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1、1城市轨道交通供电系统的中压网络研究摘要：本文从城市轨道交通供电系统的功能、构成、以及系统的外部电源方案等方面对城市轨道交通供电系统进行了简述。在此基础上引入了城市轨道交通供电系统中压网络的概念，中压网络有两大属性：一是电压等级，二是构成形式。同时结合国家中压配电现状及发展趋向、国内城市轨道交通中压网络现状及发展思路、以及不同电压等级的中压网络的特点，对中压网络的电压等级的特点进行了综合比较，并对其构成进行了系统分析。最后提出了一种新型接线方式-20kV 牵引动力照明混合网络。 关键词：牵引动力照明混合网络 城市轨道交通 供电系统 中压网络 一、供电系统的简介及中压网络的概念1、城市轨道交通供
2、电系统的功能城市轨道交通供电系统，担负着运行所需的一切电能的供应与传输，是城市轨道交通安全可靠运行的重要保证。城市轨道交通的用电负荷按其功能不同可分为两大用电群体。一是电动客车运行所需要的牵引负荷，二是车站、区间、车辆段、控制中心等其他建筑物所需要的动力照明用电，诸如：通风机、空调、自动扶梯、电梯、水泵、照明、AFC 系统、FAS、BAS、通信系统、信号系统等。2在上述用电群体中，有不同电压等级直流负荷、不同电压等级交流负荷；有固定负荷、有时刻在变化的运动负荷。每种用电设备都有自己的用电要求和技术标准，而且这种要求和标准又相差甚远。城市轨道交通供电系统就是要满足这些不同用户对电能的不同需求，以
3、使其发挥各自的功能与作用。保证电动客车畅行，安全、可靠、迅捷、舒适地运送乘客，是供电系统的根本目的。2、供电系统的构成根据功能的不同，对于集中式供电，城市轨道交通供电系统可分成以下几部分：外部电源、主变电所、牵引供电系统、动力照明配电系统、电力监控(SCADA)系统。对于分散式供电，城市轨道交通供电系统则可分成以下几部分：外部电源、(电源开闭所)、牵引供电系统、动力照明配电系统、电力监控(SCADA)系统。牵引供电系统，又可分成牵引变电所与牵引网系统。动力照明配电系统，又可分成降压变电所与动力照明。但在进行初步设计与施工设计时，为便于设计管理，供电系统往往被划分成：系统设计；主变电所设计；牵引
4、变电所(或牵引降压混合变电所)及降压变电所设计；牵引网设计；电力监控系统设计；杂散电流腐蚀防护设计(注：动力照明随同土建一起设计)。3、外部电源方案城市轨道交通系统的外部电源方案，根据城市电网构成的不同特点，可采用集中式、分散式、混合式等不同形式。3(1)确定外部电源方案的原则城市轨道交通作为城市电网的特殊用户，一般用电范围多在 10km30km 之间。城市轨道交通系统的外部电源方案，主要有集中式、分散式、混合式等不同形式。究竟采用何种方式，应通过计算确定需要负荷之后，根据城市轨道交通路网规划、城市电网构成特点、工程实际情况综合分析确定。(2)集中式供电在城市轨道交通沿线，根据用电容量和线路长
5、短，建设专用的主变电所，这种由主变电所构成的供电方案，称为集中式供电。主变电所进线电压一般为 110kV，经降压后变成 35kV 或 10kV，供牵引变电所与降压变电所。主变电所应有两路独立的进线电源。集中式供电，有利于城市轨道交通供电形成独立体系，便于管理和运营。上海、广州、南京、香港、德黑兰地铁等即为集中式供电方案。(3)分散式供电根据城市轨道交通供电的需要，在地铁沿线直接由城市电网引入多路电源，构成供电系统，称为分散式供电。这种供电方式一般为 10kV 电压级。分散式供电要保证每座牵引变电所和降压变电所均获得双路电源，要求城市轨道交通沿线有足够的电源引入点及备用容量。建设中的沈阳地铁、长
6、春轻轨、大连轻轨、北京城铁、北京八通线、北京地铁 5 号线等即为分散式供电方案。(4)混合式供电4将前两种供电方式结合起来，一般以集中式供电为主，个别地段引入城市电网电源作为集中式供电的补充，使供电系统更加完善和可靠。这种方式称为混合式供电。北京地铁一线和环线、建设中的武汉轨道交通工程、青岛地铁南北线工程等即为混合式供电方案。通过中压电缆，纵向把上级主变电所和下级牵引变电所、降压变电所连接起来，横向把全线的各个牵引变电所、降压变电所连接起来，便形成了中压网络。根据网络功能的不同，把为牵引变电所供电的中压网络，称为牵引网络；同样，把为降压变电所供电的中压网络称为动力照明网络。中压网络有两大属性：
7、一是电压等级，二是构成形式。中压网络不是供电系统中独立的子系统，但是它却是供电系统设计的核心内容。它的设计牵扯到外部电源方案、主变电所的位置及数量、牵引变电所及降压变电所的位置与数量、牵引变电所与降压变电所的主接线等。二、中压网络的电压等级1、国家中压配电现状及发展趋向我国现行中压配电标准电压等级有：66kV、35kV、10kV。随着城乡电气化事业的发展，只有一种 10kV 作为中低电压的分界，显然已不能满足城乡配电网发展要求。我国第一个 20kV 一次配电的供电区，已经于 1996 年 5 月在苏州工业园区投入运行。从前一段运行情况来看，其线损率大大低于 10kV 系统。5对于农村电网，从电
8、源电压直接送到中压一次配电层，形成高压电源层中压一次配电层低压户内三级配电，可以简化电网、降低造价、减少线损、利于发展。采用 20kV 作为中压一次配电层，功能上可以替代 35kV 与 10kV 两个配电层，而造价上则与 10kV 设备差异不大。由此可见，20kV 电压等级的这种特点，也适合于高密度负荷地区的城市电网。例如：早在 1999 年中电联供电分会发表的“北京电网实施城网建设和改造的规划原则”中表明：北京市区内电压等级按500kV、220kV、110kV、10kV(20kV)设计，其中新建开发区可选 20kV 电压等级。2、国内城市轨道交通中压网络现状及发展思路以往，因国家城乡电网中没
9、有采用 20kV 这一电压等级，相应的开关柜等20kV 设备，也没有跟上发展。在这样的大环境下，要在城市轨道交通工程中使用20kV 电压级，是比较困难和不现实的。因而，国内既有城市轨道交通的中压网络电压等级采用了 35kV(若采用国外设备则是 33kV)或 10kV。北京地铁、天津地铁、长春轨道交通环线一期工程、大连快速轨道交通 3 号线的中压网络为 10kV；上海地铁 1、2 号线的牵引网络采用了 33kV，动力照明网络采用了 10kV；上海地铁明珠线的牵引网络采用了 35kV，动力照明网络采用了 10kV；广州地铁 1、2 号线采用了 33kV 的牵引动力照明混合网络；南京地铁南北线一期工
10、程、深圳地铁采用了 35kV 的牵引动力照明混合网络；武汉轨道交通一期工程、重庆轨道交通较新线工程采用了 10kV 的牵引动力照明混合网络。然而，随着城乡电力消费的增长，发展城乡 20kV 配电网已提到议事日程上来。20kV 是目前公认的具有发展前景的优选电压级。20kV 开关柜、变压器、电力电缆6等一系列设备，也完全实现了国产化。近年已颁布的国家标准 GB15693 中表明，20kV 也是可使用的电压级。另外，已经完成送审稿的地铁设计规范中规定：地铁中压网络的电压等级可采用35kV(33kV)、20kV、10kV。因此，在我国城乡电网及 20kV 设备这个大环境，已经发生变化的情况下，在城市
11、轨道交通中压网络的电压等级选用上，也应该拓宽思路，认真比较，优化选用。换言之，不能仅局限于以往的 35kV(33kV)和 10kV 框框，应该认识到，20kV 也是可用的，并已成为一个备选电压级。这是因为：城市轨道交通供电系统，尤其是集中式供电系统，与其他公用用户相比，相对独立，自成系统。无论从施工建设，还是运营管理、养护维修等均相对独立。从这个角度来说，城市轨道交通中压网络的电压等级不一定与外部电网电压等级相一致。实际上，上海地铁、广州地铁，已采用了国外的 33kV 设备，而我国电压等级是 35kV，并非33kV。另外，象南京地铁、深圳地铁采用的 35kV，也是这两座城市市区电网所要取消的电
12、压级。换言之，在城市轨道交通中压网络电压等级与外部市网电压等级的关系上，是采用 35kV 还是采用 33kV 或者 20kV，其性质和概念上是一样的。3、不同电压等级的中压网络的特点(1)35kV 中压网络，国家标准电压级。输电容量较大、距离较长；设备来源国内；设备体积较大，占用变电所面积较大，不利于减小车站体量；设备价格适中；国内没有环网开关，因而不能用(相对于断路器柜)价格较便宜的环网开关，构成接线与保护简单、操作灵活的环网系统；广州地铁、上海地铁已经采用。(2)33kV 中压网络，国际标准电压级。输电容量较大、距离较长，基本与 35kV 一7致；设备来源国外，不利于国产化；国外开关设备体
13、积较小、价格较高，广州、上海地铁已经采用；国外 CGIS 产品有环网单元。(3)20kV 中压网络，国际标准电压级。输电容量及距离适中，比 10kV 系统大。设备完全实现国产化；引进 MG、ALSTHOM 等技术的开关设备，体积较小，占用变电所面积远小于国产 35kV 设备，有利减小车站体量，节省土建投资；价格适中；有环网单元，能构成接线与保护简单、操作灵活的环网系统；国内地铁尚没有采用，但国外地铁多有采用。(4)10kV 中压网络，国家标准电压级。输电容量较小、距离较短；设备来源国内；设备体积适中；设备价格较低；环网开关技术成熟、运营经验丰厚，可用其构成保护简单、操作灵活的环网系统；国内外地
14、铁广为采用。4、不同电压等级的中压网络的综合比较三、中压网络的构成1、概述对于集中式外部电源方案，牵引网络和动力照明网络，可以采用相对独立的形式，即牵引动力照明独立网络，也可以共用同一个中压网络，即牵引动力照明混合网络。对于分散式外部电源方案，采用牵引动力照明混合网络。牵引动力照明独立网络的特点：牵引网络与动力照明网络，两者相对独立、相互影响较小；35(33)kV 较高的电压级与较重的牵引负载相适用，而 10kV 较低的电压级则与较小的动力照明负荷相适用。8牵引动力照明混合网络的特点：供电系统的整体性比较好，设备布置可以统筹考虑。牵引网络与动力照明网络，可以采用同一个电压级，也可以采用两个不同
15、电压级。目前，我国城市轨道交通工程有的采用了牵引动力照明混合网络，有的则采用了牵引动力照明独立网络；国外有的地铁采用了牵引动力照明独立网络。2、中压网络的构成原则(1)满足安全可靠的供电要求；(2)满足潮流计算要求，即设备容量及电压降要满足要求；(3)满足负荷分配平衡的要求；(4)满足继电保护的要求；(5)满足运行管理、倒闸操作的要求；(6)每一个牵引变电所、降压变电所均应有两路电源；(7)系统接线方式尽量简单；(8)供电分区应就近引入电源，必要时可从负荷中心处引入电源，尽量避免返送电；(9)全线牵引变电所、降压变电所的主接线尽量一致；9(10)满足设备选型要求。3、集中式外部电源方案下的中压
16、网络构成(1)独立 35(33)kV 牵引网络独立 10kV 动力照明网络的接线方式1)35(33)kV 牵引网络的接线方式当中压网络为两个不同电压级时，35(33)kV 牵引网络的常用接线方式，如插图一所示。这些基本接线方式可以分成 A、B、C、D 四种类型。lA 型：牵引变电所主接线为单母线；牵引变电所的进线与出线，均采用断路器；牵引变电所的两路电源，来自于同一个主变电所的不同母线；该类型接线适用于位于线路起始部分、线路终端部分、主变电所附近的牵引变电所电源引入。lB 型：牵引变电所主接线为单母线；牵引变电所的进线与出线，均采用断路器；两个牵引变电所为一组；这一组牵引变电所的两路电源，来自于同一个主变电所的不同母线，每个牵引变电所均从主变电所接入一路主电源，两个牵引变电所通过联络电缆实现电源互为备用；该类型接线适用于位于线路起始部分、线路终端部分的牵引变电所电源引入。lC 型：牵引变电所主接线为单母线；牵引变电所的进线与出线，均采用断路器；两个牵引变电所为一组；这一组牵引变电所的两路电源，来自于不同的主变电所，左侧牵引变电所从左侧主变电所接入一路主电源，右侧牵引
