地铁牵引降压混合变电所设计.doc

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Under the background of accelerating construction of subways engineering for resolving the mass transit problems in our country, the research on project design of power transformation and distribution system in subway is very important. The thesis studies the problem of subways load calculation, gives out suggestionvalues of subway's unit target and demand factor for load calculation of subwayspower transformation and distribution system, analyzes and computes the problemscombining with an example. Secondly, this thesis thoroughly studies the characteristics of subways power transformation and distribution system, produces the overall power distribution plan of actual project. Based on the characteristics of subways power transformation and distribution system and external power plan in city, this article analyzes the functions and formations of the medium-voltage power distribution network and the substation, gives three kinds design plans respectively. After then, the thesis explains loads division as well as power supply request, discusses the principles of power distribution system design, design of distribution line, choices of low voltage electric appliance and the application of microcomputer protective device of electric motors. Keyword: distribution substation Power transformation目 录1 绪论11.1 课题的目的和意义11.2 国内外研究现状11.3 牵引降压混合变电所21.3.1 牵引变电所21.3.2 降压变电所41.4 设计任务62 变电所的设计方案72.1 设计方案概述72.2 设计方案选择72.2.1 牵引降压独立配电网络72.2.2 牵引降压混合配电网络82.3 本章小结93 负荷计算103.1 地铁负荷分类103.2 地铁负荷计算方法103.2.1 单位指标法113.2.2 需要系数法113.2.3 二项式系数法123.3 地铁变配电负荷计算133.3.1 动力负荷133.3.2 照明负荷163.3.3 综合计算负荷173.3.4 无功功率补偿183.4 本章小结194 变压器的选择205 变电所主接线设计226 短路计算246.1 短路计算的必要性246.2 短路计算256.2.1 变压器等值电抗计算256.2.2 短路点的选择267 电气设备的选择287.1 配电线路的选择287.2 断路器的选择307.2.1 高压侧断路器的选取307.2.2 低压侧断路器的选取317.3 隔离开关的选择327.3.1 高压侧进线侧隔离开关的选择327.4 电流互感器的选择337.4.1 高压侧电流互感器的选择347.4.2 低压侧电流互感器的选择357.5 电压互感器的选择367.5.1 高压侧电压互感器的选择367.6 熔断器的选择378 防雷、接地、消防设施的设计388.1 防雷设计388.2 接地设计398.3 消防设施的设计409 照明系统的设计429.1 地铁照明分类和设置429.2 地铁照明控制方式439.3 地铁照明灯具选用和布置4410 结论46致 谢47参考文献48附录1 电气主接线图49附录2 平面设计图501 绪论1.1 课题的目的和意义随着城市的发展，城市的交通压力越来越大，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。所以以公交为主体、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正在被诸多城市采用。而地铁作为城市交通的骨干渠道，自然越来越受到城市规划者的青睐。地下铁道简称地铁，它是一种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、舒适地运送乘客的独立的有轨交通系统。地铁效率高、速度快、无污染，能够实现大运量的要求，具有良好的社会效益。1969年我国第一条地铁在北京正式通车。进入上世纪90年代中后期，随着国家经济和技术实力的增长，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线路或轻轨线路，仅上海市的轨道交通规划就有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出行中密不可分的一部分。地铁变电所作为地铁的心脏，为地铁系统提供动力、照明、通风、空调、排水、通信、信号、防灾报警、自动扶梯等。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。因此，地铁变电所的研究对于地铁的发展有着极其重要的意义。1.2 国内外研究现状在国外,一些发达国家为了满足国内的需求，减少在网路中的损耗，这些发达国家已经形成了完善的变电设计理论。国外的变电所设计做到了节约型，集约型，高效型。一些发达国家通过改善优化变电站结构，降低变电站功率损耗，提高变电所的可靠性、灵活性、经济性。在变电所设计上还是领先于我国。目前，我国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。现阶段我国主要是使用常规变电所。常规变电所即使用传统模式进行设计、建造和管理的变电所，主要为有人值班或驻所值班，有稳定的值班队伍。继电保护为电磁型，不具备四遥、远方操作功能，需要一支专业的运行与检修队伍和一整套相应的管理机构、制度进行管理，才可以满足安全运行的要求。我国的短期目标是既要充分利用原有设备，又要能够发展微机远动自动化系统；既要实现无人值守，又要满足安全经济运行的要求。1.3 牵引降压混合变电所牵引降压混合变电所是由牵引变电所和降压变电所组成的。1.3.1 牵引变电所牵引变电所是电力牵引的专用变电所。牵引变电所把区域电力系统送来的电能，根据电力牵引对电流和电压的不同要求，转变为适用于电力牵引的电能，然后分别送到沿铁路线上空架设的接触网，为电力机车供电，或者送到地下铁道等城市交通所需的供电系统，为地铁电动车辆或电车供电。（1）牵引变电所一次侧的供电方式牵引变电所一次侧 （电源侧，通常为110KV或220KV）的供电方式，可分为一边供电边供电和环形供电。 一边供电就是牵引变电所的电能由电力系统中一个方向的电厂送来。两边供电就是牵引变电所的电能由电力系统中两向的电厂送来。 环形供电 是指若干个发电厂、地区变电站通过高压输电线连接成环形的电力系统，牵引变电所处于环形电力系统的一个环路中。（2）牵引变电所向接触网的供电方式单线区段一边供电；两边供电。双线区段同相一边并联供电；同相一边分开供电；双边扭结供电。（3）电力牵引按牵引网供电电流的种类可分为三种电流制，即直流制、低频单相交流制和工频单相交流制。 直流制即牵引网供电电流为直流的电力牵引电流制。电力系统将三相交流电送到牵引变电所一次侧，经过牵引变电所降压并整流变成直流电，再通过牵引网供给电力机车使用。直流制发展最早，目前有些国家的电气化铁路仍在应用。我国仅工矿、城市电车和地下铁道采用。牵引网电压有1200V，1500V，3000V和600V，750V等，后两种分别用于城市电车、地下铁道。直流制存在的主要问题是，直流牵引电动机额定电压受到换向条件的限制不能太高，即牵引网电压很难进一步提高，这就要求沿牵引网输送大量电流来供应电力机车。由于牵引电流增大，接触网导线截面要随着增大（一般得使用两根铜接触线和铜承力索），牵引网电压损失也相应增大，所以牵引变电所之间的距离要缩短，一般只有1530 km。牵引变电所的数量多，并且为完成整流任务而变得较复杂。由于这些缘故，许多国家已逐渐停止发展直流制。 低频单相交流制即牵引网供电电流为低频单相交流的电力牵引电流制。这种电流制是继直流制之后出现的，牵引网供电电流频率为16Hz，牵引网电压为15kV或11kV，电力机车上采用交流整流子式牵引电动机。交流容易变压，因此，可以在牵引网中用高电压送电而在电力机车上降低电压，供应低电压的交流整流子式牵引电动机。低频单相交流制的出现，与力图提高牵引网电压以降低接触网中的有色金属用量有关。由于电力工业主要采用50Hz标准频率后，低频制电气化铁道或者须自建专用的低频率的发电厂，或者在牵引变电所变频后送人牵引网；这就变得复杂化，于是，其发展受到了限制。 工频单相交流制即牵引网供电电流为工业频率单相交流的电力牵引电流制。它是在20世纪50年代中期法国电气化铁路应用整流式交流电力机车获得成功之后开始推广的。从那时以来，许多国家都相继采用。这种电流制在电力机车上降压后应用整流装置整流来供应直流牵引电动机。由于频率提高，牵引网阻抗加大，牵引网电压也相应提高。目前，较普遍应用的接触网额定电压是25kV。采用工频单相交流制的优点是，消除了低频单相交流制的两个主要缺点（与电力工业标准频率并行的非标准频率和构造复杂的交流整流子式牵引电动机）；牵引供电系统的结构和设备大为简化，牵引变电所只要选择适宜的牵引变压器，就可以完成降压、分相、供电的功能；接触网的额定电压较高，其中通过的电流相对较小，从而使接触网导线截面减小、结构简化；牵引变电所的间距延长、数量减少；工程投资和金属消耗量降低，电能损失和运营费用减少；电力机车采用直流串励牵引电动机，也远比交流整流子式牵引电动机牵引性能好，运行可靠。采用工频单相交流制的缺点是，对电力系统引起的抚恤电流分量和高次谐波含量增加以及功率因数降低；对沿电气化铁路架设的通信线有干扰。但是，经过技术方面和经济方面的综合分析比较，上述优点是主要的。因此，我国电气化铁路采用工频单相25kV交流制，但是地下铁道大多不采用。1.3.2 降压变电所降压变电所一般的设置和形式有以下几种：(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 1-1所示。表1-1 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。故选用一主所一跟随所方式。1.4 设计任务 本次设计主要对牵引降压混合变电所的一次部分进行研究和设计。通过对负荷资料的分析计算得到计算负荷；然后确定变压器的容量和台数，根据所算出的参数选择合适的变压器型号；然后进行电气主接线的设计；根据电气主接线进行短路计算得出各短路点的短路电流；根据短路电流等来选择一次设备；最后进行防雷、接地、消防等基础设施设计。2 变电所的设计方案2.1 设计方案概述地铁供电系统由外部电源、主变电所、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，大多采用集中式、分散式、混合式等形式，外部电源的电压等级通常为110kV或10kV。牵引供电系统由牵引变电所和接触网系统组成，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、照明配电系统和跟随变电所。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。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），也为降压变电所供电（即降压配电网络）。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。2.2 设计方案选择地铁的供电方式根据外部电源的不同可分为集中式、分散式、混合式等形式，由于本次设计以苏州轨道交通2号线延伸线作为参考，所以本次设计只考虑集中式供电方式。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。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。2.2.1 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。图2-1 牵引降压独立配电网络2.2.2 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。图2-2 牵引降压混合配电网络2.3 本章小结 配电网络的选择应结合轨道交通网和城市电网的具体情况进行综合考虑，由于本次设计是以苏州轨道交通2号线为参考，故采用牵引降压混合配电网络作为本次的设计方案。3 负荷计算地铁变电所的实际负荷并不等于所有用电设备的额定功率总和。因为用电设备不可能全部同时工作，各台设备也不可能全部满负荷，每种用电设备的功率因数也不可能完全相同。因此，地铁变电所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” 就是这些用电设备在实际运行中所产生的最大热效应和等效负荷产生的热效应相等，产生的最大温升和等效负荷产生的最大温升相等。按照等效负荷，从满足用电设备发热条件来选择各种用电设备，而计算的负荷功率或负荷电流称为“计算负荷”。计算负荷必须确当，如果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，增加电压损失从而破坏正常的运行条件，甚至引起线路失火，造成重大事故。如果计算负荷过大，则会造成变压器容量过剩，线路截面过大，开关整定电流过高，增加了工程投资，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。3.1 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。3.2 地铁负荷计算方法在地铁变电所负荷计算常用的方法有三种，即单位指标法、需要系数法、二项式系数法。3.2.1 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，其公式如下： （3-1）式中，有功计算负荷，kW； 建筑单位面积负荷密度，； S建筑面积，m2。在方案设计阶段多采用单位指标法。(2) 各类建筑物的单位指标普通民用建筑如宾馆、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3-1所示。表3-1 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）办公4080 中小学1220公寓3050医院4070旅馆4070高校2040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5183.2.2 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： （3-2）式中，有功计算负荷，kW； 设备总容量，kW； 需要系数。需求系数和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。前三者是相对固定的因数，最后一个是不确定的因素。因此，在取值中包含一定份量的经验数据成分，各国的值不相同，即使在同一个国家的不同时期和地区，值也会有所变化。 在施工设计阶段，大多采用需要系数法。如果用电设备台数较多，各台设备容量相差不多时，可以采用需要系数法，一般适用于干线、配电所的负荷计算。民用建筑的负荷大都采用需要系数法进行计算的，这种方法比较简便，所以应用广泛。(2) 各类建筑物的需要系数一般民用建筑的需要系数一般可从现有的电气设计手册中查到，如表3-2所示。表3-2 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0.40.453.2.3 二项式系数法由于需要系数法没有考虑在同一组负荷中一些容量特别大的设备，所以对负荷计算是有影响的，不能满足大容量设备的需要，因此提出了二项式系数法。其公式如下： （3-3）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。由于二项式系数法即考虑了设备组的平均负荷，又考虑了设备组中几台大容量设备运行时的附加负荷。所以此法只适用于设备台数较少而且容量相差较大的低压分支线及干线的负荷计算。由于需要系数法较为实用，只需要将用电设备按工作类别分组乘以相对应的需要系数即可直接得出计算结果，所以在动力、照明负荷计算中可以采用需要系数法确定变电所内动力变压器的容量。3.3 地铁变配电负荷计算进行负荷计算时首先需要确定用电设备的容量，本设计参考苏州轨道交通2号线的某一车站的技术数据。3.3.1 动力负荷根据专业系统，可以将动力用电设备划分为通风空调、给排水、消防、弱电、 运输、安全防护和其它等七个负荷组成，如表3-3所示。各个设备负荷的需要系数参照民用建筑电气设计手册的值选取。表3-3 各类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续表3-3 各类动力设备容量序号设备名称总容量负荷类型信号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3-3可看出，由于变电所处于地下这一特殊性，为了给乘客提供较为舒适的乘车环境,地铁每个车站的通风空调设备数量比较多、容量比较大，其总容量占到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： （1） 由于消防泵、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，可以不考虑消防负荷。（2）除消防负荷以外，对上表所列的其余六个负荷组按照需要系数法进行负荷计算；由于功率因素不完全相同，要分别按需要系数及计算出有功功率和无功功率，再相加求得计算视在功率。计算公式如下：计算有功功率