地鐵牽引降壓混合變電所畢業(yè)設(shè)計論文.doc

河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日注 意 事 項1.設(shè)計（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標準封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻8）致謝9）附錄（對論文支持必要時）2.論文字數(shù)要求：理工類設(shè)計（論文）正文字數(shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字數(shù)不少于1.2萬字。3.附件包括：任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準請他人代寫2）工程設(shè)計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標準規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設(shè)計（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂3）其它摘 要牽引供電系統(tǒng)作為我國鐵路電氣化的重要組成部分，在地鐵系統(tǒng)中起到動力供應(yīng)、照明、通信等關(guān)鍵性的作用。牽引供電系統(tǒng)由牽引降壓變電所、接觸網(wǎng)、環(huán)網(wǎng)等部分組成。本次設(shè)計主要對牽引降壓混合變電所的一次部分進行研究和設(shè)計。本設(shè)計以在蘇州建造地鐵牽引降壓混合變電所的實習(xí)資料作為參考，通過對擬建變電所的負荷參數(shù)和線路系統(tǒng)等方向考慮，并通過對負荷資料的分析和安全、經(jīng)濟、可靠性的考慮，確定了變電所的電氣主接線和所用電的主接線，然后通過負荷計算和供電區(qū)間確定了主變壓器的臺數(shù)、容量及型號。根據(jù)最大持續(xù)電流及短路計算的計算結(jié)果，對斷路器、隔離開關(guān)、高壓熔斷器、母線、絕緣子、電壓互感器、電流互感器等分別進行了選型和數(shù)量匯總。然后是對牽引降壓混合變電所的接地系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)和繼電保護整定設(shè)計。最后是對擬建變電所的平面布置設(shè)計，從而完成了本次設(shè)計。關(guān)鍵詞：牽引供電 變電所 電氣主接線 變壓器 AbstractPower transformation and distribution system in subway provides all loads electric energy except electric train, has the very important functions to subways normal operation. 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 subways 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 錄1 緒論11.1 課題的目的和意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3 牽引降壓混合變電所21.3.1 牽引變電所21.3.2 降壓變電所41.4 設(shè)計任務(wù)62 變電所的設(shè)計方案72.1 設(shè)計方案概述72.2 設(shè)計方案選擇72.2.1 牽引降壓獨立配電網(wǎng)絡(luò)72.2.2 牽引降壓混合配電網(wǎng)絡(luò)82.3 本章小結(jié)93 負荷計算103.1 地鐵負荷分類103.2 地鐵負荷計算方法103.2.1 單位指標法113.2.2 需要系數(shù)法113.2.3 二項式系數(shù)法123.3 地鐵變配電負荷計算133.3.1 動力負荷133.3.2 照明負荷163.3.3 綜合計算負荷173.3.4 無功功率補償183.4 本章小結(jié)194 變壓器的選擇205 變電所主接線設(shè)計226 短路計算246.1 短路計算的必要性246.2 短路計算256.2.1 變壓器等值電抗計算256.2.2 短路點的選擇267 電氣設(shè)備的選擇287.1 配電線路的選擇287.2 斷路器的選擇307.2.1 高壓側(cè)斷路器的選取307.2.2 低壓側(cè)斷路器的選取317.3 隔離開關(guān)的選擇327.3.1 高壓側(cè)進線側(cè)隔離開關(guān)的選擇327.4 電流互感器的選擇337.4.1 高壓側(cè)電流互感器的選擇347.4.2 低壓側(cè)電流互感器的選擇357.5 電壓互感器的選擇367.5.1 高壓側(cè)電壓互感器的選擇367.6 熔斷器的選擇378 防雷、接地、消防設(shè)施的設(shè)計388.1 防雷設(shè)計388.2 接地設(shè)計398.3 消防設(shè)施的設(shè)計409 照明系統(tǒng)的設(shè)計429.1 地鐵照明分類和設(shè)置429.2 地鐵照明控制方式439.3 地鐵照明燈具選用和布置4410 結(jié)論46致 謝47參考文獻48附錄1 電氣主接線圖49附錄2 平面設(shè)計圖501 緒論1.1 課題的目的和意義隨著城市的發(fā)展，城市的交通壓力越來越大，城市交通存在諸如道路容量不足、交通結(jié)構(gòu)不合理、中心區(qū)高峰小時機動車車速較低，交通需求仍然有增無減等主要問題。所以以公交為主體、軌道交通為骨干，各種交通方式相結(jié)合的多層次、多功能、多類型的城市交通綜合體系正在被諸多城市采用。而地鐵作為城市交通的骨干渠道，自然越來越受到城市規(guī)劃者的青睞。地下鐵道簡稱地鐵，它是一種不受地面道路狀況和天氣情況的影響，能夠按照設(shè)計的能力正常運行，從而快速、安全、舒適地運送乘客的獨立的有軌交通系統(tǒng)。地鐵效率高、速度快、無污染，能夠?qū)崿F(xiàn)大運量的要求，具有良好的社會效益。1969年我國第一條地鐵在北京正式通車。進入上世紀90年代中后期，隨著國家經(jīng)濟和技術(shù)實力的增長，我國加快了城市軌道交通的建設(shè)步伐，北京、上海、天津、廣州、深圳、南京、武漢、重慶、沈陽等各大城市紛紛開工建設(shè)多條地鐵線路或輕軌線路，僅上海市的軌道交通規(guī)劃就有17條線路，總里程達800多公里，地鐵正日益成為人們?nèi)粘Ｉ畛鲂兄忻懿豢煞值囊徊糠?。地鐵變電所作為地鐵的心臟，為地鐵系統(tǒng)提供動力、照明、通風(fēng)、空調(diào)、排水、通信、信號、防災(zāi)報警、自動扶梯等。根據(jù)用電性質(zhì)的不同，地鐵供電系統(tǒng)可分為兩部分：由牽引變電所為主組成的牽引供電系統(tǒng)和以降壓變電所為主組成的動力照明供電系統(tǒng)。因此，地鐵變電所的研究對于地鐵的發(fā)展有著極其重要的意義。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國外,一些發(fā)達國家為了滿足國內(nèi)的需求，減少在網(wǎng)路中的損耗，這些發(fā)達國家已經(jīng)形成了完善的變電設(shè)計理論。國外的變電所設(shè)計做到了節(jié)約型，集約型，高效型。一些發(fā)達國家通過改善優(yōu)化變電站結(jié)構(gòu)，降低變電站功率損耗，提高變電所的可靠性、靈活性、經(jīng)濟性。在變電所設(shè)計上還是領(lǐng)先于我國。目前，我國針對地鐵負荷計算的單位容量指標和需要系數(shù)還未頒布，往往需借鑒其它民用建筑（如寫字樓、辦公樓等）的指標和系數(shù)。因此，負荷計算的準確與否，是地鐵變配電系統(tǒng)合理設(shè)計的前提，負荷計算已成為地鐵變配電系統(tǒng)工程設(shè)計中遇的首要問題?，F(xiàn)階段我國主要是使用常規(guī)變電所。常規(guī)變電所即使用傳統(tǒng)模式進行設(shè)計、建造和管理的變電所，主要為有人值班或駐所值班，有穩(wěn)定的值班隊伍。繼電保護為電磁型，不具備四遙、遠方操作功能，需要一支專業(yè)的運行與檢修隊伍和一整套相應(yīng)的管理機構(gòu)、制度進行管理，才可以滿足安全運行的要求。我國的短期目標是既要充分利用原有設(shè)備，又要能夠發(fā)展微機遠動自動化系統(tǒng)；既要實現(xiàn)無人值守，又要滿足安全經(jīng)濟運行的要求。1.3 牽引降壓混合變電所牽引降壓混合變電所是由牽引變電所和降壓變電所組成的。1.3.1 牽引變電所牽引變電所是電力牽引的專用變電所。牽引變電所把區(qū)域電力系統(tǒng)送來的電能，根據(jù)電力牽引對電流和電壓的不同要求，轉(zhuǎn)變?yōu)檫m用于電力牽引的電能，然后分別送到沿鐵路線上空架設(shè)的接觸網(wǎng)，為電力機車供電，或者送到地下鐵道等城市交通所需的供電系統(tǒng)，為地鐵電動車輛或電車供電。（1）牽引變電所一次側(cè)的供電方式牽引變電所一次側(cè) （電源側(cè)，通常為110KV或220KV）的供電方式，可分為一邊供電邊供電和環(huán)形供電。 一邊供電就是牽引變電所的電能由電力系統(tǒng)中一個方向的電廠送來。兩邊供電就是牽引變電所的電能由電力系統(tǒng)中兩向的電廠送來。 環(huán)形供電 是指若干個發(fā)電廠、地區(qū)變電站通過高壓輸電線連接成環(huán)形的電力系統(tǒng)，牽引變電所處于環(huán)形電力系統(tǒng)的一個環(huán)路中。（2）牽引變電所向接觸網(wǎng)的供電方式單線區(qū)段一邊供電；兩邊供電。雙線區(qū)段同相一邊并聯(lián)供電；同相一邊分開供電；雙邊扭結(jié)供電。（3）電力牽引按牽引網(wǎng)供電電流的種類可分為三種電流制，即直流制、低頻單相交流制和工頻單相交流制。 直流制即牽引網(wǎng)供電電流為直流的電力牽引電流制。電力系統(tǒng)將三相交流電送到牽引變電所一次側(cè)，經(jīng)過牽引變電所降壓并整流變成直流電，再通過牽引網(wǎng)供給電力機車使用。直流制發(fā)展最早，目前有些國家的電氣化鐵路仍在應(yīng)用。我國僅工礦、城市電車和地下鐵道采用。牽引網(wǎng)電壓有1200V，1500V，3000V和600V，750V等，后兩種分別用于城市電車、地下鐵道。直流制存在的主要問題是，直流牽引電動機額定電壓受到換向條件的限制不能太高，即牽引網(wǎng)電壓很難進一步提高，這就要求沿牽引網(wǎng)輸送大量電流來供應(yīng)電力機車。由于牽引電流增大，接觸網(wǎng)導(dǎo)線截面要隨著增大（一般得使用兩根銅接觸線和銅承力索），牽引網(wǎng)電壓損失也相應(yīng)增大，所以牽引變電所之間的距離要縮短，一般只有1530 km。牽引變電所的數(shù)量多，并且為完成整流任務(wù)而變得較復(fù)雜。由于這些緣故，許多國家已逐漸停止發(fā)展直流制。 低頻單相交流制即牽引網(wǎng)供電電流為低頻單相交流的電力牽引電流制。這種電流制是繼直流制之后出現(xiàn)的，牽引網(wǎng)供電電流頻率為16Hz，牽引網(wǎng)電壓為15kV或11kV，電力機車上采用交流整流子式牽引電動機。交流容易變壓，因此，可以在牽引網(wǎng)中用高電壓送電而在電力機車上降低電壓，供應(yīng)低電壓的交流整流子式牽引電動機。低頻單相交流制的出現(xiàn)，與力圖提高牽引網(wǎng)電壓以降低接觸網(wǎng)中的有色金屬用量有關(guān)。由于電力工業(yè)主要采用50Hz標準頻率后，低頻制電氣化鐵道或者須自建專用的低頻率的發(fā)電廠，或者在牽引變電所變頻后送人牽引網(wǎng)；這就變得復(fù)雜化，于是，其發(fā)展受到了限制。 工頻單相交流制即牽引網(wǎng)供電電流為工業(yè)頻率單相交流的電力牽引電流制。它是在20世紀50年代中期法國電氣化鐵路應(yīng)用整流式交流電力機車獲得成功之后開始推廣的。從那時以來，許多國家都相繼采用。這種電流制在電力機車上降壓后應(yīng)用整流裝置整流來供應(yīng)直流牽引電動機。由于頻率提高，牽引網(wǎng)阻抗加大，牽引網(wǎng)電壓也相應(yīng)提高。目前，較普遍應(yīng)用的接觸網(wǎng)額定電壓是25kV。采用工頻單相交流制的優(yōu)點是，消除了低頻單相交流制的兩個主要缺點（與電力工業(yè)標準頻率并行的非標準頻率和構(gòu)造復(fù)雜的交流整流子式牽引電動機）；牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和設(shè)備大為簡化，牽引變電所只要選擇適宜的牽引變壓器，就可以完成降壓、分相、供電的功能；接觸網(wǎng)的額定電壓較高，其中通過的電流相對較小，從而使接觸網(wǎng)導(dǎo)線截面減小、結(jié)構(gòu)簡化；牽引變電所的間距延長、數(shù)量減少；工程投資和金屬消耗量降低，電能損失和運營費用減少；電力機車采用直流串勵牽引電動機，也遠比交流整流子式牽引電動機牽引性能好，運行可靠。采用工頻單相交流制的缺點是，對電力系統(tǒng)引起的撫恤電流分量和高次諧波含量增加以及功率因數(shù)降低；對沿電氣化鐵路架設(shè)的通信線有干擾。但是，經(jīng)過技術(shù)方面和經(jīng)濟方面的綜合分析比較，上述優(yōu)點是主要的。因此，我國電氣化鐵路采用工頻單相25kV交流制，但是地下鐵道大多不采用。1.3.2 降壓變電所降壓變電所一般的設(shè)置和形式有以下幾種：(1) 一所型式車站只設(shè)一座降壓變電所，位于重負荷一端。車站所有重要的一、二級負荷及容量較大的三級負荷均從所內(nèi)以放射式供電。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，標準的地下雙層車站，降壓變電所送出回路在8090個。除冷凍站以外，由于車站兩端負荷一般分布較為均勻，故遠離降壓變電所一端的供電回路約占一半左右。 降壓變電所為一所型式的供電方案的優(yōu)點整個車站的變配電設(shè)備集中設(shè)置在一處，減少了降壓變電所的設(shè)備投資。設(shè)備用房數(shù)量少，降低了土建造價。 降壓變電所為一所型式的供電方案的缺點由于供電方案為放射式，勢必造成供電距離大幅度增加，為保障線路電壓損失限制在規(guī)定范圍內(nèi)，必須增大導(dǎo)線截面；同時低壓線路的數(shù)量也大幅度增加，出現(xiàn)故障的機率增大，一定程度上降低了供電的質(zhì)量及可靠性。因供電距離較長，單機大容量設(shè)備需要采用大截面電纜或密集型母線供電，而二者（尤其是密集型母線）價格高昂，會引起電力投資的顯著增加。(2) 一主所一跟隨所型式在車站一端設(shè)一座主降壓變電所，另一端設(shè)一座跟隨式降壓變電所（跟隨所電源引自設(shè)在主降壓變電所的高壓開關(guān)室）。主所、跟隨所的高壓進線均為兩路獨立電源，引自不同的饋線回路，互不干擾，即為并列關(guān)系的兩座降壓變電所。因此，兩者低壓間亦不存在聯(lián)系，各負擔(dān)本端的負荷用電。 降壓變電所為一主所一跟隨所型式供電方案的優(yōu)點兩所各負責(zé)本端的用電負荷，根本上解決了低壓供電的電壓損失問題，電纜截面及數(shù)量隨之顯著降低，供電方案較為合理。兩所間采用高壓聯(lián)系，在供電質(zhì)量、可靠性和安全性上有了根本提高，尤其突出體現(xiàn)在單機大容量設(shè)備的供電上。一主所一跟隨所型式單臺變壓器容量一般為500、630、800kVA幾種規(guī)格，較一所型式規(guī)格為1250、1600kVA的配電變壓器，總安裝容量變化不大，但單臺安裝容量降低了二至三個級別，其運轉(zhuǎn)的經(jīng)濟性會大為提高。降壓變電所為一主所一跟隨所型式供電方案的缺點設(shè)置跟隨所須增加高壓柜、變壓器及低壓柜等設(shè)備，使整個降壓變電所的投資有較大增加。因跟隨所的設(shè)置，其房屋面積增加許多，加大了土建工程投資。(3) 一所一室型式在車站一端設(shè)一座降壓變電所，另一端設(shè)一座低壓配電室。與一主所一跟隨所型式不同的是，低壓配電室替代了跟隨所。以車站中心分界，降壓變電所與低壓配電室各負責(zé)本端的負荷供電（除單臺容量較大的設(shè)備外）。低壓配電室的電源引自降壓變電所低壓側(cè)，因此兩者的一、二級負荷母線為并列關(guān)系。 降壓變電所為一所一室型式的優(yōu)點遠離降壓變電所端的大部分設(shè)備從低壓配電室送出，供電負荷較一所型式有明顯地降低，從而減少了貫穿車站低壓電纜的數(shù)量。低壓配電室配電負荷的供電距離相對減小，可在一定程度上減少故障的機率，提高供電的質(zhì)量及可靠性。低壓配電室房屋面積較跟隨所型式相對減少，同時亦減少兩面高壓送出柜，一定程度上降低了設(shè)備投資和土建造價。 降壓變電所為一所一室型式的缺點由于低壓配電室電源引入為0.4kV低壓，不可避免地造成電壓損失，從根本上未解決末端設(shè)備的電壓損失問題。由于單機大容量設(shè)備還須從降壓變電所直接供電，所以仍存在一所型式的供電可靠性差的缺陷。低壓配電室引入為低壓電源，為保障供電方案，進線必須采用大截面電纜或密集型母線，增加了工程造價。(4) 綜合分析比較綜上所述，降壓變電所的設(shè)計一般采用一所型式、一主所一跟隨所型式或一所一室型式，其性能對比如表 1-1所示。表1-1 三種降壓變電所性能對比型式供電質(zhì)量供電靈活性低壓電纜數(shù)量投資一所低低多低一主所一跟隨所高高少高一所一室較高較高較少較高從技術(shù)角度而言，設(shè)置跟隨所為最佳方案，它可以保障供電質(zhì)量、提高供電可靠性、減少有色金屬消耗和運營能耗。故選用一主所一跟隨所方式。1.4 設(shè)計任務(wù) 本次設(shè)計主要對牽引降壓混合變電所的一次部分進行研究和設(shè)計。通過對負荷資料的分析計算得到計算負荷；然后確定變壓器的容量和臺數(shù)，根據(jù)所算出的參數(shù)選擇合適的變壓器型號；然后進行電氣主接線的設(shè)計；根據(jù)電氣主接線進行短路計算得出各短路點的短路電流；根據(jù)短路電流等來選擇一次設(shè)備；最后進行防雷、接地、消防等基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計。2 變電所的設(shè)計方案2.1 設(shè)計方案概述地鐵供電系統(tǒng)由外部電源、主變電所、牽引供電系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）組成。外部電源來自城市電網(wǎng)，大多采用集中式、分散式、混合式等形式，外部電源的電壓等級通常為110kV或10kV。牽引供電系統(tǒng)由牽引變電所和接觸網(wǎng)系統(tǒng)組成，牽引變電所一般每兩座車站設(shè)置一座，向貫通地鐵全線的接觸網(wǎng)供電。變配電系統(tǒng)包括降壓變電所與低壓動力、照明配電系統(tǒng)和跟隨變電所。降壓變電所在規(guī)模較大的車站設(shè)置兩座，規(guī)模較小的車站設(shè)置一座，向本站及其相臨區(qū)間的動力照明負荷供電。地鐵中壓配電網(wǎng)絡(luò)是通過中壓電纜，縱向上把主變電所和牽引變電所、降壓變電所連接起來，橫向上把全線的各個牽引變電所、降壓變電所連接起來而形成的配電網(wǎng)絡(luò)。中壓配電網(wǎng)既為牽引變電所供電（即牽引配電網(wǎng)絡(luò)），也為降壓變電所供電（即降壓配電網(wǎng)絡(luò)）。降壓配電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計是地鐵配電系統(tǒng)設(shè)計中比較重要的一環(huán)。2.2 設(shè)計方案選擇地鐵的供電方式根據(jù)外部電源的不同可分為集中式、分散式、混合式等形式，由于本次設(shè)計以蘇州軌道交通2號線延伸線作為參考，所以本次設(shè)計只考慮集中式供電方式。根據(jù)用電容量和線路長短，在地鐵沿線設(shè)置專用的主變電所，這種由主變電所構(gòu)成的供電方案，稱為集中式供電。主變電所應(yīng)有兩路獨立的電源進線，進線電壓一般為110kV，經(jīng)降壓后變成35可V或10kV，供給牽引變電所與降壓變電所。集中式供電有利于地鐵供電網(wǎng)形成獨立系統(tǒng)，便于管理和運營。集中式供電方案下的中壓配電網(wǎng)絡(luò)可分為牽引降壓獨立配電網(wǎng)絡(luò)和牽引降壓混合配電網(wǎng)絡(luò)兩種形式。2.2.1 牽引降壓獨立配電網(wǎng)絡(luò)牽引降壓獨立配電網(wǎng)絡(luò)即牽引配電網(wǎng)絡(luò)和降壓配電網(wǎng)絡(luò)相互獨立的中壓網(wǎng)絡(luò)形式。對于牽引降壓獨立網(wǎng)絡(luò)，牽引配電網(wǎng)絡(luò)和降壓配電網(wǎng)絡(luò)的電壓等級不同，牽引配電網(wǎng)絡(luò)電壓為35kV，降壓配電網(wǎng)絡(luò)電壓為10kV。全線的降壓變電所被分成若干個分區(qū)，每個分區(qū)一般不超過3個車站；每一個分區(qū)均從主變電所的35/10kV變壓器，就近引入兩路10kV電源；每座降壓變電所的兩路電源分別由主變電所或相鄰降壓變電所10kV不同母線引入，接至兩段母線，同時在降壓變電所的每段母線設(shè)一路出線，向相鄰降壓變電所供電；在各分區(qū)設(shè)有網(wǎng)絡(luò)開關(guān)，正常運行時該開關(guān)分斷，形成10kV開口雙環(huán)網(wǎng)供電形式。圖2-1 牽引降壓獨立配電網(wǎng)絡(luò)2.2.2 牽引降壓混合配電網(wǎng)絡(luò)牽引降壓混合配電網(wǎng)絡(luò)是指牽引配電網(wǎng)絡(luò)和降壓配電網(wǎng)絡(luò)共用一個網(wǎng)絡(luò)的中壓網(wǎng)絡(luò)形式。當中壓網(wǎng)絡(luò)采用牽引降壓混合配電網(wǎng)絡(luò)時，在有牽引變電所的車站，可以把牽引變電所和降壓變電所建成牽引降壓混合變電所。牽引降壓混合配電網(wǎng)絡(luò)電壓可以為35kV或10kV，因35kV輸電容量大、距離長，故一般采用35kV級。全線的牽引降壓混合變電所及降壓變電所被分成若干個分區(qū)，每個分區(qū)一般不超過3個車站；每一個分區(qū)均從主變電所35(10)kV的不同母線就近引入兩路35(10)kV電源，中壓配電網(wǎng)絡(luò)采用雙環(huán)網(wǎng)接線方式；兩個主變電所之間的分區(qū)間通過環(huán)網(wǎng)電纜聯(lián)絡(luò)。圖2-2 牽引降壓混合配電網(wǎng)絡(luò)2.3 本章小結(jié) 配電網(wǎng)絡(luò)的選擇應(yīng)結(jié)合軌道交通網(wǎng)和城市電網(wǎng)的具體情況進行綜合考慮，由于本次設(shè)計是以蘇州軌道交通2號線為參考，故采用牽引降壓混合配電網(wǎng)絡(luò)作為本次的設(shè)計方案。3 負荷計算地鐵變電所的實際負荷并不等于所有用電設(shè)備的額定功率總和。因為用電設(shè)備不可能全部同時工作，各臺設(shè)備也不可能全部滿負荷，每種用電設(shè)備的功率因數(shù)也不可能完全相同。因此，地鐵變電所電氣系統(tǒng)設(shè)計過程中，必須找出這些用電設(shè)備的等效負荷。所謂 “等效” 就是這些用電設(shè)備在實際運行中所產(chǎn)生的最大熱效應(yīng)和等效負荷產(chǎn)生的熱效應(yīng)相等，產(chǎn)生的最大溫升和等效負荷產(chǎn)生的最大溫升相等。按照等效負荷，從滿足用電設(shè)備發(fā)熱條件來選擇各種用電設(shè)備，而計算的負荷功率或負荷電流稱為“計算負荷”。計算負荷必須確當，如果過小會引起變壓器和線路過熱，加速其絕緣損壞，過多損耗能量，增加電壓損失從而破壞正常的運行條件，甚至引起線路失火，造成重大事故。如果計算負荷過大，則會造成變壓器容量過剩，線路截面過大，開關(guān)整定電流過高，增加了工程投資，造成不必要的浪費。因此，要正確合理地對地鐵的配電系統(tǒng)進行設(shè)計，負荷計算是至關(guān)重要的一環(huán)。3.1 地鐵負荷分類地鐵動力、照明負荷按其重要性，分為一、二級及三級負荷。一級負荷由降壓變電所I、II段母線各提供一路專用電源供電并在末端自切，以實現(xiàn)不間斷供電，如BAS、FAS、AFC、通信、信號、屏蔽門、消防泵、噴淋泵、廢水泵、直流盤、變電所所用電、消防聯(lián)動的車站送、排風(fēng)機、風(fēng)閥等、消防電源、兼作緊急疏散的自動扶梯等。二級負荷由降壓變電所I段或II段母線提供一路專用電源，在變電所處切換，必要時可以切除，如污水泵、雨水泵、普通風(fēng)機、自動扶梯、直升電梯、正常照明、區(qū)間維修電源等。三級負荷由降壓變電所三級負荷母線提供一路電源，當變電所只有一路電源時必須切除，如廣告照明、冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、清潔設(shè)備、電熱設(shè)備等。3.2 地鐵負荷計算方法在地鐵變電所負荷計算常用的方法有三種，即單位指標法、需要系數(shù)法、二項式系數(shù)法。3.2.1 單位指標法(1) 單位指標法的計算公式單位指標法是以單位建筑面積負荷密度乘以建筑面積，其公式如下： （3-1）式中，有功計算負荷，kW； 建筑單位面積負荷密度，； S建筑面積，m2。在方案設(shè)計階段多采用單位指標法。(2) 各類建筑物的單位指標普通民用建筑如賓館、商場、學(xué)校、住宅、辦公樓等的單位指標可從現(xiàn)有的電氣設(shè)計手冊中查到，如表3-1所示。表3-1 各類建筑物單位指標建筑類別 單位（W/m2）建筑類別單位指標（W/m2）辦公4080 中小學(xué)1220公寓3050醫(yī)院4070旅館4070高校2040商業(yè)一般：4080展覽館5080大中型：70130體育4070演播室250500劇場5080汽車庫5183.2.2 需要系數(shù)法(1) 需要系數(shù)法的計算公式需要系數(shù)法是用設(shè)備容量乘以需要系數(shù)和同時系數(shù)，直接求出計算負荷4。其公式如下： （3-2）式中，有功計算負荷，kW； 設(shè)備總?cè)萘?，kW； 需要系數(shù)。需求系數(shù)和用電設(shè)備的工作性質(zhì)、設(shè)備臺數(shù)、設(shè)備功率及功能的充分利用有關(guān)。前三者是相對固定的因數(shù)，最后一個是不確定的因素。因此，在取值中包含一定份量的經(jīng)驗數(shù)據(jù)成分，各國的值不相同，即使在同一個國家的不同時期和地區(qū)，值也會有所變化。 在施工設(shè)計階段，大多采用需要系數(shù)法。如果用電設(shè)備臺數(shù)較多，各臺設(shè)備容量相差不多時，可以采用需要系數(shù)法，一般適用于干線、配電所的負荷計算。民用建筑的負荷大都采用需要系數(shù)法進行計算的，這種方法比較簡便，所以應(yīng)用廣泛。(2) 各類建筑物的需要系數(shù)一般民用建筑的需要系數(shù)一般可從現(xiàn)有的電氣設(shè)計手冊中查到，如表3-2所示。表3-2 各類建筑物需要系數(shù)建筑類別需求系數(shù)建筑類別需求系數(shù)住宅0.40.5醫(yī)院0.550.65辦公0.70.8高校0.60.7商業(yè)0.70.8綜合樓0.60.65體育0.650.7餐飲0.80.85劇場0.60.7加工業(yè)0.40.453.2.3 二項式系數(shù)法由于需要系數(shù)法沒有考慮在同一組負荷中一些容量特別大的設(shè)備，所以對負荷計算是有影響的，不能滿足大容量設(shè)備的需要，因此提出了二項式系數(shù)法。其公式如下： （3-3）式中，有功計算負荷，kW；用電設(shè)備總?cè)萘?，kW；n臺最大的設(shè)備容量之和，kW； 、二項式系數(shù)。由于二項式系數(shù)法即考慮了設(shè)備組的平均負荷，又考慮了設(shè)備組中幾臺大容量設(shè)備運行時的附加負荷。所以此法只適用于設(shè)備臺數(shù)較少而且容量相差較大的低壓分支線及干線的負荷計算。由于需要系數(shù)法較為實用，只需要將用電設(shè)備按工作類別分組乘以相對應(yīng)的需要系數(shù)即可直接得出計算結(jié)果，所以在動力、照明負荷計算中可以采用需要系數(shù)法確定變電所內(nèi)動力變壓器的容量。3.3 地鐵變配電負荷計算進行負荷計算時首先需要確定用電設(shè)備的容量，本設(shè)計參考蘇州軌道交通2號線的某一車站的技術(shù)數(shù)據(jù)。3.3.1 動力負荷根據(jù)專業(yè)系統(tǒng)，可以將動力用電設(shè)備劃分為通風(fēng)空調(diào)、給排水、消防、弱電、 運輸、安全防護和其它等七個負荷組成，如表3-3所示。各個設(shè)備負荷的需要系數(shù)參照民用建筑電氣設(shè)計手冊的值選取。表3-3 各類動力設(shè)備容量序號設(shè)備名稱總?cè)萘控摵深愋?通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)1187.6隧道風(fēng)機4400.80.75I排熱風(fēng)機1500.80.75I回排風(fēng)機740.80.75I小系統(tǒng)新風(fēng)機11.80.80.75I小系統(tǒng)排風(fēng)機46.80.80.75I組合空調(diào)機組880.80.75I空氣處理機組270.80.75I冷水機組2800.90.7III冷凍泵600.80.75III電動組合風(fēng)閥100.70.6I2給排水系統(tǒng)167冷卻塔190.80.75III冷卻泵300.80.75III廢水泵570.80.75I污水泵120.80.75II雨水泵90.80.75II電熱開水器4010.7III3消防系統(tǒng)61消火栓泵150.80.75I噴淋泵300.80.75I氣體滅火160.80.8I4弱電系統(tǒng)105BAS、FAS100.80.8IAFC200.80.8I通信200.80.8I續(xù)表3-3 各類動力設(shè)備容量序號設(shè)備名稱總?cè)萘控摵深愋托盘?50.80.8I公共無線300.80.8I5運輸系統(tǒng)120.8自動扶梯1080.50.6II直升電梯12.80.50.4II6安全防護系統(tǒng)48屏蔽門300.70.6I門禁、卷簾門180.80.6I7其他60檢修600.60.35III負荷總計1749.4其中I類負荷1118.6其中II類負荷141.8其中III類負荷489從表3-3可看出，由于變電所處于地下這一特殊性，為了給乘客提供較為舒適的乘車環(huán)境,地鐵每個車站的通風(fēng)空調(diào)設(shè)備數(shù)量比較多、容量比較大，其總?cè)萘空嫉降罔F動力設(shè)備總?cè)萘康?0%左右，是最主要的負荷類型。動力負荷計算的方法： （1） 由于消防泵、噴淋泵、氣體滅火等消防負荷遠遠小于火災(zāi)時予以切除的III類負荷，因此進行負荷計算時，可以不考慮消防負荷。（2）除消防負荷以外，對上表所列的其余六個負荷組按照需要系數(shù)法進行負荷計算；由于功率因素不完全相同，要分別按需要系數(shù)及計算出有功功率和無功功率，再相加求得計算視在功率。計算公式如下：計算有功功率 . （3-4）式中，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等七個系統(tǒng)下的第一個用電設(shè)備有功負荷，kW；通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等七個系統(tǒng)下的第二個用電設(shè)備有功負荷，kW；通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等七個系統(tǒng)下的第n個用電設(shè)備有功負荷，kW；通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等七個系統(tǒng)下的第一個的需要系數(shù)；通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等七個系統(tǒng)下的第二個的需要系數(shù)；通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等七個系統(tǒng)下的第n個的需要系數(shù)；通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等七個系統(tǒng)下的第一個的設(shè)備總?cè)萘浚琸W；通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等七個系統(tǒng)下的第二個的設(shè)備總?cè)萘浚琸W；通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等七個系統(tǒng)下的第n個的設(shè)備總?cè)萘浚琸W。計算無功功率 . （3-5）式中，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等七個系統(tǒng)下的第一個的用電設(shè)備無功負荷，kVar； 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等七個系統(tǒng)下的第二個的用電無功負荷，kVar；通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等七個系統(tǒng)下的第n個的用電無功負荷，kVar；通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等七個系統(tǒng)下的第一個用電設(shè)備有功負荷，kW；通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等七個系統(tǒng)下的第二個用電設(shè)備有功負荷，kW；通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等七個系統(tǒng)下的第n個用電設(shè)備有功負荷，kW； 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等七個系統(tǒng)下的第一個用電設(shè)備阻抗角正切值； 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等七個系統(tǒng)下的第二個用電設(shè)備阻抗角正切值。 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等七個系統(tǒng)下的第n個用電設(shè)備阻抗角正切值。計算視在功率 （3-6）式中，用電設(shè)備的總視在功率。計算綜合功率因數(shù) （3-7）式中，綜合功率因數(shù)。根據(jù)以上各式得出以下結(jié)果，如表3-4所示。表3-4 動力計算負荷序號設(shè)備名稱總?cè)萘浚╧W）計算有功功率(kW)計算無功功率(kVar)1通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)1187.6875.36072給排水系統(tǒng)167123.471.63消防系統(tǒng)61不計不計4弱電系統(tǒng)10584635運輸系統(tǒng)120.869.9121.16安全防護系統(tǒng)4828.826.57其他602127.9負荷總計1749.41202.4917其中I類負荷1118.6789.9600.9II類負荷141.885.7132.9III類負荷489326.8183.2視在功率1512綜合功率因數(shù)0.7953.3.2 照明負荷地鐵照明主要由站廳照明、站臺照明、區(qū)間照明、事故照明和廣告照明等組成，如表3-5所示。表3-5 車站照明容量序號照明種類總?cè)萘浚╧W）負荷類型1站廳照明680.951II2站臺照明350.951II3區(qū)間照明160.91II4事故照明1811I5廣告照明900.951III負荷總計227其中I類負荷18續(xù)表3-5 車站照明容量序號照明種類總?cè)萘浚╧W）負荷類型II類負荷119III類負荷90因為地鐵處于地下環(huán)境，所有的照明必須全部啟用，所以表3-5中需要系數(shù)均為1。根據(jù)式3-43-7照明計算負荷，如表3-6所示。表3-6 車站照明負荷序號照明種類總?cè)萘浚╧W）計算有功功率(kW)計算無功功率(kVar)1站廳照明686822.32站臺照明353511.53區(qū)間照明16167.84事故照明181805廣告照明909029.6負荷總計22722771.2其中I類負荷18180II類負荷11911941.6III類負荷909029.6 視在功率237.9 綜合功率因數(shù)0.9543.3.3 綜合計算負荷根據(jù)以上計算的結(jié)果，可以計算出地鐵車站的綜合計算負荷，如表3-7所示。表3-7 車站綜合計算負荷序號負荷種類總?cè)萘坑嬎阌泄β?kW)計算無功功率(kVar)1動力1749.41202.49172照明22722771.2總計1976.41429.4988.2其中I類負荷1136.6807.9600.9II類負荷260.8204.7174.5III類負荷579416.8212.8 視在功率1737.7 綜合功率因數(shù)0.8233.3.4 無功功率補償 由表3-3可以看出，地鐵動力設(shè)備中有大量的風(fēng)機、水泵、電梯等，這些設(shè)備的功率因數(shù)大都在0.8以下，因此導(dǎo)致整個配電系統(tǒng)的功率因數(shù)較低。功率因數(shù)的降低不僅會引起有功損耗，也會造成電壓降落，影響供電質(zhì)量。按國家供電規(guī)則要求，高壓供電用戶功率因數(shù)要求在0.9以上。因此，采用無功補償、提高功率因數(shù)是必不可少的。 一般在地鐵降壓變電所采用低壓集中自動補償方式，每段0.4kV母線上裝設(shè)電容自動補償裝置，對系統(tǒng)進行無功功率補償，使補償后的功率因數(shù)大于0.9。無功補償原理和無功補償矢量圖如圖3-1、3-2所示。 圖3-1 無功功率補償原理圖 圖3-2 無功補償矢量圖補償容量可按下式求得： （3-8）式中，補償容量，kVar；有功功率之和，kW；補償前功率因數(shù)角正切值；補償后功率因數(shù)角正切值；、均為已知，經(jīng)計算=300kVar。目前國內(nèi)大多采用自愈式金屬化全膜電容器代替舊式的油浸電容器，它具有體積小、重量輕、介質(zhì)損耗低、安全性能高等優(yōu)點，國產(chǎn)型號主要有BMMJ型，進口產(chǎn)品有ABB公司的CLMD型等。CLMD型電容器具有高容量和放電速度快的特點，單臺容量可達83kVar，放電速度可在斷開電源一分鐘后端電壓下降到50V。3.4 本章小結(jié) 由于地鐵變電所和普通的變電所負荷計算有所區(qū)別，所以本次設(shè)計是參照蘇州地鐵某變電所進行計算的。4 變壓器的選擇我國地鐵設(shè)計規(guī)定：配電變壓器的容量選擇應(yīng)滿足一臺配電變壓器退出運行時，另一臺配電變壓器能負擔(dān)供電范圍內(nèi)遠期的一、二級負荷。因此地鐵降壓變電所應(yīng)配備兩臺容量相等的配電變壓器，按照供電范圍內(nèi)的一、二級計算負荷選擇容量。在進行變壓器容量計算時，還應(yīng)考慮參差系數(shù)，計算公式如下： （4-1） （4-2）式中，變壓器總的低壓側(cè)有功功率, kW；變壓器總的低壓側(cè)無功功率，kVar； 一、二級計算有功功率之和，kW； 一、二級計算無功功率之和，kVar；有功參差系數(shù)，0.850.95；無功參差系數(shù)，0.900.97。這里取=0.9，=0.95，而、在表3-7中已經(jīng)求出(還應(yīng)計入無功補償容量)，因此根據(jù)上式可以求得：=911.3kW=451.6kVar=1017kVA 單臺變壓器運行時負載率100%，因此選用標稱容量S=1250kVA的變壓器，其負載率為81%。 上面選擇變壓器容量時未考慮三級負荷，因此還需根據(jù)三級負荷對變壓器容量進行校驗如下： 正常運行過程中，兩臺配電變壓器同時運行，共同承擔(dān)一、二、三級負荷。因此正常運行時配電變壓器總?cè)萘繛?500kVA，根據(jù)表4.7可知車站綜合視在功率1737.7kVA，在不考慮參差系數(shù)的情況下，配電變壓器負載率為70%。 因此無論在兩臺配電變壓器同時運行，還是任意一臺因故退出運行，均能夠滿足供電要求。單臺變壓器運行時負載率100%，因此選用標稱容量S=1250kVA的變壓器。地鐵降壓變電所配電變壓器首選SC型環(huán)氧樹脂干式變壓器。它具有良好的電氣和機械性能、較高的耐熱等級，并且是一種安全可靠、環(huán)保節(jié)能型新產(chǎn)品，能適應(yīng)多種惡劣環(huán)境。通過使用環(huán)氧樹脂干式變壓器可減少維護工作量和增強安全性，同時環(huán)氧樹脂干式變壓器較好的超銘牌運行能力和抗短路能力，將給安全供電帶來可靠的保證。因此選擇變壓器型號為SC10-1250KVA/35KV/0.4KV型。5 變電所主接線設(shè)計牽引變電所（含開閉所、降壓變電所）的電氣主結(jié)線，是由主變壓器、高壓電器和設(shè)備等各種電器元件和連接導(dǎo)線所組成的接受和分配電能的電路。電氣主結(jié)線反映了牽引變電所的基本結(jié)構(gòu)和功能。在運行中，它能表明與高壓電網(wǎng)連接方式、電能輸送和分配的關(guān)系以及變電所一次設(shè)備的運行方式，成為實際運行操作的依據(jù)；在設(shè)計中，主結(jié)線的確定對變電所電氣設(shè)備選擇、配電裝置布置、繼電保護裝置和計算、自動裝置和控制方式選擇等都有重大影響。