地铁牵引供电系统设计.doc
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1、地铁牵引供电系统设计The Design of Subway Power Supply System 摘要牵引供电系统是城市轨道交通系统中最为重要的基础能源设施,其功能是为轨道交通系统中的电力车辆供电,保证轨道交通列车车辆的正常运营。通过对供电方案的比较,*地铁供电系统采用集中供电方式,系统包含电业局地区变电所与轨道交通主变电所之间的输电线路、轨道交通供电系统内部牵引降压输配电网络、直流牵引供电网和车站低压配电网;牵引供电系统由主变电所、高压/中压供电网络、牵引供电系统、电力监控系统、接触网系统、杂散电流防护和接地系统、供电车间等组成。轨道交通供电系统的重要功能如下:接受、分派电能:主变电所的
2、主变压器将110KV高压电变换成20KV中压电、20KV供电网络将电能分派到每一个车站和车辆段内的牵引变电所和降压变电所。关键字:集中供电方式 牵引变电所 DC1500V接触轨 20kV中压AbstractTraction power supply system of urban rail transit system is the most important basic energy facilities, its function is providing power for rail transit system, ensure the normal operation of rail
3、 transit vehicle. Through the comparison of the power supply scheme, shijiazhuang metro power system uses centralized power supply mode, system contains the transmission lines between area substation and rail traffic main substation, Traction step-down power transmission and distribution network of
4、rail transport power supply system, DC traction supply network and station low voltage distribution network; tractive power supply system is composed of main substation, high-pressure/medium voltage power supply network, tractive power supply system, electric power monitoring and management system,
5、overhead contact system, stray current protection and grounding system, Power supply workshop and so on. The main function of rail transport power supply system is in the below:Accept, distribution of the main substation power: main transformer will convert to a 20KV 110 kv high-voltage power supply
6、 network in 20KV piezoelectric, energy allocated to each station and maximize the traction substation and step-down in substation.Key words: entralized power supply system traction substation DC1500V contact rail 20kV medium voltage 目 录第1章 绪论41.1 供电系统的功能41.2 供电系统的构成51.3 供电系统电磁兼容6第2章 电源与主变电所72.1 电源72
7、.2 主变电所92.3 中压供电网路10第3章 牵引供电系统113.1 牵引供电运营方式113.2 牵引供电系统保护143.3 牵引变电所183.4 牵引网21第4章 杂散电流224.1 概述224.2 杂散电流的产生234.3 杂散电流的防护23第5章 牵引供电计算245.1 概述245.2 平均运量法255.3 用平均运量法对罗家庄牵引变电所的计算25第6章 直流短路计算296.1 概述296.2 电路图法306.3 对罗家庄站两边的供电区间进行短路计算31第7章 结论33参考文献35谢辞错误!未定义书签。附录36第1章 绪论1.1 供电系统的功能1.1.1 全方位的服务功能地铁供电系统是
8、为地铁安全运营服务的,保证地铁的所有电气用户安全、可靠的用电是他的职责。在地铁这个庞大的用电群体中,用电设备有不同的电压等级、不同的电压制式,既有固定的,也有时刻在变化着的,供电系统就是要满足这些不同用途的用电设备对电源的不同需求,使地铁的每种用电设备都能发挥自己的功能和作用,保证地铁安全可靠的运营。1.1.2 故障自救功能在系统中,发生任何一种故障,系统自身都应有备用措施,以保证地铁的正常运营不受影响。双电源是构成地铁供电系统的重要原则,主变电所、牵引变电所和降压变电所为双电源、双机组对动力照明的一、二级负荷采用双电源、双回路供电,牵引网同一馈电区间采用双边供电方式,当一座牵引变电所故障解列
9、时,靠两相邻变电所的过负荷能力对牵引网进行大双边供电,保证列车可以正常运营不受影响。1.1.3 系统的自我保护功能 对牵引供电系统而言,为保证旅客的安全,保护的速动性是第一位的,起保护的原则是“宁可误动作,不可不动作”,误动作可以用自动重合闸校正,而保护不动作则很危险,由于直流电弧在不切断电源时可以长时间维持,从而威胁旅客安全。地铁供电系统中压交流侧保护,应和城市电网的保护相配合和协调,因此其保护的选择性也受到制约。1.1.4 防止误操作功能 系统中任何一个环节的操作都应有相应的联锁条件,不允许由于误操作而导致发生故障。特别是各种隔离开关,或手车式开关的隔离触头,都不允许带负荷操作。防止误操作
10、,是使系统安全、可靠的运营不可缺少的环节。1.1.5 方便灵活的调度功能 系统应能在控制中心进行集中控制、监视和测量,并能根据运营需要,方便灵活的进行调度,变更运营方式,分派符合潮流,是系统的运营更加经济合理。系统发生故障时,电力调度可以对供电分区进行调度和调整,以达成安全可靠、经济运营的目的。1.1.6 完善的控制,显示和计量功能系统应能进行就地和远动控制,并可以方便地进行操作转换,系统各环节的运营状态应有明显的显示。各种信号显示应准确,事故信号、预告信号分别显示。牵引用电和动力照明用电应分别计算,以利于对用电指标进行考核与经济分析。1.1.7 电磁兼容功能 地铁是强电、弱电多个系统共存的电
11、磁环境,为了使各种设备或系统在这个环境中能正常工作,且不对该环境中其它设备、装置或系统构成不能承受的电磁骚扰各种电器和电子设备的系统内部以及和其他系统之间的电磁兼容显得尤为重要。供电系统及其设备在地铁这个电磁环境中,一方面是作为电磁骚扰源存在的,同时也是敏感设备。在地铁的电磁环境中,供电系统与其它设备、装置或系统应是电磁兼容的。在技术上应采用措施,克制骚扰源、消除或减弱电磁耦合、提高敏感设备的抗干扰能力,以达成各系统的电磁兼容,是地铁安全可靠地运营。1.2 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应地铁各类设备。
12、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。1.2.1 牵引供电系统 牵引供电系统重要由主变电所、牵引变电所、接触网、电力监控、供电缆网等组成。提供地铁车辆的牵引动力电源,专为电动车辆服务。1.2.2 供配电系统 动力照明供配电系统重要由降压变电所、低压母线排、配电设备、线缆、用电设备等组成。提供地铁机电设备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 供电系统电磁兼容在地铁这个电磁环境中,应一方面研究构成电磁兼容的三要素骚扰源、耦合途径、敏感设备。采用必要的措施,以克制骚扰
13、源、消除或减弱电磁耦合、提高敏感设备的抗干扰能力。1.3.1 克制骚扰源 供电系统不仅是地铁的能源设施,同时也是作为电磁干扰源而存在。牵引供电系统产生的谐波和杂散电流就属于地铁这个电磁环境中的骚扰源。(1)谐波克制 谐波是牵引供电系统由交流变为脉动直流时必然要产生的高次交流成分,交流成分的脉波数和大小与整流的脉波数有关。它所产生的谐波通过传导耦合对系统中的其它用电设备存在有害的影响。因此,把这种危害降到能容忍的限度,是牵引供电系统必须要解决的问题。增长整流的脉波数是非常有效的办法。目前国内地铁普遍采用等效24脉波整流来尽量减小对系统中其他用电设备的电磁骚扰。(2)杂散电流克制 直流牵引网采用接
14、触网正极送电,走行轨负极回流,随着列车的运营,绝大部分回流电流沿着走行轨流回牵引变电所,同时也不可避免的要从走行轨向地下泄漏电流。杂散电流的大小重要取决于走行轨的对地电位和走行轨对地过渡电阻的大小。相应的克制杂散电流的措施重要有以下几项: 牵引供电系统采用双边供电方式;上下行走行轨并联,减小走行轨电阻;走行轨绝缘安装;道床的排水沟设在列车运营方向的右侧;敷设杂散电流收集网。1.3.2 消除或减弱电磁耦合(1)屏蔽 屏蔽并接地是消除或减弱感应骚扰和辐射骚扰的唯一途径。供电系统的所有设备外壳均应采用封闭式金属铠装柜体,并可靠接地。这样既可以防止外来的电磁干扰,又可以使设备自身产生的电磁骚扰不向外辐
15、射;设备内部的电子器件及其连线和接头都应做好密闭和屏蔽;控制用电缆采用屏蔽电缆,其屏蔽层一点接地;电力电缆采用钢带铠装绝缘外护套电缆,钢带在变电所一点接地。(2) 电缆敷设尽也许加大不同电压等级电缆的间距,减小辐射耦合和感应耦合;强、弱电电缆分侧敷设;高压、低压、控制电缆分层敷设;金属电缆托架应可靠接地。1.3.3 提高敏感设备的抗干扰能力(1)防雷 对于雷电现象,供电系统属于敏感设备,在技术上应严加防范。空旷地面高架桥设避雷线,保护高架桥、接触轨、区间电缆。地面变电所的中压母线、低压母线、直流正负母线均设避雷器。(2)接地 变电所设综合接地装置,需要接地的设备或系统分别用接地线引到接地母线上
16、;变电所接地电阻为0.5以下;电力变压器中性点直接接地,低压系统采用TN-S系统;需要屏蔽的设备外壳及电缆屏蔽均需接地。第2章 电源与主变电所2.1 电源电源由城市电网引入,地铁供电系统对于城市电网是用户,对地铁的各类负荷又是电源。城市电网对地铁的供电方式重要有三种形式,究竟采用哪种供电方式,重要取决于城市电网的构成、分布及电源的容量。2.1.1 集中供电方式集中供电方式是指城市电网(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多为图2-1
17、所示。 图2-1 集中供电方式举例2.1.2 分散式供电分散供电方式是指沿地铁线路的城市电网(通常是10kV电压等级)分别向各沿线的地铁牵引变电所和降压变电所供电。其前提条件是城市电网在地铁沿线有足够的变电站和备用容量,并能满足地铁牵引供电的可靠性规定。如初期的北京地铁采用的就是这种供电方式。分散式供电要保证每座牵引变电所和降压变电所皆能获得双路电源。分散式供电系统如图2-2所示。图2-2 分散供电方式举例 2.1.3 混合式供电 分散与集中相结合的供电方式是上述两种供电方式的结合,可充足运用城市电网的资源,节约投资,但供电可靠性不如集中供电方式,管理亦不够方便。混合式供电系统如图2-3所示。
18、图2-3 混合供电方式举例2.1.4 *地铁一号线供电方式选择与分析 *地铁一号线选择集中供电方式。集中供电方式的优点重要有:供电可靠性高,可提高地铁供电的灵活性,受外界因素影响较小。二号线是*市南北向交通的积极脉,途径运河桥,北国商城,火车站等人流密集区对于供电可靠性的规定很高。主变电所采用110/20kV有载自动调压变压器,并有专用供电回路,供电质量好,牵引整流负荷对城市电网的影响小。地铁供电可独立进行调度和运营管理,检修维护工作相对独立方便。只涉及城市电网几个220kV变电站的增容改造,工程量较小,相对易于实现。二号线有相称路段途经市郊,电力资源缺少,变电站较少,采用集中供电方式避免修建
19、过多地区变电站,投资较少。2.2 主变电所主变电所的位置、容量的拟定,应根据牵引供电系记录算和供配电系记录算结果拟定,最终应征得供电、规划部门的确认。遵循靠近线路、负荷平衡、资源共享的原则,达成节能的效果。主变电所位置的选择,应按下述原则拟定:应尽量靠近铁路沿线、接近负荷中心。各主变电所的负荷平衡,并使其两侧的供电距离基本相等。靠近地铁站,以缩短电缆通道的距离,减少和城市地下管网的交叉和干扰,具体位置应与城市供电部门和规划部门共同商讨。应考虑路网规划和其他地铁线路资源共享,并预留电缆通道和容量。主变电所高压侧宜为內桥式接线,设桥路开关,如考虑经济因素,也可以采用线路变压器组接线。中压侧单母线分
20、段,设分段开关,失电压自投,故障闭锁。桥路开关和分段开关正常处在断开状态。为减少占地面积,主变电所应设计成室内式,设两台主变压器和两台自用变压器。主变压器应按地铁远期最大运量设计。地铁用电已采用功率因数补偿措施,主变电所无需设电容补偿装置,根据需要可设立电能有源恢复系统,以补偿50次以下谐波及补偿基波的容性或感性无功电流。主变电所按三级控制设计,即就地、距离和远动,二次回路应与地铁牵引变电所相协调,采用综合自动化系统。近期为有人值守,条件成熟时也可以考虑无人值守。主变电所宜选用六氟化硫绝缘全封闭组合电器(GIS),以减少占地面积。主变电所的平面布置应紧凑,便于设备运送、安装和运营维护。从主变电
21、所至地铁车站应设电缆通道,电缆通道断面尺寸不小于2m2m。主变电所宜采用油浸风冷、有载自动调压变压器。根据需要可为三绕组或双绕组结构。图2-4中,两路高压电源,两台主变压器可以是线路变压器组接线,也可以内桥接线,中压侧设接地变压器,以限制接地短路电流。 图2-4 主变电所主接线主变电所属于一级负荷,全线设2座以上主变电所时,地铁有4路以上供电电源,1座主变电所解列时,相称于双路电源故障,应引入应急电源,其供电区是可以重新调度和划分的。2.3 中压供电网路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
22、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。中压网络有两大属性:一是电压等级,二是构成形式。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。它的设计牵扯到外部电源方案、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 中压供电网络的构成原则安全可靠,经济合理,满足供用电的规定。接线简朴,负荷平衡,保护完善。环网供电,调度方便,误操作机会为零。各种变电所结为双电源,主接线尽也许一致。2.3.3 中压供电网络的电压等级国内既有城
23、市轨道交通的中亚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,构成接线与保护简朴、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35kV设
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