沈文杰

（北京市市政工程設計研究總院，北京 100082）

1 地鐵中負荷計算原則及方法

1.1 概述

負荷計算的方法有需要系數(shù)法、利用系數(shù)法、單位面積功率法等幾種。

（1）需要系數(shù)法：用設備功率乘以需要系數(shù)和同事系數(shù)，直接求出計算負荷。這種方法比較簡便，應用廣泛，尤其適合于配、變電所的負荷計算。

（2）利用系數(shù)法：采用利用系數(shù)求出最大負荷班的平均負荷，再考慮設備臺數(shù)和功率差異的影響，乘以與有效臺數(shù)有關的最大系數(shù)得出計算負荷。這種方法的理論根據(jù)是概率論和數(shù)理統(tǒng)計，因而計算結(jié)果比較接近實際。適用于各種范圍的負荷計算，但計算過程稍繁。

（3）單位面積功率法：估算或按照某一指標計算單位面積的功率，乘以總面積。此種方法誤差較大，適用于方案階段或初步設計階段的負荷計算。

（4）除以上方法外，還有二項式法以及今年國內(nèi)出現(xiàn)的ABC法、變值需要系數(shù)法等。這些方法有的已被其他方法代替，有的實用數(shù)據(jù)不多，尚未推廣，本文不再多做介紹。

1.2 確定設備功率

進行負荷計算時，需將用電設備按其性質(zhì)分為不同的用電設備組，然后確定設備功率。用電設備的額定功率Pr或額定容量Sr是指銘牌上標明的數(shù)據(jù)。對于不同負載持續(xù)率下的額定功率或額定容量，應換算到統(tǒng)一負載持續(xù)率下的有功功率，即設備功率Pe。

（1）連續(xù)工作制電動機的設備功率等于額定功率。

（2）短時或周期工作制電動機的設備功率是指將額定功率換算為統(tǒng)一負載持續(xù)率下的有功功率。

（3）整流器的設備功率是指額定直流功率。

（4）成組用電設備的設備功率是指不包括備用設備在內(nèi)的所有單個用電設備的設備功率之和。

（5）白熾燈的設備功率為燈泡的額定功率。氣體放電燈的設備功率為燈管額定功率加上鎮(zhèn)流器的功率損耗。

1.3 負荷計算

目前地鐵中動力、照明設計時普遍采用的負荷計算方法為需要系數(shù)法，該方法簡便實用，準確率較高。

低壓負荷部分計算見表1。

表1

地鐵中的用電負荷等級按照其重要程度分為三級。對于一級負荷應由兩個電源供電，當一個電源發(fā)生故障時，另一個電源不應同時受到損壞。二級負荷的供電系統(tǒng)，宜由兩回線路供電。三級負荷可按約定供電。

按照需要系數(shù)法可以得出設備組的計算負荷：Pjs=KxPe。 將各設備組的計算負荷相加，變得到了變壓器所帶設備總計算負荷。對于單相負荷與三相復合同時存在時，應將單相負荷換算為等效三相負荷，再與三相符合相加。

用電設備的需要系數(shù)、功率因數(shù)等可以從設計手冊中查得，此處不再贅述。

在負荷計算時，還要考慮如下幾點：

（1）同時系數(shù)。對于不同時使用的設備該設備容量不應重復計算。

（2）季節(jié)性負荷。對于季節(jié)性負荷，應充分考慮與該設備的運行工況，避免重復計算。比如地鐵中的冷水機組和電伴熱設備。冷水機組為夏季制冷時使用，而電伴熱設備為冬季時為保護設備管線等使用，兩種設備容量不應累計。

（3）消防設備。當消防設備的計算負荷大于火災時切除的非消防設備的計算負荷時，應按消防設備的計算負荷加上火災時未切除的非消防設備的計算負荷進行計算。當消防設備的計算負荷小于火災時切除的非消防設備的計算負荷時，可不計入消防負荷。

根據(jù)負荷計算表，即可計算出所需變壓器的容量，同時確定進線開關的大小以及電容的大小。

表2為變壓器的選擇（僅列出一段母線變壓器計算方法）。

表3為電容器的選擇（僅列出一段母線電容器計算方法）。

表2

表3

一般正常工況下的變壓器負荷率在 70%~80%比較合適，故障情況下只要一臺變壓器能夠滿足全部一二級負荷即可。

2 負荷計算與實際變壓器負載率的差異

2.1 地鐵變壓器負載率現(xiàn)狀

從目前北京地鐵調(diào)查狀況來看，各車站配電變壓器的選擇偏大，正常運行時段的負載率較低，運行實測負荷情況遠低于其設計計算負荷。各站配電變壓器在正常運行時段變壓器負載率均低于30%。地鐵二號線全線平均負載率為23%。在正常運行時段（6∶00~23∶30），80%以上的配電變壓器的負載率低于30%以下，只有不到20%的變壓器的負載率在30%~50%之間。此外，根據(jù)各車站半年的負荷統(tǒng)計計算得知，除個別車站的平均負載率略大于50%外，其他車站遠低于我國目前干式變壓器 70%~80%效益最佳負載率的狀況。另外，根據(jù)調(diào)查其他城市的情況得知，廣州地鐵1號線在運行6年之后，除少數(shù)幾臺配電變壓器在正常運行時段負載率超過40%外，大多數(shù)都低于40%。經(jīng)了解，上海地鐵也同樣存在動力照明系統(tǒng)計算負荷嚴重偏大、配電變壓器負載率偏低的現(xiàn)象。

2.2 對負荷率現(xiàn)狀的分析

從上述現(xiàn)狀中可以看出，全國地鐵變壓器的負荷率都存在著偏低的現(xiàn)象，這個問題不僅增加了地鐵的一次性投資和運行成本，同時也給地鐵的運行帶來諸多不利的問題。為何計算與實際存在如此之大的偏差呢，主要從以下幾個方面考慮：

（1）在設計時，對地鐵車站內(nèi)的動力照明負荷系數(shù)的選用偏高。對于需要系數(shù)、同時系數(shù)等并沒有詳細的規(guī)定，都是設計人員根據(jù)以往的經(jīng)驗并參照設計手冊估算的。很多地鐵中使用的設備在手冊中并沒有或者使用工況不同。目前，各設計院仍采用工業(yè)和民用建筑的設計規(guī)范來進行地鐵的負荷計算，導致計算負荷與實際負荷偏差較大。

（2）地鐵各設備專業(yè)在提出用電需求時，本身對用電量的估算是偏大的，比如通風空調(diào)、通信信號等，它們自身專業(yè)的計算也是要比實際需求大很多的。在設計時還要考慮出預留部分，以防將來有設備的增加或用電量的增加。但這種預留究竟需要多少，各專業(yè)也是根據(jù)自己的經(jīng)驗估算的，規(guī)范上也沒有明確，因此在設計時普遍存在“大一點比少一點要安全”的理念。各專業(yè)只考慮自己預留多一些比較安全，但并不了解變壓器負荷率過低帶來的危害。

（3）對各專業(yè)負荷工況缺乏分析。下面對于可能造成負荷計算偏高的設備進行分析：

對于消防負荷：上面說到不應重復計算，因為在火災情況下非消防負荷需要切除，變壓器只帶消防負荷。故不應簡單的把消防負荷疊加到計算負荷中。

對于車站屏蔽門的負荷：根據(jù)實測，屏蔽門的負荷只是在開起與關閉期間，也只是在機車到站時的3s和離站前的3s期間屏蔽門電動機才消耗電能，其他關閉時間內(nèi)電動機基本上不消耗電能的。即便是按遠期行車密度30對/h計算，屏蔽門的驅(qū)動設備的額定負載持續(xù)率也低于20%。對于此種短時工作制的電機設備，應換算到統(tǒng)一負載持續(xù)率下的有功功率，不應簡單的把設備負荷進行疊加。各車站的污水泵、雨水泵、廢水泵等，其運行受天氣的影響很大，同樣也屬間歇性負荷，如按長期運行負荷計算也會高估負荷情況。

對于車站內(nèi)電扶梯的負荷：根據(jù)地鐵客流特性，扶梯下行客流為持續(xù)低流量客流，下行時扶梯處于低負荷和空載狀態(tài)。上行為間歇性客流，間歇時間與行車間隔有關，上行時處于短時周期性高負載率狀態(tài)。在無人情況下電扶梯是以50%的低速在運行，其耗能按理論計算僅為原來功率的1/8。因此，地鐵電扶梯的運行特點與其他民用和商用電扶梯相比具有自己的負荷特性，因此電扶梯組的需用系數(shù)與民用和工業(yè)設計也大不相同，應當適當降低。

對于隧道風機的負荷：地下車站動力負荷較大的原因之一是各車站風系統(tǒng)中4臺隧道風機。根據(jù)隧道的不同情況，通常風機的功率設計為90~110kW。隧道風機只是在兩種情況下才啟動運行：一是在早、晚運行前后半小時各開起一次風機，運行 30min，用于抽排隧道區(qū)間的廢氣；二是事故狀態(tài)（或火災狀態(tài)）下機車阻塞在隧道區(qū)間內(nèi)，向區(qū)間內(nèi)送風或者火災事故排煙。在第一種情況下，風機每天僅運行一或兩次，每次運行時間很短；而第二種情況（事故狀態(tài)）下的送風和排煙的幾率更少。但是隧道風機由于承擔了事故狀態(tài)下的防排煙功能，要列為一類負荷來計算，這樣4臺風機的需用系數(shù)應該如何考慮是值得研究的。

3 結(jié)論

變壓器的鐵損不隨負荷變化，而銅損則與通過電流的平方成正比。在變壓器運行中，我們通常以空載損耗和負載損耗作為衡量變壓器損耗的兩個重要參數(shù)。變壓器制造廠設計時負載率低于30% 的負載或輕載時變壓器經(jīng)濟性最差。50%的負載率不是節(jié)能的最佳狀態(tài)?？紤]到初裝費、變壓器、低壓柜、土建投資及各項運行費用，又考慮變壓器在使用期間內(nèi)預留適當?shù)娜萘?，變壓器負載率在70%~80%之間較為合理，這樣既充分利用了變壓器又減少了其他投資。因此，我們在以后的變壓器負荷計算中，應充分考慮變壓器負荷率的問題，了解各用電設備的各種工況，對需要系數(shù)、同時系數(shù)、功率因數(shù)的選取要盡量貼和實際，各用電專業(yè)在提用電需求時也應以滿足功能需求為基礎，不要預留太多容量。

現(xiàn)在大力倡導節(jié)能，在地鐵設計中也應遵循這一原則，變壓器是地鐵中耗能較大的一部分，在變壓器上可以節(jié)約的能源很多，我們應當充分認識到這一點。盡量發(fā)揮變壓器的性能，使其經(jīng)濟性、可靠性、效率都達到一個較高的平衡點，使地鐵配電設計上升一個新臺階。

[1]地鐵設計規(guī)范.中國計劃出版社, GB/T 7260.3-2003主編單位:北京城建設計研究總院.

[2]供配電系統(tǒng)設計規(guī)范.中國計劃出版,GB50052-95主編單位:中華人民共和國機械工業(yè)部.

[3]10kV及以下變電所設計規(guī)范. 中國計劃出版社,GB50052-95. 主編單位:中華人民共和國機械工業(yè)部.