【文章內(nèi)容簡介】 視在功率 綜合功率因數(shù) 無功功率補(bǔ)償，地鐵動力設(shè)備中有大量的風(fēng)機(jī)、水泵、電梯，因此導(dǎo)致整個配電系統(tǒng)的功率因素較低。功率因素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。因此，采用無功補(bǔ)償、提高功率因素是必不可少的。一般在地鐵降壓變電所采用低壓集中自動補(bǔ)償方式，對系統(tǒng)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償。 無功補(bǔ)償原理圖 無功補(bǔ)償矢量圖補(bǔ)償容量可按下式求得： ()式中，—補(bǔ)償容量，kVar；—有功功率之和，kW；—補(bǔ)償前功率因數(shù)角正切值；—補(bǔ)償后功率因數(shù)角正切值；、均為已知，經(jīng)計(jì)算=300kVar。目前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(diǎn)，如國產(chǎn)型號主要有BMMJ型，進(jìn)口產(chǎn)品有ABB公司的CLMD型等。CLMD型電容器更具有高容量和放電速度快的特點(diǎn)，單臺容量可達(dá)83kVar，放電速度可在斷開電源一分鐘后端電壓下降到50V[6]。 配電變壓器選擇《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB501572003)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(yùn)行時，另一臺配電變壓器能負(fù)擔(dān)供電范圍內(nèi)遠(yuǎn)期的一、二級負(fù)荷”[7] 。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(jì)算負(fù)荷選擇容量。在進(jìn)行變壓器容量計(jì)算時，還應(yīng)考慮參差系數(shù)，計(jì)算公式如下： () ()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(jì)算有功功率之和，kW；— 一、二級計(jì)算無功功率之和，kVar；—有功參差系數(shù)，～；—無功參差系數(shù)，～。這里取=，=，而、在表27中已經(jīng)求出(還應(yīng)計(jì)入無功補(bǔ)償容量)，、：===1017kVA單臺變壓器運(yùn)行時負(fù)載率＜100%，因此選用標(biāo)稱容量=1250kVA的變壓器，其負(fù)載率為81%。上面選擇變壓器容量時未考慮三級負(fù)荷，因此還需根據(jù)三級負(fù)荷對變壓器容量進(jìn)行校驗(yàn)如下： 正常運(yùn)行過程時，兩臺配電變壓器同時運(yùn)行，共同承擔(dān)一、二、三級負(fù)荷。因此正常運(yùn)行時配電變壓器總?cè)萘繛?500kVA，在不考慮參差系數(shù)的情況下，配電變壓器負(fù)載率為70%。因此無論在兩臺配電變壓器同時運(yùn)行，還是任意一臺因故退出運(yùn)行，均能夠滿足供電要求。單臺變壓器運(yùn)行時負(fù)載率＜100%，因此選用標(biāo)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(jī)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(hù)工作量和增強(qiáng)安全性，同時環(huán)氧樹脂干式變壓器較好的超銘牌運(yùn)行能力和抗短路能力，將給安全供電帶來可靠的保證。 地鐵的單位容量指標(biāo)和需要系數(shù) 地鐵的單位容量指標(biāo)，地鐵延吉中路車站降壓變電所配備兩臺1250kVA配電變壓器，裝機(jī)總?cè)萘繛?500kVA；該站總建筑面積為19372m2，扣除折返線建筑面積7530m2，有效建筑面積為11842 m2。因此該地鐵站的單位容量指標(biāo)（裝機(jī)密度）為211VA/ m2， VA/ m2 接近。 地鐵的需要系數(shù)，可知地鐵延吉中路車站動力、動力、 。，～。通過對上海地鐵M8線延吉中路車站的負(fù)荷計(jì)算得出了單位容量指標(biāo)和需要系數(shù)。對于其他地鐵車站，可以借鑒該站的數(shù)據(jù)或本文提出的建議值進(jìn)行設(shè)計(jì)。3 地鐵總體配電方案的工程設(shè)計(jì) 地鐵供電系統(tǒng)概述地鐵的用電負(fù)荷按其功能不同可分為兩大類，一是電動機(jī)車運(yùn)行所需要的牽引電力，二是車站、區(qū)間、車輛段、控制中心等建筑物所需要的動力照明用電，如風(fēng)機(jī)、空調(diào)、水泵、電梯、照明、BAS、FAS、AFC、通信、信號、屏蔽門等。地鐵供電系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著地鐵運(yùn)行所需電能的傳輸與供應(yīng)，是地鐵安全、可靠運(yùn)行的重要保證。地鐵供電系統(tǒng)由外部電源、主變電所（或電源開閉所）、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)，可采用集中式、分散式、混合式等形式，外部電源的電壓等級一般為110kV或10kV。主變電所適用于集中式供電，電源開閉所適用于分散式供電。地鐵集中式供電系統(tǒng)主接線圖如附圖A所示。牽引供電系統(tǒng)包括牽引變電所和接觸網(wǎng)系統(tǒng)，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)。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[8]。電力監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）由設(shè)在地鐵中央控制室的電力調(diào)度中心（主站）、設(shè)在各變電所自動化系統(tǒng)（子站）及通信通道組成，擔(dān)負(fù)著全線供電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控任務(wù)[9]。 地鐵中壓配電網(wǎng)絡(luò)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)），有位降壓變電所供電（即降壓配電網(wǎng)絡(luò)）。本文只討論為降壓變電所供電的降壓配電網(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)。 集中供電方式根據(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。上海軌道交通M8線一期工程即為集中式供電方案。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。(1) 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 集中式供電、降壓獨(dú)立配電網(wǎng)絡(luò)(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(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 集中式供電、牽引—降壓混合配電網(wǎng)絡(luò) 分散供電方式根據(jù)城市電網(wǎng)的特點(diǎn)，在地鐵沿線直接由城市電網(wǎng)引入多路電源構(gòu)成的供電形式，稱為分散式供電。這種供電方式的電壓一般為10kV，要求地鐵沿線有足夠的電源引入點(diǎn)及備用容量。中壓配電網(wǎng)絡(luò)適宜采用牽引降壓混合網(wǎng)絡(luò)，基本的接線方式有以下四種。(1) 全線的牽引—降壓混合變電所、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)均從城市電網(wǎng)就近引入兩路10kV電源，兩路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)變電所的不同母線；中壓配電網(wǎng)絡(luò)采用雙環(huán)網(wǎng)接線方式；兩個相鄰分區(qū)之間通過兩路環(huán)網(wǎng)電纜聯(lián)絡(luò)。 圖 分散式供電、牽引—降壓混合配電網(wǎng)絡(luò)（接線方式一）(2) 全線的牽引—降壓混合變電所，每兩個分成一組。每一組均從城市電網(wǎng)引入兩路來自不同地區(qū)變電所的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—降壓混合變電所之間設(shè)雙路聯(lián)絡(luò)電纜，實(shí)現(xiàn)電源互為備用；相鄰兩組牽引—降壓混合變電所之間設(shè)單路聯(lián)絡(luò)電纜，增加系統(tǒng)的供電可靠性；無牽引變電所的車站，其降壓變電所的10kV電源可由相鄰牽引—降壓混合變電所的兩段10kV母線提供。該方式要求每組牽引—降壓混合變電所從城市電網(wǎng)引來的兩路10kV電源應(yīng)來自不同地區(qū)變電所，以增加供電的可靠性。圖 分散式供電、牽引—降壓混合配電網(wǎng)絡(luò)（接線方式二）(3) 全線除末端牽引降壓混合變電所從城市電網(wǎng)直接引入兩路10kV電源以外，其余牽引—降壓混合變電所均從城市電網(wǎng)引入一路10kV電源，這路電源既是本變電所的主電源，又是相鄰變電所的備用電源，也就是說，變電所的主電源直接來自城市電網(wǎng)的10kV電源，而備用電源則來自于相鄰變電所。換而言之，當(dāng)前變電所的主電源直接來自城市電網(wǎng)的10kV電源，而備用電源則來自于下一個變電所。依次類推，最末端變電所則需要從城市電網(wǎng)各引入兩路10kV電源。無牽引變電所的車站，其降壓變電所的10kV電源可由相鄰牽引—降壓混合變電 所的兩段10kV母線提供。該方式中N+1路10kV電源為N個牽引降壓混合變電所供電，相鄰變電所間只有一路聯(lián)絡(luò)電源。該方式要求這些城市電網(wǎng)引來的10kV電源應(yīng)來自不同地區(qū)變電所，以增加供電的可靠性。圖 分散式供電、牽引—降壓混合配電網(wǎng)絡(luò)（接線方式三）(4) 全線設(shè)有若干座電源開閉所，每座開閉所由城市電網(wǎng)的不同地區(qū)變電所引來兩路10kV電源，開閉所可以與車站變電所合建。全線的牽引—降壓混合變電所、降壓變電所被分成若干個分區(qū)，每個分區(qū)一般不超過 4個車站，每個分區(qū)由一個電源開閉所供電。在兩個相鄰電源開閉所之間，設(shè)置起聯(lián)絡(luò)作用的牽引—降壓混合變電所，其電源分別來自其兩側(cè)的電源開閉所，并通過在這種變電所的母線段上設(shè)置與電源開閉所間的專用聯(lián)絡(luò)電纜，將相鄰的兩個電源開閉所聯(lián)系起來。對于無聯(lián)絡(luò)功能的變電所，其電源來自就近的電源開閉所。該接線方式比較復(fù)雜，為同一電源開閉所供電的兩路市網(wǎng)10kV電源，最好來自于不同的地區(qū)變電所。圖 分散式供電、牽引—降壓混合配電網(wǎng)絡(luò)（接線方式四） 混合供電方式將集中式供電與分散式供電結(jié)合起來構(gòu)成的供電方式稱為混合式供電。這種方式一般以集中式供電為主，個別地段引入城市電網(wǎng)電源作為集中式供電的補(bǔ)充，使中壓配電網(wǎng)絡(luò)更加完善和可靠。北京地鐵環(huán)線、武漢輕軌等即為混合式供電方案。以上述及的只是地鐵中壓配電網(wǎng)絡(luò)的幾種基本形式，其中每一種形式又可以有多種不同的變化。對于大城市尤其是特大城市，軌道交通的遠(yuǎn)期建設(shè)將成網(wǎng)絡(luò)狀，因而地鐵中壓配電網(wǎng)絡(luò)方案的確定，不應(yīng)局限在某一種方式上，而應(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[10]。 降壓變電所 降壓變電所的設(shè)置與形式眾所周知，低壓供電半徑相對較小。為滿足《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB501572003)中規(guī)定的“末端設(shè)備電壓偏差允許值（以額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示）為177。5%”的要求，降壓變電所的設(shè)置必須遵循靠近車站負(fù)荷中心的基本原則。在此前提下，根據(jù)不同的地鐵車站，降壓變電所可以采用多種型式。(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(jià)。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(jià)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