城轨供电系统方案设计.doc

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1、摘要城市轨道交通供电系统是从城市电网（110KV或者220KV）引入电源，经过降压、分配和整流，为列车及设备运行提供动力能源，一般包括高压供电源系统、牵引供电系统和动力照明供电系统。显然，城市轨道交通供电系统在整个城市轨道交通系统中占有重要的地位。本次城轨供电系统方案设计，主要包括主变电所的选址、外部电源方式选择、牵引变电所及降压变电所设置及容量选择、供电分区划分及中压网络设置。首先，计算相关数据，选择牵引变电所的位置及牵引降压、变压器的容量；其次，再对整条线路划分供电分区，计算主变电所容量；再次，对每个分区正常情况和非正常情况进行潮流分析；最后，画出整个供电系统的CAD图。本次课程设计，目的

2、是加深对课本知识的理解，了解城轨供电系统的功能和组成，为后续课程及未来工作奠定必要的基础关键词 供电系统 变电所 变压器 AbstractUrban mass transit power supply system connects to urban power networks (110 KV or 220 KV).After step-down，voltage sharing and rectification, this system supplies electrical energy for trains and other electric accessories. In gene

3、ral, this system is made up of three parts: high voltage power supply system, tractive power supply system and low voltage power supply system. Obviously, it occupies an important position in the urban rail transit.The design of power supply system for urban rail transit includes: ascertain the loca

4、tion of the main transformer station，select the mode of the external power source, choose appropriate location and capacity for the traction substation and step-down substation, divide the power supply zone and design the distribution network. At first, complete the calculation of the given data, an

5、d choose the right location and capacity for the substation and transformer. Secondly, divide the whole line into several power supply zones, and calculate the capacity of the main transformer. Thirdly, complete the analysis of power flow for each zone in normal conditions and fault conditions. At l

6、ast, complete a CAD graph of the whole power system.The design is aimed at consolidating the knowledge of the textbook. At the same time it makes us have a better understanding of the urban mass transit power supply system, and it is also a necessary preparation for the coming courses and our work i

7、n the future.Key Words power supply system substation transformer目录一、设计的目的和意义1二、主变电站及外部电源方案12.1主变电站方案12.1.1主变电所的选址原则：12.1.2根据负荷特点确定主变电所沿线布置12.1.3根据电压损失要求确定主变电所数量12.1.4根据城市规划要求确定主变电所位置22.1.5本设计中主变电所选址22.2外部电源方案22.2.1集中式供电方式：32.2.2供电方式比较32.2.3本设计中供电方式选择3三、供电系统方案设计3四、牵引变电所及降压变电所设置及容量选择44.1牵引变电所44.1.1单双

8、边供电44.1.2单位指标法估算：54.1.3牵引变电所设置64.1.4牵引供电计算结果统计94.1.5牵引变电所容量选择114.1.6 牵引变电所容量计算结果统计表124.2降压变电所124.2.1降压变电所配电变压器容量计算公式124.2.2本设计中低压配电资料134.2.3低压配电计算14五、供电分区划分及中压网络设置161.供电分区165.1.1供电分区的划分165.1.2主变电所容量计算172.中压网络175.2.1中压网络175.2.2潮流计算相关公式175.2.3正常情况潮流分析185.2.4非正常情况下潮流分析19六、供电系统大图19附1：原始资料21附2：低压配电资料25附3

9、：牵引供电计算相关参数26附4：潮流计算资料27参考文献：28II城轨供电系统方案设计一、设计的目的和意义城市轨道交通供电系统设计贯穿于地铁线路建设、运营维护的始终，是整个过程中关键的环节。通过本课程设计使学生加深对专业课程的理解，并能将专业知识融为一体，初步掌握城市轨道交通供电系统工程设计过程，为以后设计、施工、运营、设备制造等相关领域的工作打下坚实的基础。二、主变电站及外部电源方案2.1主变电站方案2.1.1主变电所的选址原则：靠近负荷中心，邻近城市轨道交通线路布置。满足中压网络电缆压降要求。满足城轨供电网络规划中主变电所资源共享要求。与城市规划、城市电网规划相协调。可独立设置，也可合建便

10、于电缆线路引入、引出。便于设备运输。注意选择适宜的环境，并考虑与周围设施的相互影响。2.1.2根据负荷特点确定主变电所沿线布置主变电所位置离城轨线路的距离一般控制在几百米范围内。实际工程中主所贴近线路布置。2.1.3根据电压损失要求确定主变电所数量主变电所数量取决于负荷分布及大小（负荷矩），即中压网络电缆的压降应满足设计要求。地铁设计规范要求：供电系统的中压网络应按列车的远期通过能力设计，对互为备用线路，一路退出运行另一路应承担其一、二级负荷的供电，线路末端电压损失不宜超过5%。对于国内城市轨道交通线路而言，一般设置两座主变电所，可满足供电质量的要求。2.1.4根据城市规划要求确定主变电所位置

11、由主变电所数量初步确定大致位置。在沿线负荷均匀情况下，若设一座主所，则考虑布置在线路长度中心附近；若设两座主所，则首选位置考虑在线路长度的1/4及3/4处。随着大城市轨道交通建设的网络化发展，主变电所的位置应满足网络共享的要求。2.1.5本设计中主变电所选址根据以上选址原则和要求，加上已有线路的主变电所位置来看，七号线的主变电所不需要单独建设，可以和其他线路共用即可。共用的主变电所分别为三号线的金山主所和一号线的兴业主所，其中汉溪长隆站从金山主所接线，新造站从兴业主所接线，其位置如下图2-1所示。从七号线线路远期全线来看，线路全长28.312km，两主变电所的地理位置符合线路长度1/4和3/4

12、的要求。这样一来，七号线不需要再花费大量工程去新建主变电所，节约了建设时间和资源。图1-1 主变电所位置2.2外部电源方案城市轨道交通系统是一种特殊的城市电网用户，呈线状分布，线路用电范围一般在1040km 之间。城市轨道交通系统的外部电源供电方式，根据公用电网构成的不同特点，通常可采用集中供电、分散供电和混合供电等不同方式。2.2.1集中式供电方式：主变电所属专用变电所。与城网接口少。主变电所、牵引变电所、降压变电所均有两个独立的引入电源。城轨供电系统相对独立，自成系统，便于运营管理。2.2.2供电方式比较集中供电方式和分散供电方式相比，有如下优点：供电可靠性更高；供电质量更好；对城市电网的

13、影响小，且投资少；运营管理更方便，线路的电能损耗小，运营成本低；工程量小，涉及面小，建设相对容易。2.2.3本设计中供电方式选择综合以上优点考虑，在本设计中外部电源供电方式选择集中式供电方式。采用集中供电方式时，设置的主变电所从电力系统引入电源（110KV或者其他电压等级），要求公用电网提供的电源点少，而且电压等级高，进线数量少，电源可靠性高，供电质量好，公用电网的改造工程量少，便于调度管理，方便运营维护。下图2为集中供电方式连接方式。图2-2 集中式供电方式三、供电系统方案设计本设计中，城市轨道交通供电系统外部电源供电方式为集中供电方式，其各个组成部分的关系如图3-1所示。图3-1 供电系统

14、结构发电厂（站）是电能的生产者。发电厂一般与电力用户相距很远，必须将电压抬升，以减少线路的电压损失和能量损耗，因此要在发电厂的输出端接入升压变压器。我国使用最普遍的输电电压等级为110KV220KV。一般将主变电所以上的部分成为外部公用电网，主变电所一下的部分称为城市轨道交通内部系统，内部系统与外部电网的接口在主变电所处。内部系统是一个庞大的电力用户，其中牵引变电所、馈电线、接触网、走行轨道和回流线构成牵引供电系统；降压变电所为各车站、隧道、车辆段等的动力照明复合提供电能。四、牵引变电所及降压变电所设置及容量选择4.1牵引变电所牵引变电所的功能是将引自城市电网或轨道交通供电系统内部的35KV或

15、10KV电源降压、整流后，变成750V或1500V直流电源，再由牵引变电所内的直流配电装置将该直流电源送至区间接触网，供电动列车用电。4.1.1单双边供电单边供电仅是运行中一种可能采用的临时供电方式，不是牵引供电计算的限制条件。双边供电是城市轨道交通最基本的供电方式，是设计遵循的前提，也是运营的首选方案。4.1.2单位指标法估算：正线全长（由附1中的资料可得）： km列车总重量（由附3中的数据可得）：G =297.44 t正线线路总安装容量为： kVA单位安装容量为： kVA/km 其中，Sd=(6.57)kVA/(tkm) 总牵引负荷为： kW单位牵引负荷为：（按高峰小时考虑） kW/km其

16、中，牵引变压器利用率（取0.95）直流功率换算为交流视在功率的换算系数（取0.9）牵引变电所容量牵引供电系统采用DC1500V接触网受流方式，设牵引变电所平均间距为4 km，则牵引变电所数量为座每座牵引变电所的容量为： kVA单位年用电量：单位能耗取0.06，列车重量297.44 t，按一天发车484列计，则 万kWh/km线路全年用电量为万 kWh4.1.3牵引变电所设置1牵引变电所设置要求：(1).地铁设计规范（GB501572003）规定：直流1500 V牵引供电系统允许的电压波动范围为10001800 V。且应考查正常情况、任一中间牵引变电所解列、端头牵引变电所解列时，牵引网产生的最大

17、压降是否满足要求。(2).城市轨道交通直流牵引供电系统（GB104112005）规定：利用走行轨回流，且在最大负载时，轨上任意点对地电位差不应大于90 V。2牵引变电所布点方法：以线路末端车站设牵引变电所为基点进行布点,即在本设计中首先设定A(广州新客站)和J（新造站）为牵引变电所，然后从两端向中间推算其他变电所的位置。相关计算：整流机组输出功率的均方根统计值：整流机组在个区间平均功率： kW其中，P平均功率（kW）；W给电能耗(kWh)；t运行时分(s)。整流机组有效电流: I=P/Uc 其中， Uc牵引网额定电压 1.5 kV。由附1-表3中数据可得：表4-1 正常情况下各区间功率和区间平

18、均电流区间ACCEEGGIIJ站点ABBCCDDEEFFGGHHIIJ平均功率上行417.77497.01453.16404.06351.81858.79713.51778.74768.72下行470.36539.86926.78438.33840.84508.36668.12340.85329.17P均方根483.28595.75675.78647.71591.31I322.19397.17450.52647.71591.31表4-2 相邻所解列情况下各区间功率和区间平均电流区间ACAECGEIGJIJP均方根483.28542.4463702661.89629.47591.31I322.1

19、9361.63424.68441.26419.65394.21双边供电情况下，区间能耗分别由相邻两牵引变电所提供，所以各牵引变电所整流机组输出功率的均方根统计值及整流机组有效电流如下表所示：表4-3 正常情况下整流机组输出功率及有效电流牵引变电所ACEGIJP246.64539.52635.77661.75619.51295.66I161.10359.68423.84441.16413.01197.10相邻所解列情况下整流机组输出功率均方根统计值与整流机组有效电流计算方法和正常情况类似，计算结果在表4-6牵引供电结果统计表中给出。(1)列车区间平均电流：（列车单位能耗法） A其中， 列车单位能

20、耗kWh/(tkm)；一般空调车取0.0650.07；G列车质量（t）；G=297.44 t；v列车平均运行速度（km/h）；v=43km/h；Uc牵引网额定电压（kV）； Uc=1.5KV。(2)区间平均列车数单行区间平均列车数：其中，N列车对数（对/h）；N=30对/h；T时间周期，常数（60 min）；t列车区间走行时间（包括停站）（min）；L供电距离（km）；v列车平均运行速度（km/h）。表4-4 区间平均列车数区间ACCEEGGIIJm1.972.832.662.552.10(3)列车起动时最大电压损失单边供电其中， 列车起动电流（A）； =6000 A； r牵引网单位电阻（ /

21、km）；r=0.0135/km；列车平均电流（A）。双边供电(4)牵引变电所馈线平均电流：单边供电（故障状态下供电方式）双边供电（正常情况下供电方式）(5)最大平均电压损失：单边供电：（最大平均电压损失发生在馈电区终点）双边供电：（最大平均电压损失发生在馈电线中点）(6)走行轨对地电位走行轨电压损失经验公式为设其中，uz走行轨电压损失（V）；RZ走行轨电阻（ ）；rz=0.020/kmRJ接触网电阻（ ）；rj=0.0135/kmu牵引网电压损失。由以上公式可知，当牵引网电压损失值最大时（即umax），即可求得走行轨最高电位uzmax。表4-5 牵引网最大电压损失和走行轨最高电位计算结果统计表

22、区间ACCEEGGIIJ正常情况起动U58.7886.9781.9678.1061.64平均U4.5710.3810.609.455.97Uz2.736.206.335.643.57相邻所解故障所ACEGIJ起动U235.141552518442174.50150.37226.61平均U18.3024.3436.5234.4926.1632.66Uz10.9214.5321.8020.5915.6219.50由上表可以看出，在正常情况高峰小时负荷和相邻所解列高峰小时负荷时，牵引网最大电压损失均500 V，走行轨最高电位均90 V，满足设计要求。所以以上牵引变电所设置是合理可行的。4.1.4牵引

23、供电计算结果统计9表4-6 牵引供电计算结果统计表牵引变电所ACEGIJ牵引变电所间距（km）2.8294.053.813.6532.942正常情况高峰小时负荷整流机组输出功率均方根统计值（kW）246.64539.52635.77661.75619.51295.66整流机组有效电流（A）161.10359.68423.84441.16413.01197.10馈线有效电流（ A ）上 行818.381315.101261.23751.46529.65下 行805.97838.82874.141309.751284.37牵引网最低电压（ V ）1441.221413.031418.041421.

24、901438.36钢轨最高电位（V）2.736.206.335.643.57相邻所解列情况下高峰小时负荷故障变电所右所故障左所故障右所故障左所故障右所故障左所故障右所故障左所故障右所故障左所故障整流机组输出功率均方根统计值（kW）512.86483.28635.77512.86661.75635.77619.51661.75591.31619.51整流机组有效电流（A）341.91322.19423.84341.91441.16423.84413.01441.16394.21413.01馈线有效电流（A）上 行1666.091436.592058.001666.091609.072058.00

25、1226.791609.071453.671226.79下 行1314.811415.331550.801314.811692.301550.802000.961692.302759.362000.96牵引网最低电压（ V ）1344.751264.861315.581344.751325.51315.581349.631325.51237.391349.63钢轨最高电位（V）14.5310.9221.8014.5320.5921.8015.6220.5919.5015.624.1.5牵引变电所容量选择(1)列车区间断流系数： 其中，t列车区间运行时间（含停站时间）；tg列车区间带电运行时间。

26、表4-7 列车区间断流系数区间ACCEEGGIIJ上行7.918.956.632.101.61下行7.662.932.628.4312.84(2)牵引变电所馈线有效电流：单边供电双边供电(3)牵引变电所母线有效电流单边供电（A、J牵引变电所按单边供电计算）双边供电(4)牵引变电所功率其中，P-牵引变电所功率（KW）； -牵引网损耗加大系数（一般取1.05）；-列车自用电系数（一般取1.03）；-牵引网额定电压（KV）。(5)牵引变电所容量上式为牵引变电所容量提供依据，牵引变电所总功率应按照正常双边供电进行计算。4.1.6 牵引变电所容量计算结果统计表表4-8 牵引变电所容量计算结果统计表牵引变

27、电所母线有效电流A变电所功率KW变电所容量KVA变压器选择KVAA1233.502001.052201.1622200C2451.873977.544375.2923300E2608.694231.954655.1423300G2931.464755.555231.1123300I2631.384268.754695.6323300J1502.502437.432681.17222004.2降压变电所降压变电所中将中压电能转换为低压电能，向车站、区间、车辆段（停车场）、控制中心所有低压用电负荷提供电源。一般每个车站设一座降压变电所，对于规模较大的车站和车辆段、停车场可根据具体情况增设跟随式降压

28、变电所。4.2.1降压变电所配电变压器容量计算公式1.计算负荷：（按需要系数法计算）计算有功：Pjs=PNKc其中，PN设备有功容量（kW）； Kc需要系数。计算无功： Qjs=Pjstan 其中，Pjs计算有功； 补偿前后功率因数角。2.无功补偿容量QC=Pjs(tan1tan2)其中，QC补偿容量（kVar）； Pjs 计算有功之和（kW）； 1、 2补偿前后功率因数角。3.配电变压器容量计算地铁设计规范（GB501572003）规定：配电变压器的容量选择应满足一台配电变压器退出运行时，另一台配电变压器能负担供电范围内远期的一、二级负荷。降压变电所配置两台配电变压器，按照供电范围内一、二级

29、计算负荷选择容量，并考虑参差系数。考虑参差系数后的变压器总的计算有功和总的计算无功由下式确定。Pjs=pPjsQjs=qQjs其中，Pjs变压器总的计算有功（kW）； Qjs变压器总的计算无功（kVar）； p有功参差系数，0.850.95； q无功参差系数，0.90.97。所以，配电变压器的容量为：4.2.2本设计中低压配电资料表4-9低压配电原始资料表序号设备名称总容量(KW)PNcostanKc/Pjs/QC负荷类型1、通风空调系统风机2740.78 0.800.75 205.5 164.4小系统排风机46.80.78 0.800.75 35.1 28.08组合空调机组1080.8 0.

30、750.75 81 60.75冷水机组1100.85 0.620.7 77 47.742、给排水系统冷却塔190.8 0.750.75 14.25 10.69电热水器401 00.7 28 0废水泵570.78 0.800.75 42.75 34.2污水泵120.78 0.800.75 9 7.23、消防系统喷淋泵300.8 0.750.75 22.5 16.88气体灭火160.5 1.7320.8 12.8 22.174、弱电系统BAS、FAS200.8 0.750.8 16 12AFC400.8 0.750.8 32 24通信200.8 0.750.8 16 12信号250.8 0.750

31、.8 20 155、检修检修300.4 2.300.8 24 55.26、运载系统扶梯、电梯1500.8 0.750.8 120 907、照明系统站厅照明680.95 0.331 68 22.44站台照明350.95 0.331 35 11.55区间照明160.9 0.481 16 7.68事故照明301 01 30 0广告照明1000.95 0.331 100 334.2.3低压配电计算A. 动力计算负荷按需要系数法进行计算可得动力计算负荷表如下表所示：表4-10 动力计算负荷序号设备名称总容量kW计算有功kW计算无功kVar1通风空调系统538.8398.6300.972给排水系统1289

32、452.093消防系统4635.339.054弱电系统10584635检修系统302455.26运载系统15012090负荷总计997.8755.9600.3其中：负荷636.8483.65389.48负荷16212997.2负荷199143.25113.63视在功率965.27功率因数0.783B. 照明计算负荷按需要系数法进行计算负荷如下表所示：表4-11 照明计算负荷序号照明种类总容量kW计算有功kW计算无功kVar1站厅照明686822.442站台照明353511.553区间照明16167.684事故照明303005广告照明10010033负荷总计24974.67其中：负荷300负荷1

33、1941.67负荷10033视在功率260.0功率因数0.957C. 综合负荷动力、照明负荷综合值如下表所示。表4-12综合负荷序号负荷类型总容量kW计算有功kW计算无功kVar1动力997.8755.9600.32照明24924974.67总计1246.81004.9674.97其中：负荷666.8513.65389.48负荷281248138.87负荷299234.25146.63视在功率1210.5功率因数0.830D. 无功补偿容量由表-综合负荷可知，功率因数达不到0.9的要求，需要进行无功补偿，QC=Pjs(tan1tan2)=1004.9（tan(arccos 0.830)-tan

34、(arccos 0.9)） =188.6 kVar所以，无功补偿容量QC=188.6 kVar。E. 配电变压器计算容量考虑无功补偿容量和参差系数后的配电变压器计算容量如下表所示。表4-13 配电变压器容量计算总有功容量计算有功计算无功总负荷1246.81004.9674.97计算视在功率S=1210.5 kVA计算功率因数=0.830补偿容量QC=-188.6 kVar、级计算负荷947.8761.65528.35级负荷299234.25146.63参差系数-0.90.95变压器计算负荷-685.49322.76变压器计算容量S=757.67 kVAF. 配电变压器选择单台变压器运行时负载率

35、100%,可选标准容量S=800 kVA的变压器，负载率为95.2%。正常运行时，变压器总容量为1600 kVA，一、二、三级负荷总功率（不含无功补偿）S=1210.5 kVA ,负载率为75.7%左右，满足设计要求。五、供电分区划分及中压网络设置 1.供电分区5.1.1供电分区的划分本设计中，采用集中供电方式，全线共设两个主变电所（E和I），6个牵引变电所，每个车站各一个降压变电所。其供电分区划分如下图5-1所示：图中：第一分区：A、C站牵引变电所及A、B、C站的降压变电所；第二分区：E、G站牵引变电所及D、E、F、G站的降压变电所；第三分区： I、J站牵引变电所，及H、I、J站降压变电所。

36、图5-1 供电分区5.1.2主变电所容量计算主变电站变压器容量计算：（不考虑预留线路）主变电所E： KVA KVA KVA主变电所E变压器选择：220 MVA主变电所I： KVA主变电所I变压器容量选择：210 MVA2.中压网络5.2.1中压网络中压网络是城市轨道交通内部网络的主干网络，纵向将上集主变电所（或电源开闭所）与下级牵引变电所和降压变电所连接起来，横向将全线路的各个牵引变电所和降压变电所连接起来，构成纵横交错的城市轨道交通供电网。中压系统的供电能力（主要指功率输送能力和电压损失）与电压等级密切相关，我国城市轨道交通既有线中压网络采用35KV和10KV,本设计中采用35KV。5.2.

37、2潮流计算相关公式电压降落功率损失电压降落百分比R、X具体值可根据附表4中相关数据计算得到。5.2.3正常情况潮流分析(1)各供电分区简化等值电路图5-2 正常运行各分区简化等值电路(2)各供电分区末端电压及电压降落百分比表5-1 各分区末端电压降落百分比供电分区末端电压V电压降落百分比一34876.490.35%二34776.700.64%三34774.760.64%5.2.4非正常情况下潮流分析(1)非正常情况下潮流分析等值电路图5-3 分正常运行时简化等值电路(1)非正常情况下末端电压及电压降落百分比表5-2 末端电压及电压降落百分比故障主所末端电压V电压降落百分比金山主所33395.7

38、04.5%兴业主所34278.032.06%地铁设计规范要求：供电系统的中压网络应按列车的远期通过能力设计，对互为备用线路，一路退出运行另一路应承担其一、二级负荷的供电，线路末端电压损失不宜超过5%。对于国内城市轨道交通线路而言，一般设置两座主变电所，可满足供电质量的要求。六、供电系统大图19城轨供电系统方案设计附1：原始资料1.概况广州市轨道交通七号线线路西起番禺区的广州新客站，向东南行进穿越番禺区的钟村，之后转向东北，经过番禺区的汉溪、新造与化龙，再穿越珠江之后，止于黄埔区的大沙地，预留远期延伸至萝岗中心区的条件。线路全长约28.312km，均为地下线路，共设14座车站，其中换乘站5座，其

39、线路如下图1所示。七号线分两期进行建设，一期工程为广州新客站至新造段，线路全长约18.2km，共设10座车站，其中换乘站3座，分别为广州新客站（与二号线、广珠线、武广客运专线、佛山二号线），汉溪长隆站（与三号线），新造站（与四号线）；平均站间距1.920km，最大站间距2.942km，为南村至新造区间，最小站间距1.070km，为官堂至金坑区间。车辆段选址在广州新客站西侧大洲村以北，并在大洲车辆段设联络线与二号线相连；控制中心设置在大石控制中心，与三号线共用。七号线采用B型车辆，初、近、远期均采用六辆编组，4动2拖，最高运行速度80km/h，旅行速度为43km/h。七号线初、近期采用一个交路，

40、从广州新客站至新造，初期高峰小时开行16对/小时，近期高峰小时开行20对/小时。远期采用两个交路，小交路从广州新客站至化龙，高峰小时开行15对/小时；大交路从广州新客站至大沙地，高峰小时开行15对/小时。图1 七号线线路示意图2.外部电源情况1）广州市电网现状及规划目前，广州电网以500kV和220kV电压等级构成主网架。截止2007年6月底，广州电网拥有500kV变电站3座，220kV变电站27座，110kV变电站154座，主变容量34681MVA，110kV及以上输电线路4711.43km。根据20092013年广州电网规划，20092013年期间，广州电网将规划新建500kV变电站2座，扩建3座；新建220