220/380V电压，为运营需要的各种机电设备提供电源。
杂散电流腐蚀防护系统：
杂散电流腐蚀防护系统的功能是减少因直流牵引供电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主体结构及其附近结构钢筋、金属管线的电腐蚀，并对杂散电流及其腐蚀保护情况进行监测。
电力监控系统：
电力监控系统的功能是实时对地铁变电所、接触网设备进行远程数据采集和监控。
在城市轨道交通控制中心，通过调度端、通信通道和变电所综合自动化系统对主要电气设备进行四遥控制，实现对整个供电系统的运营调度和管理。
2.1外部电源选择
城市轨道交通系统的外部电源方案，根据城市电网构成的不同特点，可采用集中式、分散式、混合式等不同形式。
究竟采用何种方式，应通过计算确定需要负荷之后，根据城市轨道交通路网规划、城市电网构成特点、工程实际情况综合分析确定。
但此次课程设计主要是双端供电的分析、讨论。
2.2牵引变电所接线形式
目前，国内城市轨道交通供电系统牵引变电所主接线大多采用如下形式：
每座牵引变电所设2台整流机组，均接于同一段母线上；每套整流机组分别通过断路器与35kV母线连接；直流1500V母线为单母线接线；每座牵引变电所内馈出4回直流电源分别接至牵引网上下行，与相邻牵引变电所构成双边供电；直流进线开关选用直流断路器或者电动隔离开关；直流负极开关选用手动隔离开关或者电动隔离开关；直流馈线开关选用直流断路器。
2.3整流机组接线形式
牵引整流机组接入35kV母线一般有两种方案：
一是两套牵引整流机组进线合并，二是两套牵引整流机组进线独立。
其中方案二：
正常运行时，两套牵引整流机组同时投入；故障状态下，当其中一套牵引整流机组退出运行时，另一套牵引整流机组在其允许过负荷情况下可继续运行，否则由相邻牵引所实现对牵引网的越区支援供电，管理和操作较复杂；并且套牵引整流机组设备及保护配置相互独立，故障易判断。
两套牵引整流机组分别通过一台35kV断路器，并接在同一段35kV母线上。
图3整流机组接线图
第三章主接线图绘制
3.1电源侧主接线
当牵引变电所只有两回电源进线和两台主变压器时，常在电源线路间用横向母线将它们连接起来，即构成桥形接线。
根据中间横向母线的位置不同而分为内桥接线和外桥接线两种，前者的桥接母线连接在靠变压器侧，而后者则连接在靠线路侧。
内桥接线适用于线路故障较多的场所，外桥接线适用于变压器故障较多的场所，而变压器又不需要频繁的操作，故在此选内桥接线如图4所示。
图4内桥接线图
3.2中压侧主接线
中压主接线一般为分段单母线，根据系统运行要求，可设或不设母线分段开关。
跟随式降压变电所一般采用线路-变压器组接线。
单台配电变压器正常负载率宜在70%左右，并应满足本降压变电所一、二级低压负荷的用电要求。
分段单母线接线（设母线分段开关）：
降压变电所中压电源侧为分段单母线，设母线分段开关，母线分段开关可手动和自动操作，降压变电所在两端母线上各设一台配电变压器，而不设母线分段开关的分段单母线接线与其完全一样。
对于线路-变压器组接线中压部分包括中压负荷开关、熔断器等主要设备。
3.3低压侧主接线
10kV配电系统直接面向车站、区间的低压用户，从用电设备负荷分类来讲，一、二级负荷占绝大多数，对低压电源的可靠性要求高。
主变电所、电源开闭所、中压网络等输变电环节采取了一系列措施以提高供电系统的可靠性，在10kV配电系统这一环节采用分段单母线接线，设母线分段开关。
图5低压侧主接线图
第四章变压器的选择
变压器的的选择，包括变压器台数与容量的确定、变压器的选型、变压器阻抗的选择、变压器电压调整方式的选择以及冷却方式等。
4.1变压器形式的选择
当不受运输条件限制时，在330KV及以下的发电厂和变电所，均应选用三相变压器。
城市轨道交通主变电所高压侧电压为110KV或以下，因而均选用三相变压器。
目前我国城市轨道交通主变压器一般采用两线圈变压器。
随着35KV设备的小型化及价格的降低，大多城市的城市轨道交通采用110/35KV两线圈变压器，少数城市的城市轨道交通由于历史等原因仍采用110/10KV两线圈变压器。
目前主变压器一般采用Y,d结线，有载高压开关装在高压侧。
4.2变压器的冷却方式
变压器的冷却方式一般有：
自然风冷却；强迫油循环风冷却；强迫油循环水冷却；强迫油循环导向冷却。
小容量变压器一般采用自然冷却或自然风冷却。
大容量变压器一般采用强迫油循环风冷却。
在发电厂水源充足的情况下，为了压缩占地面积，大容量变压器也有采用强迫油循环水冷却方式的。
在100MVA以上的大容量变压器中，有的也采用强迫油循环导向冷却方式。
按变压器选用导则的要求，冷却方式的选择推荐如下:
1、油浸自冷31500kVA及以下、35kV及以下的产品;50000kVA及以下、110kV产品。
2、油浸风冷12500kVA~63000kVA、35kV~110kV产品;75000kVA以下、110kV产品;40000kVA及以下、220kV产品。
3、强迫油循环风冷50000~90000kVA、220kV产品。
4、强迫油循环水冷一般水力发电厂的升压变220kV及以上、60MVA及以上产品采用。
5、强迫导向油循环风冷或水冷（ODAF或ODWF）75000kVA及以上、110kV产品;120000kVA及以上、220kV产品;330kV级及500kV级产品。
选用强油风冷冷却方式时，当油泵与风扇失去供电电源时，变压器不能长时间运行。
即使空载也不能长时间运行。
因此，应选择两个独立电源供冷却器使用。
选用强油水冷方式时，当油泵冷却水失去电源时，不能运行。
电源应选择两个独立电源。
根据目前国内变压器制造水平，对于城市轨道交通用主变压器，110MV等级容量50MVA以下的，一般采用自然冷却方式。
序号
项目
要求
1
网侧额定电压分接
+-2*2.5%
2
绝缘耐热等级
F级或H级
3
两绕组阀侧空载电压不平衡度
<=0.3%
4
两台变压器短路阻抗不平衡度
3%
5
两绕组短路阻抗不平衡度
3%
6
局部放电量
<=10pc
7
绕组温升
F级100K；H级125K
8
噪音
<=55db
表1牵引变压器主要技术参数
根据以上数据表格以及相关资料的查询，选择变压器参数如下：
电压组合（kV/kV）
额定容量（kVA）
短路容量（kA/kA）
空载损耗（kW）
负载损耗（kW）
空载电流（%）
短路阻抗（%）
110/35
20000
20/18
24.5
91
1.3
10.5
35/10
800
18/16
2.7
10
1.8
6
表2变压器参数选择
第五章电缆的选择及敷设
电缆选择及敷设是城轨供电系统的重要设计内容，直接关系到供电系统的可靠性和经济性。
此处介绍城轨交通电缆选择及敷设。
电力电缆的选择主要包括电缆类型、电缆截面、电缆附件的选择及配置。
其中电缆类型的选择应考虑导体材料、电缆芯数、绝缘水平、绝缘材料及护套等；电缆截面的选择应考虑电缆载流量、电缆经济电流特性、电压损失、热稳定等因素；电缆附件的选择及配置包括电缆终端头及中间头的设置、类型、绝缘特性、机械特性、金属护层、接地方式等。
控制电缆的选择包括芯数、截面及金属屏蔽要求等。
根据城轨交通供电的特点，高压电力电缆、中压电力电缆应按照远期高峰小时用电负荷进行选择；低压电力电缆根据动力照明相关计算进行选择；直流牵引电缆按照VI类重牵引负荷特性进行选择。
5.1电缆芯数选择
在城轨供电系统中，35KV及以上电力电缆通常采用单芯电缆；10KV电力电缆通常采用三芯电力电缆；低压电力电缆在150mm2及以下截面采用五芯电力电缆，185mm2及以上电力电缆大部分采用单芯电缆；直流电缆采用单芯电缆。
电缆芯数选择见下表：
电压
系统制式
电缆芯数
说明
3根单芯
多芯
35KV交流
三相
3根单芯
10KV交流
三相
3芯
<1KV交流
三相四线制
4或5芯
TN-C系统的PEN线应和相线在同一电缆内，即用4芯
三相三线制
3或4芯
单相两线制
3芯
750V或1500V
直流
单芯
表三电缆芯数选择
5.2电力电缆截面选择
5.2.1按照载流量选择
电力电缆的选择应满足系统载流量的要求以及在系统潮流分布下的最大运行方式计算容量的载流要求，并按远期高峰小时前因负荷有效值进行电缆截面选择。
电缆载流量易受材质、敷设处环境温度、敷设方式、土壤热阻系数、敷设回路的影响。
5.2.2按经济电流选择截面
电缆截面选择除技术条件外，另一个方面是经济条件，即按经济电流选择。
所谓经济电流是寿命期内，投资和导体损耗费用之和最小的适用截面（区间）所对应的工作电流（范围）。
按载流量选择线芯截面时，除计算初始投资外，还要考虑经济寿命期内导体损坏费用，二者之和应最小，但线路损耗费用增大；反之增大线芯截面时，线路损耗减少，两者之和最小，即为经济截面。
电气设计领域逐步同国际接轨是电气设计的进步。
国际电工委员会按经济电流选择电缆截面，制定了“电力电缆的线芯截面最佳化”标准。
全面推行按经济电流选择电缆截面的方法，将减少35%~42%的线路损耗，经济意义巨大。
在电力和建筑电气工程中推行按经济电流选择电缆截面时优化设计的内容之一。
一般情况下，按温升选择的截面与按经济电流确定的导体截面二者取较大者。
第六章设备的功能和型式
6.1高压开关设备
高压开关设备应用于城轨工程主变电所，作为高压配电设备，接受城网电源并分配给内主变压器。
高压开关设备为户内式安装，一般采用高压GIS全封闭组合电器设备。
高压SF6全封闭组合电器，将SF6断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件和出线终端等组合在一起，这些设备或部件全部封闭在已接地的金属外壳中，在其内部充有一定压力的SF6绝缘气体，该设备简称GIS。
由于GIS是将多个高压元器件有机的组合在一起，因此具有结构紧凑、元器件不受污染及大气环境因素的影响、安装方便、有利于缩短安装工期等特点。
高压SF6全封闭组合电器不仅电气绝缘介质采用SF6气体，灭弧介质也是SF6气体。
虽然SF6气体本身极稳定，有很高的绝缘强度和灭弧能力，但在SF6气体环境中的断路器和电气设备的稳定性、可靠性完全取决于SF6气体的纯洁度。
如果纯洁度受到破坏，例如混入了过量的水分、杂质及加工余屑和金属粉末等，它的稳定性就会受到破坏，同时绝缘强度和灭弧能力也会大大降低。
此时受到湖光温度的作用和影响，还将分解出有害的分解物，在严重的情况下甚至会产生对人体有害的物质。
6.2中压开关设备
中压开关设备应用于城轨工程的主变电所、电源开闭所、牵引变电所和降压变电所，用于接受和分配中压电能。
在主变电所，重压开关设备的进线电源引自主变压器，馈出线引至主变电所供电范围内的牵引变电所、降压变电所。
电源开闭所的中压开关设备接受城网或主变电所的中压电源，并为开闭所供电范围内的牵引变电所、降压变电所提供中压电源。
依据中压网络的设计，牵引变电所的中压开关设备由主变电所、电源开闭所、相邻牵引变电所、降压变电所引入中压网络，并供给所内牵引变压器。
降压变电所的中压开关设备由主变电所、电源开闭所、相邻牵引变电所或降压变电所引入中压电源，并供给所内配电变压器。
6.3断路器类型
按照断开速度不同分为低速断路器和高速断路器，一般以断开时间为0.02s分界。
从灭弧介质可分为油断路器、真空断路器、SF6断路器、压缩空气断路器、自产气断路器和磁吹断路器等。
目前，油断路器城网仍有少量采用，其它断路器已被真空断路器和SF6断路器取代。
油断路器分为多油式断路器和少油式断路器，主要区别是：
少油式断路器的触头及灭弧装置对地的绝缘是由支撑绝缘子、瓷套管和有机绝缘部件实现的，而多油式的触头及灭弧装置对地的绝缘和触头之间的绝缘则是靠油来实现的，因而油量大、体积大、断流容量小。
少油式则油量小、体积小、断流容量大，技术比多油式先进。
SF6断路器以SF6气体为灭弧介质，它有很好的灭弧性能，灭弧性能是空气的100倍，并且灭弧后不变质，可重复使用。
第七章变电所
变电所（substation）就是电力系统中对电能的电压和电流进行变换、集中和分配的场所。
为保证电能的质量以及设备的安全，在变电所中还需进行电压调整、潮流（电力系统中各节点和支路中的电压、电流和功率的流向及分布）控制以及输配电线路和主要电工设备的保护。
按用途可分为电力变电所和牵引变电所（电气铁路和电车用）。
电力变电所又分为输电变电所、配电变电所和变频所。
这些变电所按电压等级可分为中压变电所（60千伏及以下）、高压变电所（110～220千伏）、超高压变电所（330～765千伏）和特高压变电所（1000千伏及以上）。
按其在电力系统中的地位可分为枢纽变电所、中间变电所和终端变电所。
1、电压阶级分类
一次变电所
二次变电所
三次变电所
2、用途上分类
送电用变电所
配电用变电所 周波数变换所 电气铁道用变电所
直流送电用变电所
半屋外变电所
地下式变电所
移动式变电所（变压器）
变电所类型
在强制性国家标准GB50053-94《10kv及以下变电所设计规范》里面规定的术语定义是“10千伏及以下交流电源经电力变压器变压后对用电设备供电”，符合这个原理的就是变电所。
按变压器装设位置和环境不同，变电所分为：
露天变电所：
变压器位于露天地面之上的变电所；
半露天变电所：
变压器位于露天地面之上的变电所，但变压器上方有顶板或挑檐；
附设变电所：
变电所的一面或数面墙与建筑物的墙共用，且变压器室的门和通风窗向建筑物外开；
车间内变电所：
位于车间内部的变电所，且变压器室的门向车间内开；
独立变电所：
为一独立建筑物；
室内变电所：
附设变电所，独立变电所和车间内变电所的总称；
终端变电所：
单独建造的终端变电所，是用电单位或者用户前端的第一个变电所，变电所出来的电直接
就可供给用户用电设备使用，而不需再次经过变压的，通常是指10千伏降压至380伏的最末一级变电所。
7.1主变电所
上海地铁五号线的设置的两座主变电所分别设于莘庄和东川路站。
每座主变电所均从城市电网引入两路可靠的110KV电源。
莘庄站主变电所的两路电源引自华山区域变电所的两段母线，东川路站主变电所的两路电源引自浦东区域变电所的两段母线，电源引入皆为110KV电缆线路。
两座主变电所供给该工程全线的牵引和动力照明用电。
每座主变电所为线路--变压器组接线方式。
两路110KV电源和两台主变压器分列运行，不设桥路开关。
主变压器采用油浸自冷、有载自动调压主变压器。
主变电所采用了SF6绝缘全封闭组合电器GIS，占地面积较小。
主变电所的平面布置较为紧凑，也特别注意了设备运输、安装和运行的要求，并设有通往地铁5号线的电缆通道，其断面为2m*2m。
主变电所的设计如下所示：
图6主变电所的设计
7.2牵引变电所
城市轨道交通供电电源一般取自城市电网，通过城市电网一次电力系统和城市轨道供电系统实现输送或变换，然后以适当的等级供给城市轨道交通各类设备。
城市城市轨道交通供电系统分为主变电所、牵引变电系统、变配电系统三部分。
根据功能的不同，对于集中式供电，城市轨道交通供电系统可分成以下几部分：
外部电源、主变电所、牵引供电系统、动力照明配电系统、电力监控（SCADA）系统。
对于分散式供电，城市轨道交通供电系统则可分成以下几部分：
外部电源、（电源开闭所）、牵引供电系统、动力照明配电系统、电力监控（SCADA）系统。
牵引供电系统，又可分成牵引变电所与牵引网系统。
动力照明配电系统，又可分成降压变电所与动力照明。
但在进行初步设计与施工设计时，为便于设计管理，供电系统往往被划分成：
系统设计；主变电所设计；牵引变电所（或牵引降压混合变电所）及降压变电所设计；牵引网设计；电力监控系统设计；杂散电流腐蚀防护设计。
上海地铁5号线正线设11座牵引变电所，即在每一个站台都设有牵引变电所，其站名分别为莘庄、春申路、银都路、颛桥、北桥、剑川路、东川路、金平路、华宁路、文井路、闵行开发区，各设一座牵引变电所。
牵引变电所的交流侧电压为10KV，采用单母线，双电源，一用一备；直流侧标称电压为1500V。
每座牵引变电所设两套牵引整流机组单套牵引整流机组为12脉波整流方式，两套牵引整流机组接于同一段母线，构成等效24脉波整流方式。
牵引变电所直流侧为单母线系统。
牵引整流机组的直流侧设电动隔离开关，牵引变电所通过具有足够分段能力的直流快速开关向牵引网送电。
牵引变电所分就地和远动二级控制，各控制对象能单独进行控制方式转换。
按远期无人值班设计。
7.3牵引变电所布点的基本要求
7.3.1满足直流牵引供电系统运行方式的要求
本设计采用双牵引整流机组双边供电的运行方式，各牵引变电所的两套牵引整流机组均投入运行，牵引网电压质量好，牵引网能耗低，对杂散电流腐蚀防护也是有利的。
7.3.2满足牵引网电压损失允许值得要求
《地铁设计规范》（GB50157—2003）第14.1.14要求：
直流牵引供电系统的电压及其波动范围应符合表2的规定：
系统电压（V）
标称值
最高值
最低值
750
900
500
1500
1800
1000
表4直流牵引供电系统电压值
牵引网最大电压损失值是影响牵引变电所数量的关键因素，在牵引网回路阻抗一定的条件下，牵引变电所之间距离的大小主要由牵引网电压允许波动范围及允许载流量确定。
无论正常双边供电，还是故障大双边供电，牵引网最大电压损失都不能超过允许值。
7.4布点的设计方案
由于该地铁一号线线路各车站的站间距相差较小，故以线路末端车站设牵引变电所为布点基点
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