《轨道交通动力照明系统的安装与维修》 课件 项目三 城市轨道交通变电所主接线的分析与设计

轨道交通动力照明系统的安装与维修

中国特色高水平高职学校项目建设成果

城市轨道交通变电所安装有各种电气设备，它们按照一定的顺序连接起来，构成了接收和分配电能的电路，实现了电能的变换与分配。张东是某地铁动力照明工班的工程师，他要带领工班小组成员对变电所的一次电气设备进行维护和检修。他要和工班小组成员一起依据变电所电气设备的特性，遵循电力系统标准，分析并设计出变电所平面布置图和主接线图。

项目引入城市轨道交通变电所主接线的分析与设计知识目标1.了解主变电所各电气设备的作用；2.掌握变电所主接线设计原则；3.熟知降压变电所主接线图的绘制方法。能力目标1.能识别主变电所的设备；2.会分析变电所的主接线；3.能设计并绘制降压变电所的主接线图。素质目标1.培养职业标准和规范意识；2.培养团队协作意识和大国工匠精神；3.树立严谨认真的态度和创新意识。 学习目标

变电所是城市轨道交通供电系统的心脏，担负着接收电能、改变电压等级和输送分配电任务1

变电所主接线的分析

项目实施

一

、变电所常见电气设备的认知城市轨道交通供电系统中，有三类不同的变电所：主变电所、牵引变电所、降压变电所，它们承担着不同的作用。主变电所连接外部电源和中压网络，是城市电网(外部)和城市轨

道交通供电系统(内部)之间的桥梁，其实现了三相交流高压向三相交流中压的变换；牵引变电所连接中压网络和牵引网，是主变电所与牵引供电系统之间的桥梁，其实现了三相交流

中压向直流的变换；降压变电所连接中压网络和配电线路，是主变电所与动力照明系统之间

的桥梁，其实现了三相交流中压向三相交流低压的变换。通常，牵引变电所和降压变电所合建，构成了牵引降压混合变电所。知识链接1

.

电气设备种类供电系统按其作用的不同可分为一次系统和二次系统，其中担负电能输送和分配任务的系统称为一次系统(或一次回路),一次系统中的所有电气设备，称为一次设备。对一次系统进行监视、控制、测量和保护的系统，称为二次系统(或二次回路),二次系统中的所有电气设备，称为二次设备。2

.

典型

一

次设备1)变压器变压器是利用电磁感应原理进行电压变换的一种静止电气设备。变压器外形图如图3-1所示。其作用是将某一电压等级的电能转换为相同频率另一电压等级的电能，实现电能传输，具有变压、变流和改变阻抗的功能。2)断路器断路器按使用范围分为高压断路器和低压断路器。如图3-2(a)

所示，高压断路器又称高压开关，是变电所的重要设备之一。高压断路器不仅可以切断与闭合高压电路的空载电流和负载电流，而且当系统发生故障时它与保护装置、

自动装置相配合，可以迅速地切断故障电流，以减小停电范围。3)隔离开关与三工位开关隔离开关一般是指高压隔离开关。高压隔离开关是没有灭弧装置的开关电器，在分闸

状态下有明显的断口，在合闸状态下能可靠地通过额定电流。因隔离开关没有灭弧装置，不能切断负荷电流和短路电流。隔离开关如图3-3(a)、(b)

所

示

。如图3-3(c)所示，三工位开关是一种新型隔离开关，主要用于GIS(气体绝缘开关设备)

开关柜中，其具有小型化的特点。所谓三工位开关，是指隔离开关具有三个工作位置，即主

断口接通的合闸位置、主断口分开的隔离位置及接地侧的接地位置，并且三个位置的相互转

换由一把刀闸来实现。4)高压负荷开关高压负荷开关是在高压隔离开关的基础上加入简单的灭弧装置而成的，能切合负荷电如图3-2(b)

所示，低压断路器又称低压自动开关或空气开关，既能带负荷通断电，又能

在线路发生短路、过负荷、低电压等故障时自动跳闸，它可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，其功能相当于熔断器式开关与热继电器等的组

合。低压断路器广泛应用于低压配电系统各级馈出线、各种机械设备的电源控制和用电终端的控制与保护。3)隔离开关与三工位开关隔离开关一般是指高压隔离开关。高压隔离开关是没有灭弧装置的开关电器，在分闸状态下有明显的断口，在合闸状态下能可靠地通过额定电流。因隔离开关没有灭弧装置，不能切断负荷电流和短路电流。隔离开关如图3-3(a)、(b)

所示

。如图3-3(c)所示，三工位开关是一种新型隔离开关，主要用于GIS(气体绝缘开关设备)

开关柜中，其具有小型化的特点。所谓三工位开关，是指隔离开关具有三个工作位置，即主断口接通的合闸位置、主断口分开的隔离位置及接地侧的接地位置，并且三个位置的相互转换由一把刀闸来实现。4)高压负荷开关高压负荷开关是在高压隔离开关的基础上加入简单的灭弧装置而成的，能切合负荷电流，但不能切断短路电流。高压负荷开关外形图如图3-4所示。高压负荷开关分户外和户

内两大类。和隔离开关一样，高压负荷开关断开时有明显可见的断开间隙，也能起隔离电流的

作

用，以

保

证

检

修时的

人

身

安

全

。5)熔断器熔断器是一种在通过的电流超过规定值时熔体熔化而切断电路的保护电器。熔断器的功能主要是对电路及其设备进行

短

路

保

护，

但

有的

也

具

有

过

负

荷

保

护的

功

能

。熔断器根据使用的电压高低可分为高压熔断器和低压熔断器。高压熔断器主要有管式熔断器[见图3-5(a)]和跌落式熔断器[见图3-5(b)]两种。如图

3

-

6

所

示，

低

压

熔

断

器

主

要

用在低压配电网络和电力拖动系统中，作为短路保护的电器

，

其

灭

弧

能

力

较差

，

不

能

在

短

路电流达到冲击值以前熄灭电弧，属于“非限流”式熔断器。6)互感器互

感

器

是

一

种

特

殊

变

压

器，包

括电

流

互

感

器

和电

压

互

感

器，可

按比

例

变

换电

流

和电

压。

互感器的功能是将一次设备的大电流、高电压变换成标准的小电流、低电压，实现与二次设备的

连

接，

供

二

次

设

备的

仪

表、

保

护

装

置、自

动

控

制

装

置

使

用。

互

感

器

外

形图

如

图

3

-

7

所

示

。7)避雷器避雷器是一种释放过电压能量、限制过电压幅值的设备，又称过电压限制器，通常并联在被保护的电气设备上，其作用是防止雷电过电压造成设备绝缘击穿损坏。(a)

电流互感器

(b)

电压互感器

图3-7

互感器外形图(a)

瓷插式低压熔断器

(b)快速低压熔断器图3

-

8

避雷器外形图9)成套装置成套装置是按一定的接线方案，把一座变电站中除变压器以外的一次设备，包括断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线、电缆终端、进出线套管等，以及二次设备和必要的辅助设备组装在一起，经优化设计有机地组合成一个整体，安装在开

启式或封闭式的金属壳体内，构成供电系统中接受、分配、控制电能的总体装置，其主要包括

GIS成套装置(GIS

组合电器、GIS开关柜)、AIS开关柜、直流开关柜。其中，GIS

成套装置是指采用六氟化硫气体作为绝缘介质，金属封闭的交流成套设备，又称“气体绝缘开关设备”,简称GIS。一般将110

kV

及以上的GIS

设备称为GIS

组合电器；而40.5kV

、10kV

等中压的GIS

设备称为GIS

开关柜；AIS开关柜是指采用空气作为绝缘介质，金属封闭的交流成套设备，一般为40.5kV

、27.5kV

、10kV等中压的开关柜；直流开关柜是指采用空气作为绝缘介质，金属封闭的直流成套设备，其断路器为直流断路器，如图3-10所示。8)母线与电力电缆母线是纯金属导体，无绝缘及护套层，主要起汇集、分配、传输电能的作用。电力电缆在导线外，带有优质绝缘结构，并有良好保护层。母线的作用与裸导线一样，在电力系统中传

输和分配大容量的电能。母线与电力电缆外形图如图3-9所示。3.

城市轨道交通各类变电所电气设备1)主变电所的电气设备主变电所的电气设备主要有：高压进线开关、主变压器、中压开关、接地电阻柜、主变电所用变压器、无功补偿装置、继电保护屏、交直流电源屏、微机综合控制屏、计量屏、通信屏

等。其中，高压进线开关主要采用110kV

GIS

组合电器；主变压器采用油浸式变压器；中压

开关采用GIS

开关柜或AIS

开关柜；接地电阻柜用来限制中压网络系统单相接地短路水平；主变电所用变压器采用干式变压器；无功补偿装置采用电抗器固定补偿+有源电力滤波器

(APF)

构成或静止无功补偿装置(SVC)

、静止无功发生器(SVG)。2)牵引变电所的电气设备牵引变电所的电气设备主要有：中压交流开关柜、整流变压器、整流器、直流开关柜、钢轨电位限制装置、排流柜及杂散电流监测装置、所用变压器、交直流电源屏、微机综合控制屏等。(c)AIS

开关柜

(d)

直流开关柜图3-10

成套装置(a)GIS

组合电器(b)GIS开关柜3)降压变电所的电气设备降压变电所的电气设备包括：中压开关设备、配电变压器、400V开关柜、滤波装置、无功补偿装置、交直流电源屏、微机综合控制屏、钢轨电位限制装置等。其中，中压进线开关柜可

采用GIS

开关柜或AIS

开关柜；配电变压器采用干式变压器；400V

开关柜可采用低压固定式和低压抽出式；滤波与补偿装置常采用集中式无功补偿与滤波装置。二、

一

次设备的选择和校验1.高压一次设备的选择和校验高压一次设备的选择，必须满足一次电路在正常条件下和短路故障条件下工作的要求，同时设备应工作安全可靠，运行维护方便，投资经济合理。电气设备按正常条件下工作选择，就是要考虑电气装置的环境条件和电气要求。环境条件就是指电气装置所处的位置(室内或室外)、环境温度、海拔以及有无防尘、防腐、防火、防爆等要求。电气要求是指电气装置对设备的电压、电流、频率(一般为50Hz)

等方面的要求；对一些断流电器，如开关、熔断器等，还应考虑其断流能力。电气设备按短路故障条件下工作选择，就是要按最大可能的短路故障时的动稳定度和

热稳定度进行校验。但对熔断器及装有熔断器保护的电压互感器等，不必进行短路动稳定度和热稳定度的校验。对于电力电缆，也不要进行动稳定度的校验。高压一次设备的选择校验项目和条件，见表3-1。在供配电系统中尽管各种电气设备的作用不一样，但选择的要求和条件有诸多是相同的。为保证设备安全、可靠运行，各种设备均应按正常工作条件下的额定电压和额定电流选择，并按短路故障条件校验其动稳定度和热稳定度。(1)按工作环境要求选择电气设备的型号。如户内、户外、海拔、环境温度、矿山(井)、防尘、防爆等。(2)按工作电压选择电气设备的额定电压。一般电气设备和导线的额定电压应不低于设备安装地点电网的电压(额定电压)。(3)按最大负荷电流选择电气设备的额定电流。导体和电气设备的额定电流是指在额定环境温度下长期允许通过的电流，该电流应不小于通过设备的最大负荷电流(计算

电流)。(4)对开关类电气设备还应考虑其断流能力。设备的最大开断电流(或容量)应不小于安装地点的最大三相短路电流(或短路容量)。(5)按短路条件校验电气设备的动稳定度和热稳定度。电气设备在短路故障条件下，必须具有足够的动稳定度和热稳定度，以保证电气设备在短路故障时不致损坏。2.低压一次设备的选择和校验低压一次设备的选择，与高压一次设备的选择一样，必须满足其在正常条件下和短路故

障条件下工作的要求，同时设备应工作安全可靠、运行维护方便、投资经济合理。低压一次设备的选择校验项目见表3-2。关于低压电流互感器、电压互感器、母线、电缆

等的校验项目，与表3-1相同。三、变电所主接线图的认知1.

电气主接线变电所的电气主接线(简称主接线)是指由断路器、隔离开关、互感器、避雷器、主变压

器、母线和电力电缆等一次设备，按照一定的顺序连接起来，用于接收和分配电能的电路。主接线反映了供电系统的基本结构及性能，表明了电能的输送及分配关系，以及一次设备的运行方式，是实际运行操作的依据。2

.

主接线基本要求(1)首先保证牵引用电负荷及动力照明系统用电负荷安全、可靠供电的需要和电能质量。变电所的电源引入，一般采用独立的双回路电源供电；选择主接线时还应考虑在电路转换、设备检修、事故处理时供电的可靠性和连续性。此外，还需考虑在谐波补偿和调压方面改善电能质量。(2)具有必要的运行灵活性，使检修维护安全方便。主接线应该能够适应多种方式运行的需要。主接线中的一个设备检修、试验时，应易于退出运行，并且不影响其他元件的正常工作，同时满足检修设备所需要的安全距离。(3)应有较好的经济性，力求减小投资和运行费用。主接线决定了电气设备的数量和运行方式，从而影响到基本的投资和年运行费用。在满足供电可靠性和运行灵活性的基础上，应尽量使投资和运行费用最省。(4)应力求接线简洁明了，并有发展和扩建的余地。简洁明了的主接线可以减少操作程序、避免误操作，是运行中减少出错的有力保证。同时主接线应考虑供电系统及其对象的远景发展规划，以及将来增加设备或改变结构的可能性。3

.

主接线图按照GB/T4728《

电气简图用图形符号》规定的图形符号和文字符号，来表明一次设备的配置、相互连接关系及工作原理的电气接线图，称为主接线图。主接线图可采用单线图或三线图表示。单线图是指表示三相完全对称的交流电气装置中一相的连接顺序的电气图；三线图是指当三相不完全对称时，表示三相中每相交流电气装置的连接顺序的电气图。画主接线图时有以下几点约定：(1)主接线图一般用单线图表示。电气线路多数是对称三相线路，若三相都画出来，接线图将非常繁杂，绘制和阅读都极不方便，故用单线图表示。(2)主接线图中的符号均采用国家标准符号。主接线图中的设备均用图形符号和文字符号表达，这些符号必须符合国家标准规定。电气元件标准文字符号和图形符号见表3-4。主接线图根据其作用的不同，有两种形式：系统式主接线图和装置式主接线图。其中，按照电能输送和分配的顺序、用规定的图形符号和文字说明来表示和安排其主要电气设备相互连接关系的主接线图为系统式主接线图。这种图能全面系统地反映主接线中

电力电能的传输过程，即相对电气连接关系，但不能反映电路中各电气设备和成套设备之间

的相互排列位置，即实际位置；它一般在运行和教材中使用，如变配电所运行值班用的模拟

电路盘上就用它模拟演示供配电系统的运行状况，或用来分析、计算和选择电气设备等。对变配电所主接线有下列基本要求

：(1)安全：主接线的设计应符合国家标准有关技术规范的要求，充分保证人身和设备的

安全。如高、低压断路器的电源侧和可能反馈电能的另一侧须装设隔离开关；变配电所的高

压母线和架空线路的末端须装设避雷器

。(2)可靠：主接线应根据负荷的等级，满足不同等级负荷对供电可靠性的不同要求。如

对

一

级负荷，应考虑两个电源供电；二级负荷，应采用双回路供电。(3)

灵

活：

主

接

线

能

适

应

各

种

不同

的

运

行

方

式

，

并

能

灵

活

地

进

行

不

同

运

行

方

式

间

的

转

换，使之能做到便于操作、检修，又能适应负荷的发展，有扩充、改建的可能。(4)经济：在满足以上要求的前提下，应力求主接线的设计简单、投资少、运行管理费用低，并能节约电能和减少有色金属消耗量。如尽可能采用技术先进、经济实用的节能产品；尽量采用开关设备少的主接线方案；在优先提高自然功率因数的基础上，采用人工补偿无功功率的措施，使无功功率达到规定的要求。

城市轨道交通变电所主接线是轨道交通供电系统的骨架，通过完成本任务，能正确选择变电所主接线的基本形式，准确分析和选择供电线路导线和电缆截面积，并能设计一个变电所主接线的方案和主接线图。任务2

变电所主接线的设计

项目实施

一、识别变电所主接线的基本形式

主接线的基本形式主要包括单母线接线、双母线接线和无母线接线三类。其中，单母线接线基本形式有单母线接线、单母线分段接线、单母线带旁路母线接线、单母线分段带旁路母线接线；双母线接线基本形式有双母线接线、双母线分段接线、双母线带旁路母线接线；无母线接线基本形式有线路-变压器组接线、桥式接线、分支接线。知识链接1.单母线接线母线又称汇流排，是用来汇集、分配电能的硬导线，文字符号为W或

WB。设置母线可方便地把多路电源进线和出线通过电气开关连接在一起，提高供电的可靠性和灵活性。单母线接线又可分为单母线不分段接线、单母线分段接线和单母线带旁路母线接线三种类型。单母线接线图如图3-13所示，单母线接线的整个配电装置只有一组母线，每个电源线和引出线都经过开关电器接到同一组母线上，每条引出线都设置断路器和隔离开关。特点：接线简单，设备少，配电装置费用低，经济性好，并能满足一定的可靠性。每回路断路器均能切断负荷电流和故障电流，检修任一回路及其断路器时，仅该回路停电，其他回路不受影响。检修母线和与母线相连的隔离开关时，将造成全部停电；母线发生故障时，将

使全部电源断开，待修复后才能恢复供电。适用范围：这种接线方式的缺点是供电可靠性不强，断路器无备用，仅适用于对可靠性要求不高的10~35kV

地区负荷。2.单母线分段接线当有双电源供电时，常采用高压侧单母线分段接线，分段开关可采用隔离开关或断路器；母线可分段运行，也可不分段运行。采用断路器分段的单母线分段接线图如图3-14所示。当采用隔离开关分段时，如需对母线或母线隔离开关检修，可将分段隔离开关断开后分段进行检修。当母线发生故障时，经短时间倒闸操作将故障段切除，非故障段仍可继续运行，只有故障段所接用户停电。该接线方式的供电可靠性和灵活性较高，可给二、三级负荷供电。若用断路器分段，除仍可分段检修母线或母线隔离开关外，还可在母线或母线隔离开关发生故障时，母线分段断路器和进线断路器能同时自动断开，以保证非故障部分连续供电。这种接线方式的供电可靠性高、运行方式灵活。除母线故障或检修外，可对用户连续供电。但接线复杂、使用设备多、投资大。它适用于有两路电源进线、装设了备用电源自动投入装

置，分段断路器可自动投入及出线回路数较多的变配电所，可供电给一、二级负荷。特点：具有简单、清晰、经济、方便等优点。当母线检修和与母线连接的隔离开关检修时，停电范围可缩小一半，提高了供电可靠性、灵活性。当一段母线及母线隔离开关故障或

检修时，该母线上的所有回路都要在检修期停电。任一回路断路器检修，该回路停电。适用范围：广泛用于城市轨道交通各种变电所和110kV电源进线回路较少的接线系统，单母线接线不满足时采用；6~10kV配电装置出线回路数在6回及以上；35~60

kV

配电

装置出线回路数为4~8回；110~220kV

配电装置出线回路数为4回。3.单母线带旁路母线接线如图3-15所示，单母线带旁路母线的接线形式与单母线接线形式最大的区别在于增加了一条备用母线和一组联络用开关电器，增加了多个线路侧隔离开关。在主母线WB

和旁路母线WB

之间增加一台旁路断路器QF,正常工作时QF

断开。特点：单母线分段接线存在进出线断路器检修或故障时将使有关回路停电的缺陷、旁路母线的作用是检修任一台进出线断路器时，提供工作电流的另一条通路，不中断该回路供

电；但是相比单母线分段接线，其设备多、操作复杂。适用范围：35kV

及以上有重要联络线路或较多重要用户时采用，回路多采用专用旁路母线，否则采用简易接线。4.单母线分段带旁路母线接线如图3-16所示，工作母线采用分段的形式，每段工作母线与旁路母线之间通过旁路断路器QF.连接，这样就构成了单母线分段带旁路母线的接线。特点：解决了断路器的公共备用和检修备用问题，适合负荷较重要、线路断路器多、检修断路器不允许停电的场合。缺点是增加了一套旁路母线和相应的设备，以及为此而增加的配

电装

置

空

间。适用范围：6~10kV出线较多且为重要负荷供电的装置；35kV及以上有重要联络线路

或较多重要用户时也可采用。5.双母线接线双母线接线图如图3-17所示。这种接线有两组母线(WBI

和

WBⅡ),

在两组母线之间

通过母线联络断路器QFO(简称母联断路器)连接；每一条引出线(L1、L2、L3、L4)和电源支路(QF5

、QF6)都经一台断路器与两组母线隔离开关分别接至两组母线上。特点：两组母线互为备用，每条进出线同时与两条母线连接，可靠性高。适用范围：出线带电抗器的6~10kV

配电装置；35~60

kV出线回路数超过8回，或连

接电源较大、负荷较大；110~220kV出线回路数超过5回。两段母线可互为备用，运行可靠性和灵活性都得到很大提高，但开关设备的数量大大增加，从而其投资较大。因此双母线接线在中、小型变配电所中很少采用，主要用于负荷大且重要的枢纽变电站等场所。6.双母线分段接线双母线分段接线图如图3-18所示，I

组母线用分段断路器QF00分为两段，每段母线与

Ⅱ组母线之间分别通过母联断路器QF01、QF02连接。特点：这种接线较双母线接线具有更高的可靠性和更大的灵活性。当I

组母线工作，Ⅱ组

母线备用时，它具有单母线分段接线的特点。I组母线的任一分段检修时，将该段母线所连

接的支路倒至备用母线WBⅡ

上运行，仍能保持单母线分段运行的特点。当具有三个或三