【文章內(nèi)容簡介】 ................................................................................................. 43 致謝 ..................................................................................................................................... 44 附錄 ..................................................................................................................................... 45 附錄 A 英漢翻譯 ....................................................................................................... 45 附錄 B 設(shè)計圖紙 ....................................................................................................... 57 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 1 第 1 章 概論 地鐵牽引供電系統(tǒng)設(shè)計的背景和意義 進入 21 世紀以來，隨著我國大城市交通問題的不斷突出，優(yōu)先發(fā)展公共交通，大力發(fā)展城市軌道交通已成為城市交通發(fā)展的必然選擇。 交通運輸是城市基本職能和物質(zhì)基礎(chǔ)的重要組成部分 , 城市發(fā)展與城市交通運輸具有相輔相成、相互制約的密切關(guān)系。交通運輸決定了城市的形成和發(fā)展 , 在城市形成之后 , 則要求交通技術(shù)水平與城市發(fā)展相適應(yīng)。 目前，我國城市軌道交通建設(shè)已進入了大規(guī)模高速發(fā)展期，國內(nèi)現(xiàn)有 30 多個城市正在建設(shè)或規(guī)劃籌建城市軌道交通 工程，北京、上海、廣州等特大城市正在逐步形成城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)。 十二五 ” 時期是我國深化改革開放、加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式的攻堅時期，其經(jīng)濟發(fā)展方式將從投資拉動向注重投資效益轉(zhuǎn)變，更加注重科學(xué)發(fā)展。構(gòu)建以軌道交通為骨干、道路公交為主體、多種交通方式協(xié)調(diào)發(fā)展的 多層次、多功能、多類型的城市交通綜合體系， 已納人許多城市綜合交通規(guī)劃之中 。 地下鐵道，簡稱地鐵，是線路的大部分建筑物在地下，作為大運量軌道交通手段的城市高速鐵道的總稱，其非常適合于城市內(nèi)市區(qū)及老城區(qū)建設(shè)。其特點是在市內(nèi)地下通行，不占用地表及地上空間，運營干擾小 ，輸送能力大，每小時運量達 30000～60000 人，但造價比較昂貴。 1863 年，世界上最初的地鐵在倫敦開通，全長 6km。 1969年 10 月，我國在北京建成了第一條地鐵，即北京地鐵第一期工程投入試運營，也是我國自行設(shè)計、建設(shè)的第一條地下鐵道。 十二五 期間北京地鐵運營總里程將 由 392公里 達 600 公里以上 ，到 2020 年北京地鐵將建成 30 條線路總長 1050 公里，形成“中心城棋盤式 +新城放射式”的線網(wǎng)格局。同時，北京地鐵的滿載率和單車運行均居世界第一。 城市軌道交通 供電系統(tǒng) ，負責(zé)為電動列車提供牽引電源和為各種運營設(shè)備 提供動力照明電源 。沒有供電系統(tǒng)的可靠安全供電，就不可能有城市軌道交通的正常運行。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)。地鐵列車是電力牽引的電動列車 ， 其動力就是 牽引供電系統(tǒng)提供的 電能 ， 在地鐵運營中，供電一旦中斷， 將 危及旅客生命安全 并 造成財產(chǎn)損失。 因此，地鐵牽引供電系統(tǒng)的研究對于地鐵的發(fā)展有著極其重要的意義。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 2 供電系統(tǒng)的功能 及要求 系統(tǒng)的總體功能 地鐵供電系統(tǒng)應(yīng)具備安全可靠、經(jīng)濟適用、調(diào)度方便的特點，其總體功能 包括：供電服務(wù)功能 、 故障自救功能 、 自我保護功能 、 防誤操作功能 、 便于調(diào)度功能 、 控制、顯示和計量功能 、 電磁兼容功能 。 系統(tǒng)的基本要求 地鐵供電系統(tǒng)應(yīng)滿足安全性、可靠性、適用性、經(jīng)濟性、先進性的基本要求。 地鐵四號線除安河橋北站、龍背村停車場和馬家堡車輛段外全線均為地下隧道和車站，電能傳輸是保證地下鐵道安全運營的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。運轉(zhuǎn)良好的供電系統(tǒng)一方面可以保證地下鐵道內(nèi)電動車輛暢通無阻；另一方面可以保證乘客在旅行中有良好的乘車環(huán)境和秩序。整個地鐵四號線是一個多層次的用電整體，用電設(shè)備有不同的電壓等級，不同的電 壓制式；用電負荷有固定的容量，也有隨車輛運動而變化的容量。供電系統(tǒng)就是要充分地滿足這些不同設(shè)備的用電需求，確保電源的供電容量、電壓質(zhì)量和功率因數(shù)。因此，供電系統(tǒng)是地鐵四號線需用能源的基礎(chǔ)設(shè)施之一。 地鐵四號線供電系統(tǒng)，不論怎樣構(gòu)成，選用什么設(shè)備首先要考慮的是安全性和可靠性，雙電源是構(gòu)成供電系統(tǒng)的重要原則。牽引變電所和降壓變電所采用雙電源雙機組、牽引網(wǎng)雙邊供電；動力照明中一 級 負荷采用雙電源。因此，不論發(fā)生任何一種故障，供電系統(tǒng)本身都具有備用措施，用以保證地鐵正常運行不受影響。 供電系統(tǒng)各級繼電保護應(yīng)具備完整的 相互協(xié)調(diào)配合的保護措施，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，只切除故障部分的設(shè)備。系統(tǒng)中的各級保護應(yīng)滿足可靠性、速動性、選擇性和靈敏性的要求。系統(tǒng)中任何一個環(huán)節(jié)的操作都應(yīng)有相應(yīng)的聯(lián)鎖，不允許誤操作而導(dǎo)致發(fā)生故障。牽引變電所、降壓變電所采用全所綜合自動化，通過遙控、遙測、遙信的SCADA 系統(tǒng)，在控制中心內(nèi)實現(xiàn)全線集中控制、監(jiān)視測量，并具備根據(jù)運行需要方便靈活地進行電力調(diào)度。逐步實現(xiàn)對部分現(xiàn)場設(shè)備進行遠方運行管理和變電設(shè)施無人值守的功能。 低壓用電設(shè)備采用集中和就地控制相結(jié)合的控制方式，各種電量自動采集，準確顯示。為便于對用電指 標進行經(jīng)濟分析，牽引用電、低壓設(shè)備用電和照明用電分別計量。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 3 供電系統(tǒng)的構(gòu)成 地鐵供電 系統(tǒng)的 電源 一般 取自 國家電力供電系統(tǒng) ，通過城市電網(wǎng)一次電力系統(tǒng)和地鐵供電系統(tǒng)實現(xiàn)輸送或變換，然后以適當?shù)碾妷旱燃壒┙o地鐵各類設(shè)備。根據(jù)用電性質(zhì)的不同，地鐵供電系統(tǒng)可分為 三 部分：由牽引變電所為主組成的牽引供電系統(tǒng) ，以降壓變電所為主組成的動力照明供配電系統(tǒng) 和中壓環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng) 。 牽引供電系統(tǒng) 牽引供電系統(tǒng) 是地鐵供電系統(tǒng)的核心，它的主要功能是將交流電壓經(jīng)降壓整流變成直流 1500V（接觸網(wǎng)）， 750V（三軌）， 提供地鐵車 輛的牽引動力電源，專為電動車輛服務(wù)。 它包括牽引變電所與牽引網(wǎng)。 牽引變電所可以分成正線牽引變電所、車輛段或停車場牽引變電所；正線牽引變電所又分為車站牽引變電所和區(qū)間牽引變電所。牽引變電所一般采用設(shè)備安裝在建筑物內(nèi)的形式，另外也有少量的箱牽引變電所。 牽引網(wǎng)包括接觸網(wǎng)和回流網(wǎng)。接觸網(wǎng)有架空接觸網(wǎng)和接觸軌兩種懸掛方式 。 供配電系統(tǒng) 動力照明供配電系統(tǒng)主要由降壓變電所、低壓母線排、配電設(shè)備、線纜、用電設(shè)備等組成。其功能是將交流中壓電壓降變成交流 220/380V 電壓，為地鐵機電設(shè)備提供動力電源和照明電源， 如車站和區(qū)間的動力、照明及其他為地鐵服務(wù)的自動化用電設(shè)施。 中壓網(wǎng)環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng) 地鐵供電電源通常取自城市電網(wǎng)，通過城市電網(wǎng)一次電力系統(tǒng)和地鐵供電系統(tǒng)實現(xiàn)輸送或變換，然后以適當?shù)碾妷旱燃壒┙o地鐵各類設(shè)備。在中壓網(wǎng)環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)就是指國家電網(wǎng)向城市軌道交通系統(tǒng)供電的方式。因此城市電網(wǎng)或區(qū)域電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)對地鐵供電系統(tǒng)起著決定性作用。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 4 第 2 章 地鐵 4 號線供電方案 電源系統(tǒng) 電源由城市電網(wǎng)引入，地鐵供電系統(tǒng)對于城市電網(wǎng)是特殊用戶，對地鐵的各類負荷又是電源。城市電網(wǎng)對地鐵的供電方式主要有 集中供電 、分散供電、混合供電 三種形式，究竟采用哪種供電方式，主要取決于城市電網(wǎng)的構(gòu)成、分布及電源的容量 。 地鐵 4 號線 供電方式 集中供電方式是指由專門設(shè)置的主變電所集中為牽引變電所及降壓變電所供電的外部供電方式 ，如圖 21 所示 。城市電網(wǎng)（通常是 110kV 或 63kV 電壓等級）向地鐵的專用主變電所供電，主變電所再向地鐵的牽引變電所和降壓變電所供電，地鐵自身組成完整的供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。主變電所應(yīng)有兩路獨立的電源。目前國內(nèi)采用集中供電方供電的城市 較多 。 集中供電方式又分為電源變電所和開閉所兩種方式。 電源變電所是將高壓或超高壓電源降壓為地鐵需要的中壓網(wǎng)絡(luò)電壓。建電源 變電所有利于地鐵運行管理和統(tǒng)一調(diào)度，地鐵可自行選擇適合地鐵需要的中壓網(wǎng)絡(luò)、電壓等級，而不受城市供電電壓等級的約束。另外，便于地鐵自行調(diào)整電壓水平和諧波治理，并能適應(yīng)今后電力行業(yè)改革的要求。建設(shè)電源變電所需加大投資，增加運行管理費用和管理難度，設(shè)備利用率較低。目前上海、廣州、重慶、天津、深圳、武漢等城市地鐵均采用此種供電方式。 開閉所是將城市配電電源集中分配給地鐵變電所的供電方式，不起降壓作用。 它有利于地鐵運行管理和統(tǒng)一調(diào)度，減少了投資和運行管理費用。但地鐵不能自行選擇中壓網(wǎng)絡(luò)電壓等級，不能調(diào)整中壓網(wǎng)絡(luò)和電壓水平。目前北京地鐵中的八通線、五號線、城市鐵路等線路采用的是此種方式，地鐵一號線、環(huán)線在 1998 年已將電源變電圖 21 集中供電方式示意圖 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 5 所改為開閉所方式。地鐵四號線擬采用此種方式。 北京地鐵 4 號線供電方案 根據(jù)地鐵四號線線路條件，從城市電網(wǎng)中的地區(qū)變電所提供 10kV 電源，在地鐵四號線建八座開閉所，具體方案如下： ，一旦出現(xiàn)故 障，勢必造成嚴重后果。因此，北 京供電局將其列入重要用戶（一級負荷）。 “將地鐵一期工程供電電壓由 35kV改為 10kV 供電的意見”，考慮到北京市區(qū)己經(jīng)取消 35kV 電壓的現(xiàn)狀，建議地鐵四號線供電電壓等級為 10kV。 、規(guī)劃方案和地鐵四號線的負荷分布，將其分為若干個供電區(qū)，每個區(qū)建設(shè)一座總配電室（開閉所與站內(nèi)混合變電所或降壓變電所合建），由地區(qū) 110kV 變電站提供雙路 10kV 電源。電源電纜輸送，正常情況負載率為 50%；相鄰兩座總配電室之間敷設(shè)聯(lián)絡(luò)線，容量可以滿足兩端 任一端全部負荷，以便在一個總配電室電源故障時承擔(dān)全部供電任務(wù)，不影響地鐵的 正常運行。 ① .馬家堡車輛段、公益西橋站、角門西站，擬由李窯 110kV 變電站提供雙路 10kV電源電纜線路，長度約 至公益西橋站開閉所，再由公益西橋站開閉所引出雙路10kV 電纜，長度約 至馬家堡車輛段變電所和角門西站變電所供電 。 ② .馬家堡 站、 北京南 站，擬由 開陽里 l10kV 變電站提供雙路 10kV 電纜線路，長度約 至 馬家堡 站開閉所，再自 馬家堡 站開閉所引出雙路 10kV 電纜，長度，至 北京南 站變電所供電 。 ③ .陶然亭站、菜市口站、宣武門站，擬由 大柵欄 110kV 變電站提供雙路 10kV電纜線路，長度約 ,至菜市口站開閉所，再自菜市口站開閉所引出雙路 10kV 電纜，長度 ，至宣武門站、陶然亭站變電所供電 。 ④ .西單站、靈境胡同站、西四站，擬由西單 110kV 變電站提供雙路 10kV 電纜線路，長度約 至西單站開閉所，再自西單站開閉所引出雙路 10kV 電纜，長度，至靈境胡同站、西四站變電所供電 。 ⑤ .平安里、新街口、西直門站 、動物園站 ，擬由新街口 110kV 變電站提供雙路10kV 電纜線路，長度約 至新街口站開閉所，再自新街口站開閉所引出雙路 10kV電纜，長度 ，分別至平安里站、西直門站 、動物園站 變電所供電 。 ⑥ .國家圖書館 站、 魏公村 站、 人民大學(xué) 站，擬由動物園 110kV 變電站提供雙路10kV 電纜線路，長度約 至 國家圖書館 站開閉所，再自 國家圖書館 站開閉所引石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 6 出雙路 10kV 電纜，長度 ，至 魏公村 站、 人民大學(xué) 站變電所供電 。 ⑦ .黃莊站、中關(guān)村站、 北京大學(xué)東門 站、圓明園站，擬由 蘇州街 110kV 變電站提供雙路 10kV 電纜線路，長度約 至中關(guān)村站開閉所，再自 中關(guān)村站開閉所引出雙路 10kV 電纜，長度 ，至黃莊站、 北京大學(xué)東門 站、圓明園站變電所供電 。 ⑧ .西苑 站、北宮門站、 安河橋北 站及龍背村停車場，擬由青龍橋 110kV 變電站提供雙路 10kV 電纜線路，長度約 至 安河橋北 站開閉所，再由 安河橋北 站開閉所引出雙路 10kV 電纜，長度約 ，分別至 西苑 站、北宮門站變電所及龍背村停車場變電所供電 。 供電系統(tǒng)基本運行方式 (1)正常運行方式供電系統(tǒng)正常運行的前提條件是保證所有地鐵車輛和電氣設(shè)備的用電要求。整個系統(tǒng)處在最經(jīng)濟、最合理的運行狀態(tài)，各種消耗、 損失最小，運營成本最低。各種供電設(shè)備都處在良好的運行狀態(tài)，供電系統(tǒng)有相應(yīng)的備用能力。四號線的正常運行方式是各變電所 兩 路進線電源同時投入， 兩 臺牽引機組實行雙邊供電；兩 臺動力變壓器分段運行。 (2)正常運行且有計劃的進行設(shè)備檢修運行方式 供電系統(tǒng)的部分供電設(shè)備需要正常檢修、維護和保養(yǎng)。此時部分供電設(shè)備退出運行，處在停電狀態(tài)，供電系統(tǒng)靠備用能力維持地鐵的正常運行。如一路電源停用時由聯(lián)絡(luò)電源供電，一臺牽引機組或一路 750V 開關(guān)停用時仍維持雙邊供電。一臺動力變