毕业论文地铁变配电系统设计说明.docx
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毕业论文地铁变配电系统设计说明
常州铁道技术学院
毕业设计(论文)
年级专业城市轨道交通运营管理
学生姓名陈浩然
指导教师徐群威
评卷人
教学地点
2013年4月6日
专业
摘要
地铁变配电系统提供除电动列车以外所有负荷的电能供应,对地铁的正常运营具有至关重要的作用。
在我国加快地铁工程建设,解决公共交通问题的时代背景下,研究地铁变配电系统的工程设计,具有十分的重要意义。
首先,本文研究了地铁负荷计算问题,给出了可供地铁变配电负荷计算的地铁单位容量指标建议值和需要系数建议值,并结合实例进行了具体的分析计算。
其次,深入研究了地铁变配电系统的特征,给出了实际工程的总体配电方案。
根据地铁变配电系统的特点以及城市电网所能提供的外部电源,分析了中压配电网络、降压变电所的功能和构成,分别给出了三种设计方案。
接着,阐述了地铁动力负荷划分及供电要求,论述了地铁动力配电系统设计原则、配电线路设计、低压电器选择以及微机电动机综合保护装置的应用,并给出工程案例。
最后,研究分析了地铁照明的特点,给出了地铁照明配电及其控制方式、照明质量、灯具选用等设计方法,以及地铁照明设计案例。
经上海地铁M8线等工程案例的设计表明,本文所研究给出的地铁负荷计算、地
铁总体配电方案、地铁动力配电设计以及地铁照明设计的方法,对于地铁变配电系统的设计具有一定的参考意义。
关键词:
地铁;负荷计算;变配电;工程设计
专业
Abstract
Powertransformationanddistributionsysteminsubwayprovidesallloadselectricenergyexceptelectrictrain,hastheveryimportantfunctionstosubway'snomraloperation.Underthebackgroundofacceleratingconstructionofsubway'sengineeringforresolvingthemasstransitproblemsinourcountry,theresearchonprojectdesignofpowertransformationanddistributionsysteminsubwayisveryimportant.
Firstly,thethesisstudiestheproblemofsubway'sloadcalculation,givesoutsuggestionvaluesofsubway'sunittargetanddemandfactorforloadcalculationofsubway'spowertransformationanddistributionsystem,analyzesandcomputestheproblemscombiningwithanexample.Secondly,thisthesisthoroughlystudiesthecharacteristicsofsubway'spowertransformationanddistributionsystem,producestheoverallpowerdistributionplanofactualproject.Basedonthecharacteristicsofsubway'spowertransformationanddistributionsystemandexternalpowerplanincity,thisarticleanalyzesthefunctionsandformationsofthemedium-voltagepowerdistributionnetworkandthesubstation,givesthreekindsdesignplansrespectively.Afterthen,thethesisexplainsloadsdivisionaswellaspowersupplyrequest,discussestheprinciplesofpowerdistributionsystemdesign,designofdistributionline,choicesoflowvoltageelectricapplianceandtheapplicationofmicrocomputerprotectivedeviceofelectricmotors.Intheend,thethesisanalyzesthecharacteristicsofilluminationinsubway,suggestsdesignmeasuresonilluminationpowerdistributionanditscontrollingmodes,illuminationqualities,lampselectionsaswellasthedesigncaseofsubway'sillmuination.
AftertheM8subwaylineinShanghai,thisthesisstudiesthewaysofloadcalculation,overallpowerdistributionplan,powerdistributiondesignaswellasilluminationdesignmethodinsubway,whichhasthecertainreferencesignificancefordesignofusbway'spowertransformationanddistributionsystem.
Keywords:
Subway,Loadcalculation,Powertransformationanddistribution,illuminationEngineeringdesign
专业
摘要I
AbstractIII
1绪论1
1.1地铁变配电系统设计的背景与意义1
1.2地铁变配电系统的现状1
1.3地铁变配电系统的内容与目标2
2地铁变配电设计的负荷计算4
2.1负荷计算的目的和方法4
2.1.1单位指标法4
2.1.2需要系数法5
2.1.3二项式系法数6
2.2地铁变配电系统负荷计算实例7
2.2.1地铁负荷分类7
2.2.2地铁负荷计算7
2.2.3无功功率补偿12
2.2.4配电变压器选择13
2.3地铁的单位容量指标和需要系数15
2.3.1地铁的单位容量指标15
2.3.2地铁的需要系数15
3地铁总体配电方案的工程设计16
3.1地铁供电系统概述16
3.2地铁中压配电网络16
3.2.1集中供电方式16
3.2.2分散供电方式18
3.2.3混合供电方式21
3.3降压变电所21
3.3.1降压变电所的设置与形式21
3.3.2降压变电所的电气设计23
3.4地铁总体配电工程实例26
3.4.1主变电所和中要求配电网络的设计方案26
3.4.2降压变电所的设计方案28
专业
4地铁动力配电系统的工程设计31
4.1地铁动力配电系统的设计原则31
4.2配电线路的设计31
4.2.1配电线路设计的基本要求31
4.2.2消防设备电气配电设计33
4.3低压电器的选择35
4.3.1低压电器选择的基本要求35
4.3.2低压断路器的选用35
4.4微机电动机综合保护装置的应用37
4.4.1装置的功能及配置37
4.4.2装置保护的整定计算38
4.5地铁动力配电设计工程实例40
4.5.1动力配电设计的基本要求40
4.5.2动力设备控制41
4.5.3动力电缆选择41
4.5.4动力配电方式42
5地铁照明配电工程设计43
5.1地铁照明分类43
5.2地铁照明配电设计43
5.3地铁照明技术要求45
5.3.1照明标准45
5.3.2照明质量46
5.3.3灯具选型46
5.4地铁照明系统参数计算47
5.4.1平均照度47
5.4.2负荷密度48
5.5地铁照明配电设计工程实例48
5.5.1照明分类和设置48
5.5.2照明控制方式49
5.5.3照明质量和灯具选用49
结论51
致谢52
专业
参考文献53
附录A地铁集中式供电系统主接线图54
附录B地铁动力配电系统主接线图55
附录C地铁动力配电平面图56
附录D地铁照明配电系统主接线图57
附录E地铁照明配电平面图58
专业
1绪论
1.1地铁变配电系统设计的背景与意义
随着城市社会经济的不断发展,城市交通的压力越来越大,目前城市交通存在诸如道路容量不足、交通结构不合理、中心区高峰小时机动车车速较低,交通需求仍然有增无减等主要问题,广州等多个城市已经明确提出了逐步建立以公交为主体、轨道交通为骨干,各种交通方式相结合的多层次、多功能、多类型的城市交通综合体系,以地面路网和交通设施为基础,建设轨道交通系统、高速公路系统、高架桥系统合理衔接的立体交通网路城市交通发展策略。
优先发展大运量轨道交通系统,强化区域间的高效联系,并以轨道交通找点为核心,通过适用于公交优先的道路系统,建立轨道交通与周边地区常规公交的便捷换乘,大力发展区域组团的中心地带,同时将步行系统完善导入,构筑沿轨道交通走廊发展的网状城市结构体系。
地铁是地下铁道的简称。
它是一种独立的有轨交通系统,不受地面道路状况和天气情况的影响,能够按照设计的能力正常运行,从而快速、安全、舒适地运送乘客。
地铁效率高,无污染,能够实现大运量的要求,具有良好的社会效益。
1969年新中国第一条地铁在北京正式通车。
进入上世纪90中后期,随着国家经济和技术实力的增强,我国加快了城市轨道交通的建设步伐、北京、上海、天津、广州、深圳、南京、武汉、重庆、沈阳等各大城市纷纷开工建设多条地铁或轻轨线路,仅上海市的轨道交通远景规划就有17条线路,总里程达800多公里,地铁正日益成为人们日常生活中密不可分的一部分[1]。
地铁的供电系统是为地铁运营提供电能的。
地铁列车是电力牵引的电动列车,其动力是电能;此外,地铁中的辅助设施包括照明、通风、空调、排水、通信、信号、防灾报警、自动扶梯等,也都依赖电能。
根据用电性质的不同,地铁供电系统可分为两部分:
由牵引变电所为主组成的牵引供电系统和以降压变电所为主组成的动力照明供电系统[2]。
因此,地铁变配电系统的研究对于地铁的发展有着极其重要的意义。
1.2地铁变配电系统的现状
进入20世纪90年代,我国城市人口迅速增加,机动车数量快速增加,城市交通堵塞日益严重,城市环境不断恶化。
发展城市轨道交通已经成为我国大中城市发展公共交通的根本方针和缓解交通拥堵的最佳选择,城市轨道交通进入了一个快速发展时期,建设
专业规模世界上少见。
而变配电系统作为城市轨道交通的重要组成,也随着轨道交通的发展而快速发展。
我国城市轨道交通变配电系统的发展状况如下:
(1)目前,针对地铁负荷计算的单位容量指标和需要系数还未颁布,往往需借鉴其它民用建筑(如写字楼、办公楼等)的指标和系数。
因此,负荷计算的准确与否,是地铁变配电系统合理设计的前提,负荷计算已成为地铁变配电系统工程设计中遇的首要问题。
(2)在供电方面,在地铁车站内一、二、三级负荷同时存在,因此增加了供电的复杂性。
不论在高低压的一次、二次接线中,都存在着需要进一步探讨、摸索和在实践中不断总结经验、使之提高的过程。
(3)在动力上,不仅仅是几台风机、几台水泵、几台电梯,而是各成系统,如空调通风系统、给排水系统、消防系统、运输系统;在控制上不是简单的起动、停止,而是就地控制、远方集控、BAS系统自动控制、火警信号控制及连锁控制;起动方式上有直接起动、降压起动、软起动,还有风机、水泵及空调系统的能量自动调节等。
(4)在照明上,照明在适应国情的情况下尽可能与国际接轨;照明质量的要求按照不同的用途,选择不同的色温及显色指数的光源,以产生冷色调、暖色调、中间色调及不同显色性的照明;在灯具形式,既要满足与地铁的装修相协调,又要达到节能的效果;照明的种类也日益增多,有一般照明、房间照明、区间照明、事故照明、出入口照明和广告照明等;不同种类的照明,其供电要求不同,控制方式各异。
1.3地铁变配电系统的内容与目标
本文针对地铁变配电系统的特点,以上海地铁M8线一期工程变配电系统设计为实例,深入分析了地铁变配电系统的设计原则和设计要点,研究解决了负荷计算、总体配电方案、动力配电和照明系统等四个方面工程设计的关键问题,为今后地铁变配电系统的设计提供了参考经验。
本文设计的内容如下:
(1)研究地铁负荷计算问题,给出可供地铁变配电负荷计算的地铁单位容量指标建议值和需要系数建议值,并结合实例进行具体的分析计算。
(2)深入研究地铁变配电系统的特征,给出实际工程的总体配电方案。
根据地铁变配电系统的特点以及城市电网所能提供的外部电源,分析中压配电网络、降压变电所的功能和构成,分别给出三种设计方案。
专业
(3)阐述地铁动力负荷划分及供电要求,论述地铁动力配电系统设计原则、配电线路设计、低压电器选择以及微机电动机综合保护装置的应用,并给出工程案例。
(4)研究分析地铁照明的特点,给出地铁照明配电及其控制方式、照明质量、灯具选用等设计方法,以及地铁照明设计案例。
专业
2地铁变配电设计的负荷计算
2.1负荷计算的目的和方法
地铁的实际负荷并不等于所有用电设备的额定功率总和。
这是因为用电设备不可能同时全部工作,每台设备也不可能全部满负荷,各种用电设备的功率因数也不可能完全相同。
因此,地铁电气系统设计过程中,必须找出这些用电设备的等效负荷。
所谓“等效”是指这些用电设备在实际运行中所产生的最大热效应与等效负荷产生的热效应相等,产生的最大温升与等效负荷产生的最高温升相等。
按照等效负荷,从满足用电设备发热条件来选择各类用电设备,而计算的负荷功率或负荷电流称为“计算负荷”。
计算负荷是某一假想的持续负荷,此负荷的热效应与实际变动负荷所产生的最大热效应相等。
一般采用30min时间间隔的负荷最大平均值作为计算负荷,它是确定供电容量、电气设备、线材规格、无功补偿、线路压降的依据。
计算负荷务求确当,过小会引起变压器和线路过热,加速其绝缘损坏,过多损耗能量,增加电压损失而破坏正常的运行条件,甚至引起线路失火,造成重大事故。
反之,计算负荷过大,则会引起变压器容量过剩,线路截面过大,开关整定电流过高,使工程投资增加,造成不必要的浪费。
因此,要正确合理地对地铁的配电系统进行设计,负荷计算是至关重要的一环。
计算负荷的正确性,是指实际使用的负荷是否与计算负荷相等。
它取决于以下三方面的因素:
第一,取决于设计是否合理,若选用的需要系数、变压器的负载率正确,则在建筑物功能充分发挥时,实际使用负荷应该与计算负荷相接近。
第二,取决于运行管理水平,如对设备严格管理,定期维护检修,在设计合理的前提下,实际使用负荷应接近于计算负荷。
第三,与需求相适应有关,对地铁而言,是指客流量是否与规划预期的客流量相符合,如果客流量过小,那么实际使用负荷必定小于计算负荷。
事实上,以上三个因素都是不确定因素,因此负荷计算很难做到高度的准确性,只有参考国内外的相关经验,通过个人知识的积累,严格执行规格规范,进行仔细的计算和比较,才能解决上述难题[3]。
2.1.1单位指标法
(1)单位指标法的计算公式单位指标法是以单位建筑面积负荷密度乘以建筑面积[4],其公式如下:
(2.1)
PjsKS10S00
专业式中,Pjs—有功计算负荷,kW;
KS—建筑单位面积负荷密度,W/m2;
S—建筑面积,m。
在方案设计阶段可采用单位指标法。
(2)各类建筑物的单位指标一般民用建筑如宾馆、商场、学校、住宅、办公楼等的单位指标可从现有的电气设计手册中查到,如表2.1所示。
表2.1各类建筑物单位指标
建筑类别
单位(W/m2)
建筑类别
单位指标(W/m2)
公寓
30~50
医院
40~70
旅馆
40~70
高校
20~40
办公
40~80
中小学
12~20
商业
一般:
40~80
展览馆
50~80
大中型:
70~130
体育
40~70
演播室
250~500
剧场
50~80
汽车库
5~18
(3)本文给出的地铁单位指标建议值目前针对地铁的单位指标还未颁布。
但是考虑到地铁的负荷类型与大中型商业建筑相似的,都有大量的通风空调设备、消防设施、电梯、扶梯以及BAS、FAS等各种智能
建筑系统,两者的负荷均比一般民用建筑大的多;同时地铁也有其独有的特点,如有商业建筑没有的负荷(隧道风机、排热风机、信号、AFC、屏蔽门等)、地铁没有自然通风和采光,必须依靠机械通风和人工照明,因此通风和照明负荷相对较大。
基于以上大致分析,笔者认为地铁的单位指标可以参考大中型商业建筑的上限值,并适当增加,即150W/m2,考虑功率因数和变压器负荷率,折合成变压器容量VA/m2时应乘以1.5的系数[5],即225VA/m2。
后面的文章还将以具体的地铁车站为例,经过计算分析得到地铁的单位指标,以验证上述观点。
2.1.2需要系数法
(1)需要系数法的计算公式。
需要系数法是用设备容量乘以需要系数和同时系数,直接求出计算负荷[4]。
其公式如下:
专业
(2.2)
PjsKcPe
式中,Pjs—有功计算负荷,kW;
Pe—设备总容量,kW;
Kc—需要系数。
需求系数Kc与用电设备的工作性质、设备台数、设备功率及功能的充分利用有关。
前三者是比较固定的因数,后一种是不确定的因素。
因此,在Kc值中包含一定份量的
经验数据成分,各国的Kc值不同,即使在同一个国家的不同时期,Kc值也会有所变化。
在施工图设计阶段,一般采用需要系数法。
用电设备台数较多,各台设备容量相差不悬殊时,宜采用需要系数法,一般适用于干线、配变电所的负荷计算。
民用建筑中的负荷大都采用需要系数法进行计算的,这种方法比较简变,应用广泛。
(2)各类建筑物的需要系数一般民用建筑的需要系数均可从现有的电气设计手册中查到,如表2.2所示。
表2.2
各类建筑物需要系数
建筑类别
需求系数
建筑类别
需求系数
住宅
0.4
~0.5
医院
0.55
~0.65
办公
0.7
~0.8
高校
0.6
~0.7
商业
0.7
~0.8
综合楼
0.6
~0.65
体育
0.65
~0.7
餐饮
0.8
~0.85
剧场
0.6
~0.7
加工业
0.4
~0.45
(3)本文给出的地铁需要系数建议值目前针对地铁的需要系数还未颁布。
基于已在表2.1中对地铁与商业建筑两者的负荷进行了比较,可以考虑地铁的需要系数应能参考商业建筑的需要系数,即0.7~0.8,本文将在后面的章节中通过对地铁的需要系数进行具体的计算来加以验证。
2.1.3二项式系法数
需要系数法没有考虑在同一组负荷中少数容量特别大的设备,对负荷计算是有影响的,不适合大容量设备的需要,因此提出了二项式系数法。
其公式如下:
PjsbecPn(2.3)
专业式中,Pjs—有功计算负荷,kW;
Pe—用电设备总容量,kW;
Pn—n台最大的设备容量之和,kW;
b、c—二项式系数。
由于二项式系数法不仅考虑了设备组的平均负荷,也考虑了设备组中几台大容量设备运行时的附加负荷。
所以此法适用于设备台数较少而容量相差较大的低压分支线及干线的负荷计算。
二项式系数法适合于工业用电负荷,不适用于地铁设计。
2.2地铁变配电系统负荷计算实例
2.2.1地铁负荷分类地铁动力、照明负荷按其重要性,分为一、二级及三级负荷。
一级负荷由降压变电所I、II段母线各提供一路专用电源供电并在末端自切,以实现不间断供电,如BAS、FAS、AFC、通信、信号、屏蔽门、消防泵、喷淋泵、废水泵、直流盘、变电所所用电、消防联动的车站送、排风机、风阀等、消防电源、兼作紧急疏散的自动扶梯等。
二级负荷由降压变电所I段或II段母线提供一路专用电源,在变电所处切换,必要时可以切除,如污水泵、雨水泵、普通风机、自动扶梯、直升电梯、正常照明、区间维修电源等。
三级负荷由降压变电所三级负荷母线提供一路电源,当变电所只有一路电源时必须切除,如广告照明、冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、清洁设备、电热设备等。
2.2.2地铁负荷计算要进行负荷计算,必须首先确定用电设备的容量。
下面以上海轨道交通M8线一期
工程延吉中路车站为例。
(1)动力负荷按照专业系统,将动力用电设备划分为通风空调、给排水、消防、弱电、运输、安全防护及其它等七个负荷组成,如表2.3所示。
各类设备负荷的需要系数参照民用建筑电气设计手册的值计取。
专业
表2.3延吉中路车站动力设备容量
序号
设备名称
总容量
cos
Ke
负荷类型
1
通风空调系统
1187.6
①
隧道风机
440
0.8
0.75
I
②
排热风机
150
0.8
0.75
I
③
回排风机
74
0.8
0.75
I
④
小系统新风机
11.8
0.8
0.75
I
⑤
小系统排风机
46.8
0.8
0.75
I
⑥
组合空调机组
88
0.8
0.75
I
⑦
空气处理机组
27
0.8
0.75
I
⑧
冷水机组
280
0.9
0.7
III
⑨
冷冻泵
60
0.8
0.75
III
⑩
电动组合风阀
10
0.7
0.6
I
2
给排水系统
167
①
冷却塔
19
0.8
0.75
III
②
冷却泵
30
0.8
0.75
III
③
废水泵
57
0.8
0.75
I
④
污水泵
12
0.8
0.75
II
⑤
雨水泵
9
0.8
0.75
II
⑥
电热开水器
40
1
0.7
III
3
消防系统
61
①
消火
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