第十篇供电系统.docx
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第十篇供电系统
第十篇供电系统
10.1概述
深圳地铁2号线一期工程从蛇口客运港站至世界之窗站，线路全长13.862km，均为地下线。
一期工程共设车站11座，其中地下站10座、半地下站1座。
车辆段设置在蛇口西，线路延伸后在安托山增设停车场，南端和北端线路均预留延伸条件。
本工程起点站为蛇口客运港站，过蛇口客运港站后穿越独立山，沿太子路、南水路、东港路行进至后海滨路，其间设海上世界站、南水路站、东港路站，在后海滨路上设有招商东路站、工业八路站、登良路站、南山商业中心站，下穿滨海大道后东行进入高新科技园南区，设科技园站，下穿大沙河及沙河高尔夫球场后进入白石三道，设沙河东站，然后线路向北行进至一期工程终点站-世界之窗站，该站为地铁1、2号线的换乘站。
供电系统为地铁的列车和各种用电设备提供电能，是保证地铁正常运行的重要组成部分。
供电系统包含：
供电局地区变电站与地铁主变电所之间的输电线路（含地区变电站出线间隔）、地铁供电系统内部的牵引降压输配电网络、直流牵引供电网和低压配电网。
地铁供电系统由主变电所、中压供电网络、牵引变电所、降压变电所、牵引网系统、动力照明配电系统、电力监控（SCADA）系统、杂散电流腐蚀防护与接地系统和供电车间等组成。
供电系统主要构成部分的功能如下：
10.1.1主变电所：
负责向地铁沿线的各种用电设备提供电源。
每座主变电所从城市电网引入两路独立可靠的110kV电源，经主变压器降压后通过中压供电网络向地铁沿线的牵引变电所和降压变电所供电。
10.1.2中压供电网络：
负责将主变电所的中压馈电回路以分区环网方式向地铁沿线的牵引变电所和降压变电所提供两路可靠的电源。
10.1.3牵引变电所：
负责将中压交流电降压整流为1500V直流电，并向沿线的牵引网提供电源。
10.1.4降压变电所：
负责将中压交流电降压为0.4kV交流电，并通过低压开关柜和电缆馈出，向地铁的各种用电设备提供电源。
10.1.5牵引网系统：
负责将牵引变电所提供的直流1500V牵引电源通过受流器供给地铁列车，并利用走行轨回流。
10.1.6动力照明配电系统：
负责将降压变电所馈出的0.4kV交流电源配给地铁沿线车站、区间、车辆段及控制中心等处所的动力及照明设备。
10.1.7电力监控（SCADA）系统：
负责实施对地铁供电系统的主要电气设备的实时遥测、遥信、遥控和遥调，从而实现供电系统的远程集中调度管理，提高供电系统的自动化水平。
10.1.8杂散电流腐蚀防护及接地系统：
负责采取相应的防护技术方案，以减少杂散电流，并设置完善的杂散电流监测系统；负责满足变电所设备的工作接地和安全接地要求，满足各类通信、信号、计算机等弱电设备的工作接地和安全接地要求，满足其它车站设备工作接地和安全接地要求，满足防雷接地要求。
10.1.9供电车间：
负责全线供电系统设备的运行管理、维护检修、事故抢修和材料供应等工作，其职能是保证地铁供电系统安全可靠和不间断的供电。
.10.2设计依据及设计范围
10.2.1设计依据
10.2.1.1《深圳市地铁2号线工程勘察设计总承包合同》；
10.2.1.2《深圳市城市轨道交通建设规划》；
10.2.1.3《深圳市城市轨道交通二期2号线工程预可行性研究报告》及专家预审意见（2003年8月）；
10.2.1.4《深圳市城市轨道交通二期2号线工程可行性研究报告》及专家咨询意见（2004年7月）；
10.2.1.5建设部颁发的《城市快速轨道交通工程项目建设标准》（试行本）；
10.2.1.6建设部颁发的《市政公用工程设计文件编制深度规定》；
10.2.1.7国家标准《地铁设计规范》（GB50157-2003）；
10.2.1.8各相关会议纪要。
10.2.2设计范围
供电系统总体设计范围包括：
主变电所、中压供电网络、牵引变电所、降压变电所、牵引网系统、电力监控（SCADA）系统、杂散电流腐蚀防护与接地系统和供电车间。
10.3主要设计原则及技术标准
10.3.1主要设计原则
10.3.1.1供电系统应满足安全性、可靠性、灵活性和经济性的要求，并应充分考虑与深圳地铁其他已建、在建工程的衔接和后续延伸线以及邻近地铁线路的供电要求。
10.3.1.2地铁的大部分负荷为一级负荷，地铁的供电方式，应根据城市电网构成的不同特点确定。
采用集中供电方式时，地铁主变电所应由城市电网枢纽变电站提供至少两路独立可靠的专用线路供电，以保证供电的可靠性和连续性。
地铁主变电所的设置位置和数量，应结合城市轨道交通线网现状及规划和城市电网现状及规划统筹考虑。
10.3.1.3牵引供电系统容量按远期高峰小时负荷设计。
10.3.1.4中压供电网络方案应按技术经济指标综合最佳考虑。
10.3.1.5正线牵引网正常时采用双边供电，当一座牵引变电所退出运行时，由相邻的牵引变电所越区实现支援供电。
设备容量选择时，全线只考虑任意一座牵引变电所退出运行的情况。
10.3.1.6车辆段宜设置牵引变电所。
当车辆段牵引变电所退出运行时，由正线上相邻的牵引变电所越区支援供电。
一般情况下，不考虑车辆段牵引变电所向正线越区支援供电。
10.3.1.7根据车站设备的供电要求，每座车站设置两座降压变电所，每座降压变电所设置两台配电变压器；低压配电采用TN-S系统，配电电压采用380V/220V。
10.3.1.8在满足供电基本技术要求的前提下，同一处所的各种功能变电所应尽量合建。
10.3.1.9每座牵引变电所设置两套12脉波牵引整流机组、并联运行构成等效24脉波整流后向牵引网供电，以减少谐波。
地铁供电系统送入电力系统的谐波应满足GB/T14549-93的要求。
10.3.1.10牵引整流机组的负荷等级满足IEC146Ⅵ级，即：
100%额定负荷——连续
150%额定负荷——2h
300%额定负荷——1min
10.3.1.11地铁供电系统的总功率因数应不低于0.9。
10.3.1.12牵引网采用何种结构型式需经详细的技术经济比较后确定。
10.3.1.13牵引网系统应具备安全、可靠的性能，满足列车最高运行速度80km/h的运营要求。
10.3.1.14电力监控（SCADA）系统应满足可靠性、可维护性和可扩展性的要求，并具有故障诊断、在线修改等功能，以实现对供电系统设备的实时监控和电力调度自动化。
10.3.1.15杂散电流腐蚀防护按尽量减少杂散电流设计，遵循“以堵为主、以排为辅、防排结合、加强监测”的原则，设计完备的杂散电流腐蚀防护和监测系统。
10.3.1.16杂散电流腐蚀防护措施应与接地系统、防雷设施等协调考虑，必须处理好相互之间的配合及接口关系。
当杂散电流腐蚀防护措施与安全接地措施发生矛盾时，优先考虑安全接地。
10.3.1.17对沿线容易受到过电压侵入而损坏，且影响系统运行的供电电气设备，应设置过电压保护装置。
10.3.1.18为保证旅客和工作人员的安全，每座车站设置两台钢轨电位限制装置，车辆段根据具体情况考虑钢轨电位限制装置的设置数量和位置。
10.3.1.19全线接地系统按综合接地系统概念设计。
10.3.1.20供电系统的电气设备应选用质量可靠、技术先进、经济、环保、节能的成套设备和定型产品，并考虑小型化、无油化、自动化、免维护或少维护。
在地下使用的电气设备及材料，应选用防潮、低烟、无卤、阻燃或耐火的定型产品。
在保证供电系统可靠性的前提下，尽量采用国产设备。
10.3.2主要技术标准
1）《地铁设计规范》（GB50157-2003）
2）《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》（CJJ49-92）
3）《地铁直流牵引供电系统》（GB10411-2003，报批稿）
4）《35~110kV变电所设计规范》（GB50059-92）
5）《3~110kV高压配电装置设计规范》（GB50060-92）
6）《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》（GB50062-92）
7）《供配电系统设计规范》（GB50052-95）
8）《电能质量公用电网谐波》（GB/T14549-93）
9）《电力变压器》（IEC76）
10）《干式电力变压器》（GB6450-86）
11）《高压电缆选用导则》（DL401-2002）
12）《半导体变流器》（IEC146）
13）《电力工程电缆设计规范》（GB50217-94）
14）《铁路电力牵引供电设计规范》（TB10009-98）
15）《铁路电力设计规范》（TB10008-99）
16）《低压配电设计规范》（GB50054-95）
17）《电力设备接地设计技术规程》（SDJ8-79）
18）《建筑防火设计规范》（GBJ16-1987，2001年版）
19）地区电网数据与监控系统通用技术条件》（GB/T13730-92）
20）《铁路电力牵引供电远动系统技术规范》（TB10117-98）
21）《铁路电力远动系统工程设计规范》（TB10064-2000）
22）《远动终端通用技术条件》（GB/T13729-92）
23）《远动设备及系统第4部分：
性能要求》（GB/T17463-98）
24）《城市快速轨道交通工程项目建设标准》（试行本）
10.4供电电源及供电方式
10.4.1城市电网概况
深圳市电网不仅是广东省电网的一个重要组成部分，而且是粤港两网的连接部分。
深圳市电网既有500kV和220kV线路与广东省省网相连，又有400kV和132kV线路与香港电网相连。
深圳市电网的电压等级主要为500kV、220kV、110kV、10kV和380/220V，截至2002年年底，深圳市电网有500kV变电站2座，主变容量4250MVA；500kV/400kV线路6回，回路长度为249.24km；220kV变电站12座，主变容量6060MVA；220kV线路37回，回路长度532.69km；110kV变电站57座（不包括蛇口），主变容量7124.5MVA；110kV线路146回，回路长度899.2km，上述设施构成了深圳市电网骨架，并联网向各区域供电。
深圳市地铁2号线工程沿线既有的主要电源点有：
港湾等220kV变电站，东角头、蛇口、南山、科技园、沙河等110kV变电站。
规划的主要电源点有：
后海等220kV变电站，后海2等110kV变电站。
10.4.2供电方式的确定
城市轨道交通供电系统设计是一个系统工程，设计方案的好坏不仅影响城市轨道交通建设投资的大小，而且影响城市轨道交通建成后运营是否安全可靠、管理是否方便以及运营成本的高低。
因此，城市轨道交通供电系统的设计应根据整个城市轨道交通线网的现状与规划和城市电网的现状与规划统筹考虑，以整个城市轨道交通线网实施时具备较高的经济效益和社会效益为最终目标。
城市轨道交通的电源要求安全可靠，均由城市电网供给。
目前，国内外各城市对城市轨道交通的供电一般有三种方式，即：
集中供电方式、分散供电方式、集中与分散相结合的混合供电方式，无论采用何种供电方式均不能影响城市电网的正常运行。
集中供电方式是指城市电网（通常为110kV电压等级）向城市轨道交通的专用主变电所供电，专用主变电所再向城市轨道交通的牵引变电所和降压变电所供电。
分散供电方式是指城市轨道交通沿线的城市电网（通常为10kV电压等级）直接向城市轨道交通的牵引变电所和降压变电所供电。
集中与分散相结合的混合供电方式是上述两种供电方式的结合，能充分利用城市电网的资源，节省工程投资。
集中供电方式和分散供电方式的比较见表4.2-1，集中与分散相结合的混合供电方式的优缺点介于两者之间。
集中和分散供电方式的比较表4.2-1
项目
集中供电方式
分散供电方式
供电可靠性
可靠性高。
1、轨道交通供电系统有专用电源和专用110kV主变电所，受外界因素影响小。
2、110kV电网为高压输电网，设备制造和运营管理标准较高，故障率低。
3、每座主变电所与城市电网仅有两处110kV接口，系统接线简单，转电方便，事故概率小。
4、主变电所间和每座主变电所的两路进线电源间可以相互支援，故障情况下依靠自动合闸而不需通过供电局，可以迅速处理故障情况。
可靠性较高。
1、轨道交通供电系统电源来自10kV电网，受外界因素影响多。
2、10kV电网直接向一般用户供电，故障率比110kV要高得多。
3、轨道交通供电系统与城市电网有很多接口，转电操作复杂，事故概率大。
供电质量
110kV电网为高压输电网，且有专用供电回路，供电质量好。
10kV电网为用户网，负荷性质和大小变化较大，供电质量差。
对城市电网的影响
1、110kV电网允许接入的牵引整流负荷较大，对高次谐波造成的影响承受能力强。
2、牵引整流负荷经两级变压器转换后，已经大大减少了对电力系统中其它用户的影响。
1、牵引整流机组产生的高次谐波直接进入10kV用户网，对电网中的其它用户的影响较大。
2、若采取措施减小影响，则需要较大的投资。
运营管理
1、与城市电网的接口少、轨道交通内部供电自成系统，调度和运营管理方便。
2、线路的电能损耗较小，运营成本低。
1、与城市电网的接口多，调度和运营管理环节多，故障情况下的转电不方便。
2、线路的电能损耗大，运营成本高。
实施难易程度
只涉及城市电网几座220kV变电站的增容改造，工程量小，涉及面小，外部电源建设相对容易实施。
涉及到城市电网数十座110kV或220kV变电站的增容改造或新建，工程量大，涉及面广，外部电源建设相对难以实施。
对于某一城市而言，究竟采用何种供电方式，需根据城市轨道交通用电负荷的特点并结合该城市电网的具体情况进行分析。
若该城市的电力资源缺乏，变电站较少，采用分散供电方式需要新建多座地区变电站而使投资增大时，宜采用集中供电方式，该供电方式具有管理方便、供电可靠性相对较高等特点。
当城市电网的电力资源丰富，城市轨道交通线路沿线的地区变电站较多且容量足够、可靠性能够满足城市轨道交通供电系统的要求、可节约一定的建设资金，宜采用分散供电方式。
当城市电网的情况介于上述两种情况之间时，宜采用集中与分散相结合的混合供电方式。
根据深圳市城市轨道交通线网现状与规划和深圳市电网现状与规划，地铁2号线沿线的110kV变电站比较丰富，具备了实施分散供电方式的部分条件。
但是，由于城市电网供电的可靠性很难满足城市轨道交通的用电要求，实施的难度非常大，并且该供电方式具有：
电网电压波动较大、电能损耗大、运营成本高、牵引整流机组产生的高次谐波直接注入10kV电网（对电力系统中其它用户的影响较大）、与城市电网接口较多、需改造的城市电网变电站较多、工程实施不便、调度和运营管理不便等缺点。
已开通的深圳地铁一期工程采用了集中供电方式，正在建设的深圳地铁1、4号线延伸线和3号线也都采用了集中供电方式，为使深圳市地铁2号线工程更好地与其余工程衔接，以及便于将来的运营管理，建议深圳市地铁2号线工程采用集中供电方式，即设置地铁专用主变电所，将城市电网的高压电变成地铁牵引供电系统和变配电系统所需的电压等级后向地铁2号线供电。
10.5牵引供电制式
10.5.1牵引供电制式的选择
10.5.1.1概述
在选择牵引供电制式时，应综合考虑各相关因素，包括客流量与车辆、投资来源与国产化、最高行车速度、限界、供电可靠性、人身安全、施工安装与运营维护、能量损耗、杂散电流腐蚀防护、对周围环境的电磁干扰、再生能量利用、对城市景观的影响、资源共享、既有线路情况等。
对于一条具体地铁线路来说，虽然供电制式与上述各因素相关，但因各条线路各具特点，在实际操作中，上述众多因素中的某些因素往往成为选择牵引供电制式的决定因素，而这些决定因素依据线路特点的不同而不同。
应从本项目工程的实际出发，选择适合本线特点的牵引供电制式。
10.5.1.2牵引供电电压等级选择
根据国家标准，城市轨道交通直流牵引供电系统有两种电压等级可供选择，即DC750V和DC1500V。
虽然牵引供电电压等级的选择与诸多因素有关，但是，随着城市客流量的增大，有需要更大功率的车辆、降低运营能耗和杂散电流影响的要求，采用较高的电压等级供电已成一种趋势，较高的电压等级不仅可以增加牵引供电距离、减少牵引变电所数量，而且可以减少电能损失、节约投资和运行费用。
现在深圳地铁1期工程采用DC1500V，二期工程各条线可研报告也推荐采用了该电压等级，深圳地铁2号线工程牵引供电推荐采用DC1500V电压等级。
10.5.1.3牵引供电授流方式
牵引供电授流方式按安装位置的不同也有两种可供选择，即架空接触网授流方式和接触轨授流方式。
根据本线特点拟推荐采用架空接触网授流方式，且地下段采用刚性悬挂，车辆段采用柔性悬挂，在1、2号线联络线、车辆段出入段线设置刚柔过渡段。
具体分析详见《深圳市地铁2号线一期工程供电系统主要工程方案研究报告》。
10.5.2牵引变电所的布点和容量
牵引变电所的所址及牵引变电所整流组的安装容量选择应根据线路平纵断面资料、车辆选型及列车编组、行车组织方案等条件，结合所选择的接触网形式及其导体截面，通过牵引供电计算，并充分考虑初、近、远期工程的衔接和发展的需要，经多方案比选后确定。
深圳地铁2号线一期工程牵引变电所布点及牵引整流机组安装容量选择的主要依据如下：
10.5.2.1牵引变电所应尽量设置在车站（车场），以方便运营维护。
10.5.2.2正线牵引变电所的布点和容量必须充分考虑初、近、远期工程的衔接和发展的需要，车辆段宜单独设置牵引变电所。
10.5.2.3牵引变电所的布点和容量必须满足远期高峰小时运营时最大负荷的需要。
10.5.2.4正常运行时，牵引网采用双边供电，当任一座中间牵引变电所因故退出运行，由与其相邻的两座正常牵引变电所采用越区大双边供电，当端头牵引变电所退出运行时，由与其相邻的正常牵引变电所采用单边越区供电，仍保证地铁正常运营。
10.5.2.5车辆段牵引变电所解列时，由正线上相邻的牵引变电所实现越区供电。
10.5.2.6本设计在隧道内采用刚性接触网，地面段采用柔性接触网，走行轨为负极回流通路，正线走行轨采用60kg/m，车辆段采用50kg/m。
10.5.2.7牵引变电所的运行方式及设备容量选择原则：
全线只考虑有任意一座牵引变电所解列的情况。
牵引整流机组负荷等级满足《地铁设计规范》（GB50157-2003）的规定，即：
100%额定负荷――连续
150%额定负荷――2h
300%额定负荷――1min
10.5.2.8接触网额定电压为DC1500V，接触网电压最高、最低值应满足《地铁设计规范》（GB50157-2003）的规定，即：
1）在任何运行方式下，最高值为DC1800V。
2）在任何运行方式下（含在远期高峰小时、一座牵引变电所解列，由相邻的牵引变电所越区供电时），最低值为DC1000V。
10.5.2.9牵引变电所布点按远期A型车、6辆编组，蛇口客运港站～工业八路站高峰小时运行最小追踪间隔240s、工业八路站～世界之窗站高峰小时运行最小追踪间隔120s考虑。
根据上述原则和线路资料、行车组织方案、车辆选型及编组等条件，通过牵引供电计算，确定了远期高峰小时时，对应单边供电和双边供电情况下，牵引网电压水平和钢轨电位均满足要求的牵引变电所分布的最大距离，以此为基础，布置了多个牵引变电所布点方案（详见《深圳地铁2号线一期工程供电系统主要工程方案研究报告》），通过对各方案的分析、研究，并充分考虑地铁2号线初、近、远期工程的衔接和发展，经过仔细筛选后，本次设计推荐采用如下的深圳地铁2号线一期工程牵引变电所布点及容量选择方案。
正线设4座牵引变电所，分别为海上世界站、工业八路站、科技园站及世界之窗站，在车辆段设1座牵引变电所。
由于车辆段位于线路末端，因此，本方案将车辆段牵引变电所与正线牵引变电所统筹考虑，即在线路起点站蛇口客运港站不设置牵引变电所。
正常运行情况下，该方案的车辆段牵引变电所既可以只向车辆段和其出入段线供电，也可以和正线的海上世界站牵引变电所构成双边供电，向正线提供牵引电源。
当车辆段牵引变电所故障解列时，由正线的海上世界站牵引变电所向车辆段单边支援供电；当正线的海上世界站牵引变电所故障解列时，必须由车辆段牵引变电所和正线的工业八路站牵引变电所构成大双边支援供电，才能满足牵引供电的要求。
牵引变电所间距及牵引整流机组安装容量选择方案见表5.2－1。
牵引变电所布点及安装容量表表5.2－1
牵引所位置
间距（m）
安装容量（kVA）
车辆段
2×2500
2138
海上世界
2×2500
4108
工业八路
2×3300
3426
科技园
2×3300
3943
世界之窗
2×3300
正线牵引变电所的最大间距为4108m、最小间距为3426m，牵引变电所分布较为均匀，且与行车交路的配合好，供电设备能力利用充分。
牵引整流机组安装容量选择2500kVA、3300kVA两种，以减少牵引整流机组类型，线路末端的世界之窗站牵引变电所牵引整流机组安装容量选择3300kVA已为近、远期线路延伸后的牵引供电预留了安装容量。
10.6中压网络电压等级与构成方案
10.6.1中压网络电压等级的确定
国外既有城市轨道交通的中压网络一般有33kV、20kV和10kV电压等级。
国内既有城市轨道交通的中压网络有35kV、33kV和10kV电压等级，概况见表6.1-1。
国内城市轨道交通中压网络概况表表6.1-1
城市轨道交通线路
中压网络电压等级（kV）
牵引网络
配电网络
北京地铁
10
天津地铁
10
重庆轻轨较新线一期工程
10
上海地铁1号线、2号线和明珠线
33
10
广州地铁
33
深圳地铁一期工程及其延伸线和3号线
35
南京地铁
35
上海市轨道交通7号线、8号线、11号线
35
我国电力系统并未推荐过使用33kV电压等级，其在我国城市轨道交通（上海、广州）中的采用有其特殊的历史原因，故本次设计不再考虑该电压等级。
不同电压等级的中压网络有不同的特点，35kV、20kV和10kV三种电压等级网络的比较见表6.1-2。
不同电压等级网络的比较表表6.1-2
序号
项目
35kV
20kV
10kV
1
输电容量
大
中
小
2
输电半径
大
中
小
3
电能损耗
小
较小
大
4
设备价格
高
中
低
5
设备国产化
国产
国产
国产
6
设备尺寸及占地情况
大
小
小
7
国内城市电网应用
拟取消
有，但很少
广泛应用
8
国内城市轨道交通应用
有
无
有
9
适用标准
国家标准
国际标准
国家、国际标准
城市轨道交通供电系统的中压网络既可以采用牵引和动力照明同用一个网络的方式，即牵引与动力照明混合网络，也可以采用牵引和动力照明网络相对独立的两个网络的方式。
由于电费在城市轨道交通将来的运营成本中所占比例很大，从长远的角度来看，中压环网的电压等级宜首选较高的电压等级，亦即35kV或20kV。
在采用集中供电方式时，中压网络电压等级越高，其输电半径和容量越大、电能损失越小、主变电所设置数量也越少的优势尤其突出，有利于实现对城市轨道交通相邻线路的主供电或备用供电，有利于合理的利用城市的土地资源、电力资源，实现资源共享。
鉴于深圳地铁一期及其延伸线和3号线工程已采用集中式110/35kV两级电压供电、牵引动力照明混合网络方式，建议深圳市地铁2号线工程中压网络也采用集中式110/35kV两级电压供电、牵引动力照明混合
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