城市轨道交通主降压变电所主接线的设计



城轨主降压变电所主要给牵引变电所和降压变电所供电，对地铁的正常运营具有很重要的作用。在我国加快地铁工程建设，解决公共交通问题的背景下，研究地铁主降压变电所主接线的工程设计，具有十分的重要意义。

首先，本文研究了主变电所主接线的选择问题，按照主变电所主接线的行业共识分别提出了高压侧和中压侧的主接线设计方案，通过对比分析，在满足可靠性、灵活性和经济性的要求下确定了主接线的设计方案。其次，根据主变电所的容量要求和变压器的发展，完成变压器台数和型号的选择。接着，将电力系统原始网络图用标幺值法转换，画出其等值电路图，并且按照方便电气设备选择和校验的原则选择短路点，进行短路容量的计算。最后，根据短路电流的计算结果和我国电气设备的发展情况，进行电气设备的选择。根据主接线确定的方案和电气设备的选择结果，利用CAD软件画出主接线图，按照国标规定、电气设备的尺寸和主变电所实际情况进行电气设备的布置，画出了平面布置图和断面图。

关键词：主接线；变压器；短路容量

Abstract

The main subway Step-down Substation mainly supply power to Traction Substation and Step-down Substation, it has a crucial role for the normal operation of the whole subway. Under the background of accelerating the construction of the subway engineering and solving the problem of public transportation in our country, it is vital significance to study design of the main wiring of the mian subway Step-down Substation engineering 

Firstly, this paper studies the problem of selection of main wiring of main substation, and come up with the main wiring design and conduct a comparative analysis. Under the requirement of reliability, flexibility and economy to determine the design scheme of the main wiring. Secondly, according to design requirements of the main transformer’s capacity, completed the selection of the transformer. Then, based on the equivalent network simplification, selection and calculation of short-circuit point short-circuit capacity. Finally, according to the short-circuit current calculation results and the development of electrical equipment of our country, to complete electrical equipment selection and layout. The program established under main wiring and electrical equipment selection resultsusing the CAD software to draw the main wiring diagram, according to the national standard, electrical equipment size and the actual situation of the main substation electrical equipment layout, draw a floor plan and sectional view.

Key Words: The main wiring, Transformers, Short-circuit capacity

1 绪论

1.1 工程背景

本设计为地铁二号线静安寺主变电所主接线的设计。地铁二号线一期工程外部电源方案为集中式供电，设2座110kV主变电所。中压网络采用的35kV牵引供电网络以及的10kV动力照明供电网络。全线设7座牵引变电所。地铁二号线一期工程设置的2座主变电所分别设于公园和静安寺。每座主变电所均从区域变电所引入两路可靠的110kV电源，静安寺主变电所的两路电源引自华山区域变电所的两段母线，距离为3km。

地铁主降压变电所主要给牵引变电所和降压变电所供电，牵引系统和动力照明系统的负荷统计如表1.1所示。

表1.1  主变电所符合统计表

所名	远期最大负荷	COSθ	回路数	重要负荷百分数(%)
中山公园	2745 kW	0.9	2	96
静安寺	2790 kW	0.9	2	96
人民公园	2730 kW	0.91	1	96
陆家嘴	2852 kW	0.92	1	96
东方路	28 kW	0.92		96
公园	2700 kW	0.9		96
停车场	2844 kW	0.9		96
动力照明系统	8190 kW	0.91	2	88

1.2 设计原则和依据

本次设计完全遵循主变电所主接线设计的原则和设计依据。变电所主接线设计的原则和设计依据概括起来有下述几个方面。

(1) 设计的原则

主接线设计必须贯彻执行国家有关工程建设的法令和，应符合现行的国家标准和设计规范。

(2) 设计的依据

经有关部门正式批准的设计任务书是初步设计的主要依据；经过有关部门审查批准的初步设计文件和修改意见以及建设单位的补充要求是平面布置图、断面图设计的依据。

中华人民共和国现行主要标准及法规：

(1)《35-110kV变电所设计规范》GB50059-92；

(2)《35-110kV高压配电装置设计规范》GB50060-92；

(3)《供配电系统设计规范》GB50052-95。

1.3 设计内容

以地铁供电工程设计为基础，完成一次主电路设计，进行相关的容量计算和高压电气设备的选择，并完成主接线图的设计和方案比较工作。主要设计任务：

(1) 确定主接线方案；

(2) 确定主降压变电所的设计容量；

(3) 进行相关负荷计算及短路容量计算；

(4) 110kV、35kV、10kV侧主变电所的主要设备选择；

(5) 绘制主接线电路图，平面布置图，断面图。

2 电气主接线的方案确定

2.1 电气主接线设计的原则

电气主接线是构成电力系统的重要环节,也是主降压变电所设计的首要任务。变电所运行的可靠性、灵活性和经济性与主接线的方案密切相关[1]。

(1)可靠性

供电可靠性的客观衡量标准是运行实践，评估某个主接线图的可靠性时，应充分考虑长期运行经验。我国现行设计规程中的各项规定就是对运行实践经验的总结，设计时应予以遵循。

(2)灵活性

电气主接线不但在正常运行情况下能根据调度的要求灵活的改变运行方式，达到调度的目的，而且在各种事故或设备检修时，能尽快的推出设备、切除故障，使停电时间最短，影响范围最小，并在检修设备时能保证检修人员的安全。

(3)经济性

主接线在保证安全可靠、操作灵活方便的基础上还应使投资和年运行费用最小，使占地面积最少，使变电站尽快的发挥经济效益。

2.2 主接线的设计

主变电所的电气主接线可以从高压侧和中压侧两个方面来描述[4]。

2.2.1 高压侧主接线

A方案采用线路-变压器接线方式，如图2.1所示。

图2.1  线路-变压器组接线方式

线路-变压器组接线是最简单的主接线方式。在正常运行方式下，两条线路各带一台主变压器；当进线线路故障时，通过区域变电所出线断路器的跳闸来消除故障。系统接线简单，主接线运行的可靠性和经济性高，有利于实现主变电所的无人化和自动化[2]。 

B方案采用内桥形接线方式，如图2.2所示。

图2.2  內桥形接线

内桥形接线是变电所最常用的主接线形式。其特点是高压侧的断路器数量较少；线路故障操作简单；接线清晰。平时桥断路器分闸，相当于线路-变压器组接线，两条线路各带1台主变压器。当输电线路发生故障时，只要断开故障线路的断路器就能切除故障而不会影响到其它回路正常运行；当变压器发生故障时，需要断开与其相连的两台断路器，这样就对未故障线路的正常运行造成了影响[3]。但是随着主变压器质量的提高，各厂家生产的变压器都变成了免维护式的。由于主变压器的运行可靠性高并且也不需要经常的切换，因此在主变压器容量不能满足N-1要求的情况下，主降压变电所采用内桥形接线形式可以提高系统供电的可靠性。

结论：相比而言，线路-变压器组接线受区域变电所故障的影响比较明显。在地铁主降压变电所的设计中，根据两个电源都来自于同一个区域变电所的情况，主接线一般采用线路-变压器组接线形式。直接从区域变电所的两个母线引入110kV进线，当一个母线故障时，可通过修改区域变电所的运行方式接入不同母线，对主变压器的正常运行没有影响。

根据地铁主降压变电所的设计原则：当一台主变压器退出运行时，由另一台主变压器承担主降压变电所供电区域内的全部一、二级负荷；当一路电源故障时，由另一路电源给主变电所供电；当进线线路故障导致一台变压器停电运行时，需要合闸环网的母联开关以保证地铁的供电[4]。所以，线路-变压器组接线的进线电缆容量只需要考虑一台主变压器的额定容量，而内桥形接线的进线容量需要按照两台主变压器的额定容量。从投资角度来看，线路-变压器组接线方式不只节省了设备投资，还节省了电缆的投资，其经济性好。

由地铁供电系统运行方式的要求可以判断，正常情况下主变压器可以看作低负载率，所以高压侧主接线采用线路-变压器组接线方式。

2.2.2 中压侧主接线

城轨主降压变电所中压侧采用单母线分段接线作为主要的型式，如图2.3所示。

图2.3  单母线分段接线

单母线分段接线就是用断路器将一段母线分为两段。

正常情况下，两段母线分列运行，牵引变电所和动力照明系统可以从不同母线取得中压电源；当主变电所一段中压母线失电时，另一段中压母线可以迅速恢复对牵引变电所和动力照明系统的供电。当一路高压进线或一台变压器退出后，通过中压母线分段开关迅速合闸，由另一台主变压器承担本主变电所范围内的全部一、二级负荷，根据供电负荷变动情况，决定是否切除三级负荷。

当一段中压母线故障时，该段母线上的进线开关分闸，同时该段母线上馈线所接的第一级牵引变电所或动力照明系统进线开关也应失压跳闸；根据中压供电网络运行方式，由主变电所的另一段中压母线继续供电。

2.2.3 动力照明系统主接线的设计

通过对上述主变电所电气主接线方案的分析，总动力照明系统主接线高压侧也采用线路变压器组接线方案，低压侧采用单母线分段接线方案。

主接线图如附录B所示。

3 变压器的选择

3.1 主变压器的选择

(1)主变压器台数的确定：

目前，国内城市轨道交通主变电所均设置两台主变压器，互为备用。正常情况下，两台变压器并列运行，各负担约50%的用电负荷。

(2)主变压器容量的确定：

主变压器容量的确定不仅要根据主降压变电所建成后5~10年规划负荷，还要考虑到远期负荷的发展。对于地铁主降压变电所，主变压器容量的确定还应该与地铁的规划和供电网络的资源共享结合起来，为满足未来地铁交通的发展要求我们选择大容量的变压器[5]。

主变电所容量的确定：

  .1)

式中，为同时系数，取0.9；为线损率，取5%。

因此，由表1.1数据代入式3.1可得：

主变压器容量的确定：

主降压变电所的任意一台变压器退出运行时，另一台变压器必须要保证全部负荷的60%，即

单台变压器运行时，要能够保证全线一级和二级负荷的供电。

由表1.1可以计算出，一、二级负荷为28.62MVA。

所以变压器的容量至少为28.62MVA。

(3)变压器类型的确定：

1相数的确定：

目前，变压器的相数有单相和三相两种形式。根据规程，在不受运输条件的的情况下，330kV及以下的变电所均采用三相变压器。因此待建主降压变电所采用三相变压器。

2绕组形式的确定：

绕组主要有双绕组和三绕组两种形式。而我国城市轨道交通主变压器一般采用双绕组变压器，所以主降压变电所也采用双绕组变压器。

3普通型和自耦型的确定：

自耦变压器是一种多绕组的变压器，它的特点是其中两个绕组不仅有电磁联系还有电联系。当用自耦变压器来联系两种电压网络时，其中一部分传输功率可以通过电磁联系，另一部分则可以通过电来联系。由于自耦变压器的经济效益比普通变压器显著，并且自耦变压器代替普通变压器已经成为变压器发展的趋势。所以主降压变电所选用自耦变压器。

4中性点的接地方式的确定：

根据规程：变压器110kV～500kV侧中性点必须要经小阻抗接地或直接接地；变压器6kV～63kV侧中性点不接地。所以主变压器的高压侧采用中性点直接接地方式，低压侧采用中性点不接地方式。

5主变压器电压调整方式的确定：

主变分接头应根据电网电压水平选择，根据《电力系统电压质量与无功电力管理规定》，110kV电源最高电压取110(1+0.07)kV，最低电压取110(1-0.03)kV，35kV系统其供电电压正负偏差绝对值之和不超过标称电压的10%，10kV母线电压合理范围为10.0kV～10.7kV[6]。为保证中压母线电压在合格范围内，本设计采用有载调压变压器，其分接头位置则根据城网的潮流计算来确定。

(4)主变压器的选择结果：

根据以上计算和分析结果，查有关变压器型号手册所选主变压器的型号为：SFZL7-31500/110。其主要技术参数如表3.1所示。

项目	数据
额定容量	31500kVA
额定电压	高压110±8×1.25%kV 低压38.5kV
连接组别	YN,d11
空载损耗	59.7kW
短路损耗	260kW
阻抗电压	10.5%

表3.1  SFZL7-31500/110的主要技术参数

3.2 动力照明系统变压器的选择

按照上述变压器的选择方式，动力照明系统选择两台变压器，其型号为：SFZ7-12500/35，主要技术参数如表3.2所示。

项目	数据
额定容量	12500kVA
额定电压	高压35±3×2.5%kV 低压10.5kV
连接组别	YN,d11
空载损耗	17.1kW
短路损耗	66kW
阻抗电压	7.5%

表3.2  SFZ7-12500/35的主要技术参数

4 短路电流的计算

4.1 短路电流计算方法

在三相电力系统中，可能发生三相短路、两相短路、单相短路和两相接地短路。电力系统中，发生单相短路的可能性最大，发生三相短路的可能性最小，但是三相短路的短路电流最大，造成的危害也最严重[7]。为了使电力系统中的电气设备在最严重的短路状态下也能可靠工作，因此在短路计算中，以三相短路计算为主。三相短路用文字符号K表示。在电力系统原始网络图上，将短路所考虑的额定参数都表示出来，并将各元件依次编号，然后确定短路计算点，短路计算点要选择得使需要进行短路校验的电气元件有最大的短路电流通过。在等效电路图上，只需将被计算的短路电流所流经的一些主要元件表示出来，由于将电力系统作为无限大容量电源，短路电路也比较简单，因此一般只需采用阻抗串并联的方法即可将电路化简，求出求等效总阻抗，再换算成计算电抗，根据计算曲线查出短路电流标幺值，再换算成有名值。

4.2 短路电流的具体计算

在本次设计中，为了方便电气设备的选择和校验，选取的短路点为110kV侧进线，35kV母线和10kV母线。

电力系统的原始网络图如图4.1所示。

图4.1  电力系统原始网络图

(1)计算各元器件基准电抗标幺值，画出等效电路图

选取基准容量为100MVA。

基准电压为：

基准电流为：

线路电抗标幺值为：

变压器电抗标幺值为：

所以电力系统原始网络的等值电路图如图4.2所示。 

图4.2  原始网络等值电路图

(2)计算110kV侧的短路电流和短路容量

短路电流    

   4.1)

冲击电流     

    4.2)

短路电流最大有效值  

   4.3)

短路容量     

    4.4)

根据以上公式，代入数据可得：

(3)计算35kV侧的短路电流和短路容量

1在最大运行方式下

2在最小运行方式下

(4)计算10kV侧的短路电流和短路容量

1在最大运行方式下

2在最小运行方式下

5 电气设备选择及其布置

5.1 110kV侧电气设备的选择及校验

5.1.1 断路器和隔离开关的选择及校验

高压断路器的选择，除满足各项技术条件和环境条件外，还应考虑到要便于安装调试和运行维护，并且经过经济技术方面都比较后才能确定[8]。根据我国高压断路器的生产情况，电压等级在10kV～220kV的电网一般选用SF6断路器。

高压断路器选择的技术条件如下：

额定电压选择：

   5.1)

额定电流选择：

   5.2)

额定开断电流选择：

   5.3)

额定关合电流选择：

   5.4)

热稳定校验：

   5.5)

隔离开关的选择，由于没有灭弧装置，隔离开关不能用来接通和开断负荷电流及短路电流，故没有开断电流和关合电流的校验，隔离开关的额定电压、额定电流选择和热稳定、动稳定校验项目与断路器相同。

(1)高压断路器的选择

流过断路器的最大持续工作电流：

技术条件为：

根据以上条件查手册，选择的满足要求的高压断路器的型号为：LW—110Ⅰ/2500，技术参数如表5.1所示。

技术参数	数据
额定电压	110kV
额定电流	2500A
额定开断电流	31.5kA
动稳定电流	125kA
3s热稳定电流	50kA
固有分闸时间	0.04s

表5.1  LW—110Ⅰ/2500技术参数

热稳定校验： 

设后备保护动作时间为1.9s，断路器的固有分闸时间为0.04s，选择熄弧时间为0.03s。则短路持续的时间 t =1.9+0.04+0.03 =1.97s。

短路持续时间大于1s，因此非周期分量忽略不计。

短路热效应为：

允许热效应为： 

所以，

即满足热稳定校验。

动稳定校验：

根据表5.1数据，ies=125kA。由110kV侧短路电流计算结果，ish=31.8kA。

所以， 

即满足动稳定校验。

(2)隔离开关的选择

根据以上条件查手册，选择的满足要求的隔离开关的型号为GW5—110Ⅱ/630，其技术参数如表5.2所示。

技术参数	数据
额定电压	110kV
额定电流	2500A
动稳定电流	125kA
4s热稳定电流	50kA

表5.2  GW5—110Ⅱ/630技术参数表

热稳定校验：

所以，

即满足热稳定校验。

动稳定校验：

根据表5.2数据，ies=50kA。由110kV侧短路电流计算结果，ish=31.8kA。

所以，

即满足动稳定校验。

5.1.2 互感器的选择

(1)电流互感器的选择

电流互感器的额定电压UN不得低于其安装回路的电网额定电压UNs，即：

    .6)

所以电流互感器的额定电压为。

电流互感器的额定电流IN1不得低于其所在回路的最大持续工作电流Imax，即：

    .7)

所以电流互感器的额定电流为。为了保证电流互感器的准确级，Imax应尽可能接近IN1[9]。

根据以上条件，选择满足要求的电流互感器的型号为LCWD－110－(50~100)～(300~600)/5，其技术参数如表5.3所示。

技术参数	数据
额定电压	110kV
额定电流比	(50~100)～(300~600)/5A
级次组合	D/1
1s热稳定倍数	75

表5.3  LCWD－110－(50~100)～(300~600)/5技术参数

(2)电压互感器的选择

一次电压U1：

二次电压U2为100V。

选择满足要求的电压互感器的型号为JCC－110，其技术参数如表5.4所示。

技术参数	数据
额定变比	110000/100
1级额定容量	500VA
3级额定容量	1000VA
最大容量	2000VA

表5.4  JCC－110技术参数

5.2 35kV侧电气设备的选择

主变电所一般选择金属铠装封闭式开关柜[10]，其选择过程如下。

最大持续工作电流：

技术条件为：

根据以上条件，选择满足要求的开关柜型号为KYN37A-40.5，其技术参数如表5.5所示。定制满足要求的PT柜型号为SIVACON 8PT/35，其技术参数如表5.6所示。

技术参数	数据
额定电压	40.5kV
额定电流	630A
额定开断电流	25kA
额定关合电流	63 kA
额定动稳定电流	63kA
4s热稳定电流	25kA
外形尺寸	1200mm1800mm2600mm
防护等级	IP20

表5.5  KYN37A-40.5技术参数表

技术参数	数据
额定电压	35kV
额定电流	2500A
额定关合电流	50kA
外形尺寸	1200mm1800mm2600mm
防护等级	IP40

表5.6  SIVACON 8PT/35技术参数表

5.3 10kV侧电气设备的选择

10kV开关柜也选择金属铠装封闭式开关柜，其选择过程如下。

最大持续工作电流：

技术条件为：

根据以上条件，选择满足要求的开关柜型号为KYN28A-12，其技术参数如表5.7所示。定制满足要求的PT柜型号为SIVACON 8PT/10，其技术参数如表5.8所示。

技术参数	数据
额定电压	10kV
额定电流	630A
额定开断电流	20kA
额定关合电流	50 kA
额定动稳定电流	50kA
4s热稳定电流	20kA
外形尺寸	800mm1500mm2363mm
防护等级	IP2X

表5.7  KYN28A-12技术参数表

技术参数	数据
额定电压	10kV
额定电流	2500A
额定关合电流	50kA
外形尺寸	800mm1500mm2363mm
防护等级	IP40

表5.8  SIVACON 8PT/10技术参数表

5.4 电气设备的布置

110kV配电装置一般采用屋外配电装置，屋外型的配电装置有中型、半高型和高型三种形式[10]。由于中型布置具有布置比较清晰，运行可靠，构架高度较低，施工和维修都比较方便，所用钢材较少，造价低，抗震性能较好的特点，所以采用普通中型配电装置的布置方式[11]。而35kV和10kV的配电装置一般采用双层屋内成套的配电装置，即用成套供应高压开关柜。根据国标和实际控制楼的建筑面积，高压开关柜采用单列式布置。平面布置图和断面图如附录C所示。

本文的主要从地铁主降压变电所主接线设计的四个主要问题入手，详细分析了主接线的组成和功能，结合实际工程案例给出了完整的设计方案。总的来说，本文在地铁主降压变电所主接线的工程设计研究中完成了如下工作：

(1) 主降压变电所主接线的探讨与分析。从高压侧和中压侧两个方面给出了地铁主接线设计方案，进行具体的对比分析，确定主接线方案并完成主接线图的绘制。

(2) 主降压变电所变压器的选择。根据地铁主变电所的特点以及地铁主变电所设计的行业共识，结合我国变压器的发展确定了主变压器和动力照明系统变压器的台数和型号。

(3) 主降压变电所短路容量的计算。根据主变电所主接线的形式以及城市电网所能提供的外部电源，完成原始网络图的化简，选择合适的短路点进行短路容量的计算。

(4) 主降压变电所主要电气设备的选择及其布置。根据我国电气设备的发展结合短路电流的计算结果进行了电气设备的选择。按照国标的规定对其进行布置，完成平面布置图和断面图的绘制。

致  

本论文是在导师王思华老师的悉心指导下完成的，王老师不厌其烦的指导我每一个疑问，给了我很深的心灵感染。在此衷心感谢王老师两个月来对我的关心和指导。不管是论文题目的选择，参考文献的采集，结构的布置还是格式的修改他都给了我中肯的建议和悉心的指导，在此向他表示衷心的谢意。

同时，我还要感谢本组的其他同学，他们以认真、热情的学习态度，给予了我很大的帮助，为我们做好毕业设计创造了良好的氛围。

最后，我衷心感谢在做毕业设计的过程中给予我帮助的每一位老师和同学。

参考文献

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[2] 刘介才.工厂供电[M].北京:机械工业出版社,1997:46-92.

[3] 于永源,杨绮雯.电力系统分析[M].北京:中国电力出版社,2007:129-211.

[4] 傅知兰.电力系统设备选择与计算[M].北京:中国电力出版社,2004:100-112.

[5] 陈跃.电气工程专业毕业设计指南[M].北京:中国水利水电出版社,2008:145-190.

[6] 刘介才.供电工程师技术手册[M].北京:机械工业出版社,2000:8-682.

[7] 王晓玲,马文建.电气设备及运行[M].北京:中国电力出版社,2007:214-240.

[8] 中国能源部.GB50059-92 35-110kV变电所设计规范[S].北京:中国电力出版社,1993:1-15.

[9] 中国能源部.GB50060-92 35-110kV高压配电装置设计规范[S].北京:中国电力出版社,1993:1-9.

[10] 陈琳.城市轨道交通牵引供电系统主接线设计[J].信息技术,2012(5):157-159.

[11] 金辉.地铁主变电站110kV侧电气主接线的选择[J].电气技术,2011(7):90-91.

附录A 主要元件清单

表A  主要元件表

名称	型号	单位	数量
隔离开关	GW5—110Ⅱ/630	台	4
断路器	LW—110Ⅰ/2500	台	2
电压互感器	JCC－110	台	2
电流互感器	LCWD－110－(50~100)～(300~600)/5	台	6
主变压器	SFZL7-31500/110	台	2
35kV开关柜	KYN37A-40.5	套	11
35kV PT柜	SIVACON 8PT/35	套	2
10kV开关柜	KYN28A-12	套	11
10kV PT柜	SIVACON 8PT/10	套	2
变压器	SFZ7-12500/35	台	2

附录B 主接线图

附录C 平面布置图和断面图