【正文】 故，許多國家已逐漸停止發(fā)展直流制。② 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(jī)車上采用交流整流子式牽引電動機(jī)。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(jī)車上降低電壓，供應(yīng)低電壓的交流整流子式牽引電動機(jī)。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(biāo)準(zhǔn)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。③ 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(jì)50年代中期法國電氣化鐵路應(yīng)用整流式交流電力機(jī)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(jī)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(jī)。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(diǎn)是，消除了低頻單相交流制的兩個主要缺點(diǎn)（與電力工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)頻率并行的非標(biāo)準(zhǔn)頻率和構(gòu)造復(fù)雜的交流整流子式牽引電動機(jī)）；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(yùn)營費(fèi)用減少；電力機(jī)車采用直流串勵牽引電動機(jī)，也遠(yuǎn)比交流整流子式牽引電動機(jī)牽引性能好，運(yùn)行可靠。采用工頻單相交流制的缺點(diǎn)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(jì)方面的綜合分析比較，上述優(yōu)點(diǎn)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。 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(fù)荷一端。車站所有重要的一、二級負(fù)荷及容量較大的三級負(fù)荷均從所內(nèi)以放射式供電。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)的地下雙層車站，降壓變電所送出回路在80～90個。除冷凍站以外，由于車站兩端負(fù)荷一般分布較為均勻，故遠(yuǎn)離降壓變電所一端的供電回路約占一半左右。① 降壓變電所為一所型式的供電方案的優(yōu)點(diǎn)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。② 降壓變電所為一所型式的供電方案的缺點(diǎn)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(jī)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(jī)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(jìn)線均為兩路獨(dú)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(fù)擔(dān)本端的負(fù)荷用電。① 降壓變電所為一主所一跟隨所型式供電方案的優(yōu)點(diǎn)兩所各負(fù)責(zé)本端的用電負(fù)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(jī)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、6800kVA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(yùn)轉(zhuǎn)的經(jīng)濟(jì)性會大為提高。②降壓變電所為一主所一跟隨所型式供電方案的缺點(diǎn)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(fù)責(zé)本端的負(fù)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(fù)荷母線為并列關(guān)系。① 降壓變電所為一所一室型式的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)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(fù)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(fù)荷的供電距離相對減小，可在一定程度上減少故障的機(jī)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。② 降壓變電所為一所一室型式的缺點(diǎn)，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(jī)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(jìn)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(jì)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 11所示。表11 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(yùn)營能耗。故選用一主所一跟隨所方式。 設(shè)計(jì)任務(wù) 本次設(shè)計(jì)主要對牽引降壓混合變電所的一次部分進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。通過對負(fù)荷資料的分析計(jì)算得到計(jì)算負(fù)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(jìn)行電氣主接線的設(shè)計(jì)；根據(jù)電氣主接線進(jìn)行短路計(jì)算得出各短路點(diǎn)的短路電流；根據(jù)短路電流等來選擇一次設(shè)備；最后進(jìn)行防雷、接地、消防等基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)。2 變電所的設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)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(fù)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(jì)是地鐵配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中比較重要的一環(huán)。 設(shè)計(jì)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(jì)以蘇州軌道交通2號線延伸線作為參考，所以本次設(shè)計(jì)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(dú)立的電源進(jìn)線，進(jìn)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(dú)立系統(tǒng)，便于管理和運(yùn)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(dú)立配電網(wǎng)絡(luò)和牽引—降壓混合配電網(wǎng)絡(luò)兩種形式。 牽引—降壓獨(dú)立配電網(wǎng)絡(luò)牽引—降壓獨(dú)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(dú)立的中壓網(wǎng)絡(luò)形式。對于牽引—降壓獨(dú)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(yùn)行時該開關(guān)分?jǐn)?，形?0kV開口雙環(huán)網(wǎng)供電形式。圖21 牽引—降壓獨(dú)立配電網(wǎng)絡(luò) 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(dāng)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22 牽引—降壓混合配電網(wǎng)絡(luò) 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(jìn)行綜合考慮，由于本次設(shè)計(jì)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(jì)方案。3 負(fù)荷計(jì)算地鐵變電所的實(shí)際負(fù)荷并不等于所有用電設(shè)備的額定功率總和。因?yàn)橛秒娫O(shè)備不可能全部同時工作，各臺設(shè)備也不可能全部滿負(fù)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(jì)過程中，必須找出這些用電設(shè)備的等效負(fù)荷。所謂 “等效” 就是這些用電設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中所產(chǎn)生的最大熱效應(yīng)和等效負(fù)荷產(chǎn)生的熱效應(yīng)相等，產(chǎn)生的最大溫升和等效負(fù)荷產(chǎn)生的最大溫升相等。按照等效負(fù)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(jì)算的負(fù)荷功率或負(fù)荷電流稱為“計(jì)算負(fù)荷”。計(jì)算負(fù)荷必須確當(dāng)，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(yùn)行條件，甚至引起線路失火，造成重大事故。如果計(jì)算負(fù)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(fèi)。因此，要正確合理地對地鐵的配電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，負(fù)荷計(jì)算是至關(guān)重要的一環(huán)。 地鐵負(fù)荷分類地鐵動力、照明負(fù)荷按其重要性，分為一、二級及三級負(fù)荷。一級負(fù)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(shí)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(jī)、風(fēng)閥等、消防電源、兼作緊急疏散的自動扶梯等。二級負(fù)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(jī)、自動扶梯、直升電梯、正常照明、區(qū)間維修電源等。三級負(fù)荷由降壓變電所三級負(fù)荷母線提供一路電源，當(dāng)變電所只有一路電源時必須切除，如廣告照明、冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、清潔設(shè)備、電熱設(shè)備等。 地鐵負(fù)荷計(jì)算方法在地鐵變電所負(fù)荷計(jì)算常用的方法有三種，即單位指標(biāo)法、需要系數(shù)法、二項(xiàng)式系數(shù)法。 單位指標(biāo)法(1) 單位指標(biāo)法的計(jì)算公式單位指標(biāo)法是以單位建筑面積負(fù)荷密度乘以建筑面積，其公式如下： （31）式中，—有功計(jì)算負(fù)荷，kW； —建筑單位面積負(fù)荷密度，； S—建筑面積，m2。在方案設(shè)計(jì)階段多采用單位指標(biāo)法。(2) 各類建筑物的單位指標(biāo)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(biāo)可從現(xiàn)有的電氣設(shè)計(jì)手冊中查到，如表31所示。表31 各類建筑物單位指標(biāo)建筑類別 單位（W/m2）建筑類別單位指標(biāo)（W/m2）辦公40～80 中小學(xué)12～20公寓30～50醫(yī)院40～70旅館40～70高校20～40商業(yè)一般：40～80展覽館50～80大中型：70～130體育40～70演播室250～500劇場50～80汽車庫5～18 需要系數(shù)法(1) 需要系數(shù)法的計(jì)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(jì)算負(fù)荷[4]。其公式如下： （32）式中，—有功計(jì)算負(fù)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(yàn)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(jì)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(fù)荷計(jì)算。民用建筑的負(fù)荷大都采用需要系數(shù)法進(jìn)行計(jì)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(jì)手冊中查到，如表32所示。表32 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～醫(yī)院～辦公～高?！虡I(yè)～綜合樓～體育～餐飲～劇場～加工業(yè)～ 二項(xiàng)式系數(shù)法由于需要系數(shù)法沒有考慮在同一組負(fù)荷中一些容量特別大的設(shè)備，所以對負(fù)荷計(jì)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(xiàng)式系數(shù)法。其公式如下： （33）式中，—有功計(jì)算負(fù)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(xiàng)式系數(shù)。由于二項(xiàng)式系數(shù)法即考慮了設(shè)備組的平均負(fù)荷，又考慮了設(shè)備組中幾