城市軌道交通供電系統的中壓網絡研究_secret

1、城市軌道交通供電系統的中壓網絡研究摘 要：本文從城市軌道交通供電系統的功能、構成、以及系統的外部電源方案等方面對城市軌道交通供電系統進行了簡述。在此基礎上引入了城市軌道交通供電系統中壓網絡的概念，中壓網絡有兩大屬性：一是電壓等級，二是構成形式。同時結合國家中壓配電現狀及發(fā)展趨向、國內城市軌道交通中壓網絡現狀及發(fā)展思路、以及不同電壓等級的中壓網絡的特點，對中壓網絡的電壓等級的特點進行了綜合比較，并對其構成進行了系統分析。最后提出了一種新型接線方式-20kV牽引動力照明混合網絡。關鍵字：牽引動力照明混合網絡 城市軌道交通 供電系統 中壓網絡一、供電系統的簡介及中壓網絡的概念1、城市軌道交通供電系統

2、的功能城市軌道交通供電系統，擔負著運行所需的一切電能的供應與傳輸，是城市軌道交通安全可靠運行的重要保證。城市軌道交通的用電負荷按其功能不同可分為兩大用電群體。一是電動客車運行所需要的牽引負荷，二是車站、區(qū)間、車輛段、控制中心等其他建筑物所需要的動力照明用電，諸如：通風機、空調、自動扶梯、電梯、水泵、照明、AFC系統、FAS、BAS、通信系統、信號系統等。在上述用電群體中，有不同電壓等級直流負荷、不同電壓等級交流負荷；有固定負荷、有時刻在變化的運動負荷。每種用電設備都有自己的用電要求和技術標準，而且這種要求和標準又相差甚遠。城市軌道交通供電系統就是要滿足這些不同用戶對電能的不同需求，以使其發(fā)揮各

3、自的功能與作用。保證電動客車暢行，安全、可靠、迅捷、舒適地運送乘客，是供電系統的根本目的。2、供電系統的構成根據功能的不同，對于集中式供電，城市軌道交通供電系統可分成以下幾部分：外部電源、主變電所、牽引供電系統、動力照明配電系統、電力監(jiān)控(SCADA)系統。對于分散式供電，城市軌道交通供電系統則可分成以下幾部分：外部電源、(電源開閉所)、牽引供電系統、動力照明配電系統、電力監(jiān)控(SCADA)系統。牽引供電系統，又可分成牽引變電所與牽引網系統。動力照明配電系統，又可分成降壓變電所與動力照明。但在進行初步設計與施工設計時，為便于設計管理，供電系統往往被劃分成：系統設計；主變電所設計；牽引變電所(或

4、牽引降壓混合變電所)及降壓變電所設計；牽引網設計；電力監(jiān)控系統設計；雜散電流腐蝕防護設計(注：動力照明隨同土建一起設計)。3、外部電源方案城市軌道交通系統的外部電源方案，根據城市電網構成的不同特點，可采用集中式、分散式、混合式等不同形式。(1)確定外部電源方案的原則城市軌道交通作為城市電網的特殊用戶，一般用電范圍多在10km30km之間。城市軌道交通系統的外部電源方案，主要有集中式、分散式、混合式等不同形式。究竟采用何種方式，應通過計算確定需要負荷之后，根據城市軌道交通路網規(guī)劃、城市電網構成特點、工程實際情況綜合分析確定。(2)集中式供電在城市軌道交通沿線，根據用電容量和線路長短，建設專用的主

5、變電所，這種由主變電所構成的供電方案，稱為集中式供電。主變電所進線電壓一般為110kV，經降壓后變成35kV或10kV，供牽引變電所與降壓變電所。主變電所應有兩路獨立的進線電源。集中式供電，有利于城市軌道交通供電形成獨立體系，便于管理和運營。上海、廣州、南京、香港、德黑蘭地鐵等即為集中式供電方案。(3)分散式供電根據城市軌道交通供電的需要，在地鐵沿線直接由城市電網引入多路電源，構成供電系統，稱為分散式供電。這種供電方式一般為10kV電壓級。分散式供電要保證每座牽引變電所和降壓變電所均獲得雙路電源，要求城市軌道交通沿線有足夠的電源引入點及備用容量。建設中的沈陽地鐵、長春輕軌、大連輕軌、北京城鐵、

6、北京八通線、北京地鐵5號線等即為分散式供電方案。(4)混合式供電將前兩種供電方式結合起來，一般以集中式供電為主，個別地段引入城市電網電源作為集中式供電的補充，使供電系統更加完善和可靠。這種方式稱為混合式供電。北京地鐵一線和環(huán)線、建設中的武漢軌道交通工程、青島地鐵南北線工程等即為混合式供電方案。通過中壓電纜，縱向把上級主變電所和下級牽引變電所、降壓變電所連接起來，橫向把全線的各個牽引變電所、降壓變電所連接起來，便形成了中壓網絡。根據網絡功能的不同，把為牽引變電所供電的中壓網絡，稱為牽引網絡；同樣，把為降壓變電所供電的中壓網絡稱為動力照明網絡。中壓網絡有兩大屬性：一是電壓等級，二是構成形式。中壓網

7、絡不是供電系統中獨立的子系統，但是它卻是供電系統設計的核心內容。它的設計牽扯到外部電源方案、主變電所的位置及數量、牽引變電所及降壓變電所的位置與數量、牽引變電所與降壓變電所的主接線等。二、中壓網絡的電壓等級1、國家中壓配電現狀及發(fā)展趨向我國現行中壓配電標準電壓等級有：66kV、35kV、10kV。隨著城鄉(xiāng)電氣化事業(yè)的發(fā)展，只有一種10kV作為中低電壓的分界，顯然已不能滿足城鄉(xiāng)配電網發(fā)展要求。我國第一個20kV一次配電的供電區(qū)，已經于1996年5月在蘇州工業(yè)園區(qū)投入運行。從前一段運行情況來看，其線損率大大低于10kV系統。對于農村電網，從電源電壓直接送到中壓一次配電層，形成高壓電源層中壓一次配電

8、層低壓戶內三級配電，可以簡化電網、降低造價、減少線損、利于發(fā)展。采用20kV作為中壓一次配電層，功能上可以替代35kV與10kV兩個配電層，而造價上則與10kV設備差異不大。由此可見，20kV電壓等級的這種特點，也適合于高密度負荷地區(qū)的城市電網。例如：早在1999年中電聯供電分會發(fā)表的“北京電網實施城網建設和改造的規(guī)劃原則”中表明：北京市區(qū)內電壓等級按500kV、220kV、110kV、10kV(20kV)設計，其中新建開發(fā)區(qū)可選20kV電壓等級。2、國內城市軌道交通中壓網絡現狀及發(fā)展思路以往，因國家城鄉(xiāng)電網中沒有采用20kV這一電壓等級，相應的開關柜等20kV設備，也沒有跟上發(fā)展。在這樣的大

9、環(huán)境下，要在城市軌道交通工程中使用20kV電壓級，是比較困難和不現實的。因而，國內既有城市軌道交通的中壓網絡電壓等級采用了35kV(若采用國外設備則是33kV)或10kV。北京地鐵、天津地鐵、長春軌道交通環(huán)線一期工程、大連快速軌道交通3號線的中壓網絡為10kV；上海地鐵1、2號線的牽引網絡采用了33kV，動力照明網絡采用了10kV；上海地鐵明珠線的牽引網絡采用了35kV，動力照明網絡采用了10kV；廣州地鐵1、2號線采用了33kV的牽引動力照明混合網絡；南京地鐵南北線一期工程、深圳地鐵采用了35kV的牽引動力照明混合網絡；武漢軌道交通一期工程、重慶軌道交通較新線工程采用了10kV的牽引動力照明

10、混合網絡。然而，隨著城鄉(xiāng)電力消費的增長，發(fā)展城鄉(xiāng)20kV配電網已提到議事日程上來。20kV是目前公認的具有發(fā)展前景的優(yōu)選電壓級。20kV開關柜、變壓器、電力電纜等一系列設備，也完全實現了國產化。近年已頒布的國家標準GB15693中表明，20kV也是可使用的電壓級。另外，已經完成送審稿的地鐵設計規(guī)范中規(guī)定：地鐵中壓網絡的電壓等級可采用35kV(33kV)、20kV、10kV。因此，在我國城鄉(xiāng)電網及20kV設備這個大環(huán)境，已經發(fā)生變化的情況下，在城市軌道交通中壓網絡的電壓等級選用上，也應該拓寬思路，認真比較，優(yōu)化選用。換言之，不能僅局限于以往的35kV(33kV)和10kV框框，應該認識到，20k

11、V也是可用的，并已成為一個備選電壓級。這是因為：城市軌道交通供電系統，尤其是集中式供電系統，與其他公用用戶相比，相對獨立，自成系統。無論從施工建設，還是運營管理、養(yǎng)護維修等均相對獨立。從這個角度來說，城市軌道交通中壓網絡的電壓等級不一定與外部電網電壓等級相一致。實際上，上海地鐵、廣州地鐵，已采用了國外的33kV設備，而我國電壓等級是35kV，并非33kV。另外，象南京地鐵、深圳地鐵采用的35kV，也是這兩座城市市區(qū)電網所要取消的電壓級。換言之，在城市軌道交通中壓網絡電壓等級與外部市網電壓等級的關系上，是采用35kV還是采用33kV或者20kV，其性質和概念上是一樣的。3、不同電壓等級的中壓網絡

12、的特點(1)35kV中壓網絡，國家標準電壓級。輸電容量較大、距離較長；設備來源國內；設備體積較大，占用變電所面積較大，不利于減小車站體量；設備價格適中；國內沒有環(huán)網開關，因而不能用(相對于斷路器柜)價格較便宜的環(huán)網開關，構成接線與保護簡單、操作靈活的環(huán)網系統；廣州地鐵、上海地鐵已經采用。(2)33kV中壓網絡，國際標準電壓級。輸電容量較大、距離較長，基本與35kV一致；設備來源國外，不利于國產化；國外開關設備體積較小、價格較高，廣州、上海地鐵已經采用；國外CGIS產品有環(huán)網單元。(3)20kV中壓網絡，國際標準電壓級。輸電容量及距離適中，比10kV系統大。設備完全實現國產化；引進MG、ALST

13、HOM等技術的開關設備，體積較小，占用變電所面積遠小于國產35kV設備，有利減小車站體量，節(jié)省土建投資；價格適中；有環(huán)網單元，能構成接線與保護簡單、操作靈活的環(huán)網系統；國內地鐵尚沒有采用，但國外地鐵多有采用。(4)10kV中壓網絡，國家標準電壓級。輸電容量較小、距離較短；設備來源國內；設備體積適中；設備價格較低；環(huán)網開關技術成熟、運營經驗豐厚，可用其構成保護簡單、操作靈活的環(huán)網系統；國內外地鐵廣為采用。4、不同電壓等級的中壓網絡的綜合比較三、中壓網絡的構成1、概述對于集中式外部電源方案，牽引網絡和動力照明網絡，可以采用相對獨立的形式，即牽引動力照明獨立網絡，也可以共用同一個中壓網絡，即牽引動力

14、照明混合網絡。對于分散式外部電源方案，采用牽引動力照明混合網絡。牽引動力照明獨立網絡的特點：牽引網絡與動力照明網絡，兩者相對獨立、相互影響較??；35(33)kV較高的電壓級與較重的牽引負載相適用，而10kV較低的電壓級則與較小的動力照明負荷相適用。牽引動力照明混合網絡的特點：供電系統的整體性比較好，設備布置可以統籌考慮。牽引網絡與動力照明網絡，可以采用同一個電壓級，也可以采用兩個不同電壓級。目前，我國城市軌道交通工程有的采用了牽引動力照明混合網絡，有的則采用了牽引動力照明獨立網絡；國外有的地鐵采用了牽引動力照明獨立網絡。2、中壓網絡的構成原則(1)滿足安全可靠的供電要求；(2)滿足潮流計算要求

15、，即設備容量及電壓降要滿足要求；(3)滿足負荷分配平衡的要求；(4)滿足繼電保護的要求；(5)滿足運行管理、倒閘操作的要求；(6)每一個牽引變電所、降壓變電所均應有兩路電源；(7)系統接線方式盡量簡單；(8)供電分區(qū)應就近引入電源，必要時可從負荷中心處引入電源，盡量避免返送電；(9)全線牽引變電所、降壓變電所的主接線盡量一致；(10)滿足設備選型要求。3、集中式外部電源方案下的中壓網絡構成(1)獨立35(33)kV牽引網絡獨立10kV動力照明網絡的接線方式1)35(33)kV牽引網絡的接線方式當中壓網絡為兩個不同電壓級時，35(33)kV牽引網絡的常用接線方式，如插圖一所示。這些基本接線方式可

16、以分成A、B、C、D四種類型。lA型：牽引變電所主接線為單母線；牽引變電所的進線與出線，均采用斷路器；牽引變電所的兩路電源，來自于同一個主變電所的不同母線；該類型接線適用于位于線路起始部分、線路終端部分、主變電所附近的牽引變電所電源引入。lB型：牽引變電所主接線為單母線；牽引變電所的進線與出線，均采用斷路器；兩個牽引變電所為一組；這一組牽引變電所的兩路電源，來自于同一個主變電所的不同母線，每個牽引變電所均從主變電所接入一路主電源，兩個牽引變電所通過聯絡電纜實現電源互為備用；該類型接線適用于位于線路起始部分、線路終端部分的牽引變電所電源引入。lC型：牽引變電所主接線為單母線；牽引變電所的進線與出

17、線，均采用斷路器；兩個牽引變電所為一組；這一組牽引變電所的兩路電源，來自于不同的主變電所，左側牽引變電所從左側主變電所接入一路主電源，右側牽引變電所從右側主變電所接入一路主電源，兩個牽引變電所通過聯絡電纜實現電源互為備用；該類型接線適用于位于兩個主變電所之間的牽引變電所電源引入。lD型：牽引變電所主接線為單母線；牽引變電所的進線與出線，均采用斷路器；牽引變電所的兩路電源，來自于左右兩側不同的主變電所；該類型接線適用于位于兩個主變電所之間的牽引變電所電源引入。2)10kV動力照明網絡的接線方式當中壓網絡為兩個不同電壓級時，10kV動力照明網絡的基本接線方式，如插圖二所示。全線的降壓變電所被分成若

18、干個供電分區(qū)，每個供電分區(qū)一般不超過3個地下站；每一個供電分區(qū)均從主變電所(或中心降壓變電所)的35(33)/10kV主變壓器，就近引入兩路10kV電源；中壓網絡采用雙線雙環(huán)網接線方式；相鄰供電分區(qū)間通過環(huán)網電纜聯絡；降壓變電所主接線采用分段單母線形式；降壓變電所進線開關采用斷路器。該接線方式運行靈活。(2)35(33)kV牽引動力照明混合網絡的接線方式當中壓網絡采用一個電壓級時，35(33)kV牽引動力照明混合網絡的基本接線方式，如插圖三所示。在有牽引變電所的車站，牽引變電所與降壓變電所合建成牽引降壓混合變電所，對大型地下車站，除牽引降壓混合變電所或降壓變電所外，還會設置跟隨式降壓變電所。全

19、線的牽引降壓混合變電所及降壓變電所被分成若干個供電分區(qū)，每個供電分區(qū)一般不超過3個地下站；每一個供電分區(qū)均從主變電所的不同母線就近引入兩路35(33)kV電源；中壓網絡采用雙線雙環(huán)網接線方式，牽引降壓混合變電所、牽引變電所、降壓變電所的環(huán)網進線開關均采用斷路器；兩個主變電所之間的供電分區(qū)間通過環(huán)網電纜聯絡，其他供電分區(qū)間可以不設聯絡電纜。牽引降壓混合變電所、牽引變電所、降壓變電所的主接線，均采用分段單母線形式。該接線方式運行靈活。35(33)kV牽引動力照明混合網絡，因其輸電容量大、距離長，因而更適合于地下線路。(3)10kV牽引動力照明混合網絡的接線方式當中壓網絡采用一個電壓級時，10kV牽

20、引動力照明混合網絡的基本接線方式，如插圖四所示。全線的牽引降壓混合變電所及降壓變電所被分成若干個供電分區(qū)，每個供電分區(qū)一般不超過3個車站；每一個供電分區(qū)均從主變電所的不同母線就近引入兩路10kV電源(對于地面線路，供電分區(qū)的來自于主變電所的兩路10kV電源也可以從牽引變電所處引入，不一定就近引入)。牽引降壓混合變電所、牽引變電所的主接線均采用分段單母線形式。地下降壓變電所主接線可采用分段單母線形式，地面降壓變電所主接線則可以采用兩段母線形式，同一工程的地下降壓變電所與地面降壓變電所主接線，應盡量一致。地面降壓變電所的配電變壓器，也可以采用負荷開關熔斷器組合電器保護。中壓網絡采用雙線雙環(huán)網接線方

21、式。牽引降壓混合變電所、牽引變電所的環(huán)網進線開關均采用斷路器；地面降壓變電所的環(huán)網進線開關可以采用負荷開關，地面降壓變電所的配電變壓器，也可以采用負荷開關熔斷器組合電器保護。如果兩個主變電所10kV母線間設有專門的聯絡電纜，那么兩個主變電所之間的供電分區(qū)間不必再設聯絡電纜；同一個主變電所供電范圍內的供電分區(qū)間可以不設聯絡電纜(尤其是當這些供電分區(qū)分別只有一個牽引變電所時)。該接線方式運行靈活。10kV牽引動力照明混合網絡，因其輸電容量小、距離短，因而更適合于地面線路。(4)20kV牽引動力照明獨立網絡的接線方式當中壓網絡采用一個電壓級時，除前面已經分析的35(33)kV牽引動力照明混合網絡、以

22、及10kV牽引動力照明混合網絡外，伊朗德黑蘭地鐵采用了20kV牽引動力照明獨立網絡，即牽引網絡與動力照明網絡相對獨立，但均為20kV電壓級。該接線方式如圖五所示。20kV牽引網絡的構成方式為：兩個63/20kV主變電所之間的牽引變電所，以相互間隔的方式分成兩組，每一組均以類似于(開環(huán)運行的)單線單環(huán)網接線方式，分別從兩個主變電所各引入一個20kV電源，即這些牽引變電所從兩個主變電所各取得一路20kV電源。位于線路端頭的牽引變電所，則以傳統的(開環(huán)運行的)雙線雙環(huán)網接線方式，從一個就近主變電所的不同母線取得兩路20kV電源。20kV動力照明網絡的構成方式為：全線的降壓變電所被分成若干個供電分區(qū)，

23、每個供電分區(qū)一般不超過4個地下站；每一個供電分區(qū)均從主變電所的不同母線以類似于(開環(huán)運行的)雙線雙環(huán)網接線方式就近引入兩路20kV電源。兩個供電分區(qū)間可以設聯絡電纜。牽引變電所的主接線采用分段單母線形式，即設有兩段環(huán)網電源母線及一段牽引電源母線。降壓變電所的主接線采用兩段母線形式。牽引變電所與降壓變電所的電源進線均采用負荷開關作為環(huán)網開關。降壓變電所的配電變壓器，采用負荷開關熔斷器組合電器保護。該接線方式的特點是，實現了以“負荷開關”構成環(huán)網接線，保護簡單；另外牽引網絡與動力照明網絡相互影響小。但是由于牽引網絡與動力照明網絡的分離，以及牽引網絡采用了單線單環(huán)網接線方式，導致區(qū)間中壓電纜過多。4

24、、分散式外部電源方案下的中壓網絡構成對分散式外部電源方案，中壓網絡采用10kV牽引動力照明混合網絡，基本接線方式有以下四種。下面逐一分析其構成特點。(1)接線方式一接線方式如插圖六所示。全線的牽引降壓混合變電所、牽引變電所、降壓變電所被分成若干個供電分區(qū)，每個供電分區(qū)一般不超過3個地下站；每一個供電分區(qū)均從城市電網就近引入兩路10kV電源；中壓網絡采用雙環(huán)網接線方式，牽引降壓混合變電所、牽引變電所、降壓變電所的環(huán)網進線開關均采用斷路器；兩個相鄰供電分區(qū)間通過兩路環(huán)網電纜聯絡。牽引降壓混合變電所、牽引變電所、降壓變電所的主接線，均采用分段單母線形式。該接線方式運行靈活。為同一個供電分區(qū)供電的從城

25、市電網引來的兩路10kV電源，可以來自不同的地區(qū)變電所，也可以來自同一地區(qū)變電所。該方式要求城市電網有比較多的10kV電源點。(2)接線方式二接線方式如插圖七所示。全線的牽引降壓混合變電所(或牽引變電所)，每兩個分成一組。每一組均從城市電網引入兩路10kV電源，分別作為兩個牽引降壓混合變電所的主電源，同時同一組的兩個牽引降壓混合變電所間設雙路聯絡電纜，實現電源互為備用。相鄰兩組牽引降壓混合變電所之間設單路聯絡電纜，增加系統的供電可靠性。牽引降壓混合變電所、牽引變電所的主接線，均采用分段單母線形式。無牽引變電所的地面車站，其降壓變電所，可按跟隨式降壓變電所考慮。無牽引變電所的地下車站，其降壓變電

26、所的10kV電源可以由相鄰兩組間的單路聯絡電纜提供(該降壓變電所應采用分段單母線主接線)。該接線方式比較簡潔。該方式對城市電網10kV電源點的數量要求不多，但要求每組從城市電網引來的兩路10kV電源應來自不同地區(qū)變電所，以增加供電的可靠性。該接線方式適合于地面線路。(3)接線方式三接線方式如插圖八所示。全線的牽引降壓混合變電所(或牽引變電所)，前后關聯，渾然一體。除最后一個牽引降壓混合變電所從城市電網直接引入兩路10kV電源以外，其他牽引降壓混合變電所均從城市電網引入一路10kV電源，這路電源既是本變電所的主電源，又是前一個變電所的備用電源，換言之，當前變電所的主電源直接來自城市電網的10kV

27、電源，而備用電源則來自于下一個變電所。依次類推，最后一個變電所則需要從城市電網引入兩路10kV電源。牽引降壓混合變電所、牽引變電所的主接線，均采用分段單母線形式。對于無牽引變電所的車站，其降壓變電所，可按跟隨式降壓變電所考慮。該接線方式最為簡潔。N個變電所需要N1路10kV電源，相鄰變電所間只有一路聯絡電源。該方式對城市電網10kV電源點的數量要求不多，但要求這些城市電網引來的10kV電源應來自不同地區(qū)變電所，以增加供電的可靠性。該接線方式適合于地面線路。(4)接線方式四接線方式如插圖九所示。全線的牽引降壓混合變電所、牽引變電所、降壓變電所被分成若干個供電分區(qū)，每個供電分區(qū)一般不超過4個車站。

28、每一個供電分區(qū)由一個電源開閉所供電，每個電源開閉所均從城市電網就近引入兩路10kV電源。該電源開閉所可以獨立設置，也可以與就近的牽引變電所合建。若電源開閉所采用獨立設置方式，則需與規(guī)劃部門配合協調，另外該方式的土建投資與設備投資都比合建方式要大，故該方式，僅在地面線可以考慮。插圖九表示的是電源開閉所與牽引變電所合建情況。合建處的牽引整流機組及配電變壓器，由電源開閉所直接供電。對于電源開閉所之間的某些牽引降壓混合變電所，其電源分別來自與左右兩側的電源開閉所，并通過在這些牽引降壓混合變電所的牽引母線段上設置與電源開閉所間的專用聯絡電纜，將相鄰的兩個電源開閉所聯系起來；對于不參與這種開閉所聯絡的牽引

29、降壓混合變電所，其電源就近來自同一個電源開閉所。牽引降壓混合變電所、牽引變電所的主接線，均采用分段單母線形式。降壓變電所的主接線可按跟隨式降壓變電所考慮。該接線方式比較復雜。為同一電源開閉所供電的兩路市網10kV電源，最好來自于不同的地區(qū)變電所。該方式對城市電網10kV電源點的數量要求不多。四、一種新型接線方式研究20kV牽引動力照明混合網絡通過對前面各種接線方式的分析，對于集中式外部供電方案，本文現提出提出一種新型接線方式：20kV牽引動力照明混合網絡。接線方式如插圖十所示。全線的牽引降壓混合變電所及降壓變電所被分成若干個供電分區(qū)，每個供電分區(qū)一般不超過3個地下站；每一個供電分區(qū)均從主變電所的不同母線就近引入兩路20kV電源(對于地面線路，供電分區(qū)的來自于主變電所的兩路20kV電源也可以從牽引變電所處引入，不一定就近引入)。牽引降壓混合變電所、牽引變電所的主接線均采用分段單母線形式，即設有兩段環(huán)網電源母線及一段牽引電源母線，牽引母線與兩段環(huán)網電源母線間設