王德發(fā)， 盧光明

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 武漢 430063)

城市軌道交通車(chē)站低壓負(fù)荷需要系數(shù)研究

王德發(fā)， 盧光明

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 武漢 430063)

針對(duì)城市軌道交通車(chē)站變壓器容量選擇過(guò)大、負(fù)荷率低的問(wèn)題，通過(guò)分析車(chē)站用電負(fù)荷計(jì)算過(guò)程，得知需要系數(shù)Kx與多種因素有關(guān)?；谖錆h地鐵秋季和夏季用電負(fù)荷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合設(shè)計(jì)手冊(cè)中各設(shè)備需要系數(shù)的取值，通過(guò)研究螃蟹岬站實(shí)際用電情況，給出軌道交通不同類(lèi)型用電設(shè)備的需要系數(shù)取值或范圍。同時(shí)也提出，考慮到大功率風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)情況，地下車(chē)站變壓器容量不宜小于800 kVA。該結(jié)果對(duì)于城市軌道交通車(chē)站負(fù)荷計(jì)算和變壓器容量選擇具有指導(dǎo)意義。

城市軌道交通； 低壓配電； 負(fù)荷計(jì)算； 需要系數(shù)； 變壓器容量

1 研究背景

城市軌道交通低壓配電變壓器承擔(dān)的負(fù)荷種類(lèi)復(fù)雜，相應(yīng)的容量選擇難度也較大。在選擇配電變壓器容量前一般根據(jù)車(chē)站各系統(tǒng)設(shè)備專(zhuān)業(yè)提交的負(fù)荷來(lái)統(tǒng)計(jì)車(chē)站的負(fù)荷，由于各系統(tǒng)設(shè)備提交的負(fù)荷容量裕度一般較大，且設(shè)計(jì)人員對(duì)軌道交通的負(fù)荷特性認(rèn)識(shí)不夠深入，故國(guó)內(nèi)軌道交通配電變壓器的容量選擇普遍存在偏大的情況。經(jīng)對(duì)廣州地鐵、蘇州地鐵1號(hào)線、武漢地鐵2號(hào)線的調(diào)查，降壓變電所35/0.4 kV變壓器的負(fù)荷率平均為20%左右，例如對(duì)蘇州地鐵1號(hào)線全線車(chē)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在夏季的空調(diào)季節(jié)，變壓器最大負(fù)荷率出現(xiàn)在中央公園站，僅為29%；最小負(fù)荷率出現(xiàn)在養(yǎng)育巷站，為6.3%。變壓器容量選擇偏大，不僅增加建設(shè)成本，而且增加電能損耗，不符合國(guó)家節(jié)能減排的要求：因此，合理選擇配電變壓器的容量顯得尤為重要。

城市軌道交通低壓配電系統(tǒng)用電負(fù)荷分析研究的難點(diǎn)在于準(zhǔn)確把握各類(lèi)負(fù)荷的實(shí)際運(yùn)行情況和實(shí)際用電量：因此，需要對(duì)已運(yùn)營(yíng)的線路進(jìn)行大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的調(diào)查、分析，并在此基礎(chǔ)上，以工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)的基本理論為依據(jù)，分析、研究出較為準(zhǔn)確的低壓配電系統(tǒng)需要系數(shù)的選取方法，同時(shí)對(duì)造成變壓器取值過(guò)大的其他原因進(jìn)行分析，合理選擇變壓器容量。

城市軌道交通線路以地下車(chē)站的負(fù)荷最為復(fù)雜，因此，本文以武漢地鐵2號(hào)線螃蟹岬站為研究對(duì)象，對(duì)該站35/0.4 kV降壓變壓器二次側(cè)的低壓饋出線進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得到了各饋出回路在秋季、夏季的實(shí)際負(fù)荷情況，并參考廣州地鐵大石站和昆明地鐵福德站的負(fù)荷統(tǒng)計(jì)情況進(jìn)行分析。由于各地鐵車(chē)站的負(fù)荷性質(zhì)、用電使用情況基本相同，因此對(duì)某一座車(chē)站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析具有普遍性意義。

2 負(fù)荷計(jì)算的理論與方法

負(fù)荷計(jì)算的方法有需要系數(shù)法、利用系數(shù)法、單位指標(biāo)法等[1-2]。

城市軌道交通低壓配電變壓器的負(fù)荷計(jì)算一般采用需要系數(shù)法。用此方法進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算時(shí)，將變電所配電干線范圍內(nèi)的用電設(shè)備按照類(lèi)型統(tǒng)一分組，配電干線的計(jì)算負(fù)荷為各用電設(shè)備組的計(jì)算負(fù)荷之和再乘以同時(shí)系數(shù)，變電所的計(jì)算負(fù)荷為各配電干線計(jì)算負(fù)荷之和再乘以同時(shí)系數(shù)[3-4]。用電設(shè)備組的計(jì)算負(fù)荷為：

Pc=Kx×Pe

式中：Pc為用電設(shè)備組的計(jì)算負(fù)荷；

Pe為用電設(shè)備組的設(shè)備功率；

Kx為需要系數(shù)，由下式確定

Kx=Kt×Kh/(Ns×Nt)

式中：Kt為設(shè)備同時(shí)運(yùn)行系數(shù)：用電設(shè)備組的全部設(shè)備并不同時(shí)運(yùn)行，Kt即設(shè)備組在最大負(fù)荷時(shí)運(yùn)行的設(shè)備容量與總?cè)萘恐取?/p>

Kh為設(shè)備組的負(fù)荷系數(shù)：用電設(shè)備不一定滿載工作，Kh即設(shè)備組在最大負(fù)荷時(shí)的輸出功率與總功率之比。

Ns為設(shè)備組的平均效率:設(shè)備的輸出容量與輸入容量之間存在效率，Ns即設(shè)備組在最大負(fù)荷時(shí)的輸出功率與取用功率之比。

Nt為配電線路的平均效率:向用電設(shè)備供電的線路有損耗，存在線路效率，Nt即配電線路在最大負(fù)荷時(shí)末端功率(設(shè)備組的取用功率)與前端功率(計(jì)算功率)之比。

計(jì)算負(fù)荷的確定，關(guān)鍵是需要系數(shù)Kx的確定，而對(duì)設(shè)計(jì)工作者來(lái)說(shuō)上述的Kt、Kh、Ns、Nt系數(shù)是較難確定的，僅能通過(guò)查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)來(lái)大致確定Kx。

3 地鐵站低壓配電負(fù)荷分類(lèi)及構(gòu)成

3.1負(fù)荷分類(lèi)

地下車(chē)站低壓配電負(fù)荷主要由通信、信號(hào)、通風(fēng)空調(diào)、給排水、電扶梯、照明等負(fù)荷構(gòu)成，旨在保證軌道交通安全運(yùn)行，并為乘客候車(chē)提供舒適的環(huán)境。它與車(chē)站的規(guī)模和結(jié)構(gòu)以及環(huán)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式密切相關(guān)。

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2013)要求，地鐵用電負(fù)荷按其不同的用途和重要性分為三級(jí)[5]，而地下車(chē)站用電負(fù)荷以一、二級(jí)負(fù)荷為主，占總負(fù)荷的70%～80%。根據(jù)用電設(shè)備的類(lèi)型可將車(chē)站設(shè)備分為照明類(lèi)、電動(dòng)機(jī)類(lèi)和電子與計(jì)算機(jī)類(lèi)(弱電類(lèi))。

3.2負(fù)荷構(gòu)成

城市軌道交通車(chē)站負(fù)荷根據(jù)其特性可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)屬于系統(tǒng)性負(fù)荷，是根據(jù)車(chē)站的功能必須設(shè)置的，與車(chē)站的規(guī)模和結(jié)構(gòu)基本無(wú)關(guān)，全線負(fù)荷基本一致，這一類(lèi)負(fù)荷主要由電子與計(jì)算機(jī)類(lèi)負(fù)荷構(gòu)成，包含通信、信號(hào)、AFC(自動(dòng)售檢票)、FAS(火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng))、BAS(環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng))、ISCS(綜合監(jiān)控系統(tǒng))、安全門(mén)、氣體滅火等系統(tǒng)負(fù)荷；另一類(lèi)負(fù)荷根據(jù)車(chē)站的規(guī)模和功能定位設(shè)置，主要包含通風(fēng)空調(diào)、給排水、電扶梯、照明、二三級(jí)負(fù)荷小動(dòng)力、站內(nèi)小商業(yè)等[6]。

4 地鐵站負(fù)荷實(shí)測(cè)結(jié)果

采用需要系數(shù)法進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算時(shí)，需要確定Kx，城市軌道交通中Kx取值不僅與設(shè)備的負(fù)荷率、效率、臺(tái)數(shù)、工作情況及線路損耗有關(guān)，而且與維護(hù)管理水平等因素有關(guān)。Kx的取值是否準(zhǔn)確只能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法檢驗(yàn)，因此，在無(wú)法取得Kt、Kh、Ns、Nt等系數(shù)的前提下，通過(guò)實(shí)際測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷的大小，并與設(shè)備容量進(jìn)行比較來(lái)大致確定需要系數(shù)Kx，是具有現(xiàn)實(shí)意義的。

4.1現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷實(shí)測(cè)情況

筆者聯(lián)合武漢地鐵運(yùn)營(yíng)部門(mén)對(duì)武漢地鐵2號(hào)線螃蟹岬站的負(fù)荷進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)時(shí)間分別選取在秋季和夏季。由于目前國(guó)內(nèi)大部分地鐵未采用電采暖設(shè)備，選取秋、夏季進(jìn)行實(shí)測(cè)，可以涵蓋地下車(chē)站的平時(shí)負(fù)荷和最大負(fù)荷。

螃蟹岬站為武漢地鐵2號(hào)線的一座標(biāo)準(zhǔn)2層站，車(chē)站設(shè)35/0.4kV變電所1座，變壓器容量為2×1000kVA，未設(shè)置電容補(bǔ)償柜?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)從10月9日開(kāi)始至10月31日結(jié)束，共23天，因篇幅關(guān)系，本文僅截取其中部分典型數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。從實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)看，各系統(tǒng)負(fù)荷變化不大。

表2為螃蟹岬站夏季現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)負(fù)荷，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)共進(jìn)行了3天，主要對(duì)夏季用電量較大的設(shè)備，如冷水機(jī)組電源、環(huán)控電源(通風(fēng)空調(diào)負(fù)荷)，以及一些動(dòng)力、照明負(fù)荷全開(kāi)狀態(tài)下的回路進(jìn)行了實(shí)測(cè)。因篇幅關(guān)系，本文僅截取其中部分典型數(shù)據(jù)。

表1 螃蟹岬站秋季負(fù)荷實(shí)測(cè)值

表2 螃蟹岬站夏季負(fù)荷實(shí)測(cè)值

續(xù)表

4.2實(shí)測(cè)負(fù)荷與設(shè)計(jì)負(fù)荷的比較

取螃蟹岬站各設(shè)備或系統(tǒng)用電負(fù)荷實(shí)測(cè)的最大值,并與設(shè)計(jì)值做比較,得到表3所示結(jié)果。

負(fù)表3 螃蟹岬站設(shè)計(jì)與實(shí)測(cè)負(fù)荷比較Tab.3 ComparisionbetweentheplannedloadandtherealloadbytestingofPangxiejiastation回路/負(fù)荷名稱(chēng)設(shè) 計(jì)實(shí) 測(cè)設(shè)備總?cè)萘?kW需要系數(shù)計(jì)算容量/kW功率因數(shù)實(shí)測(cè)最大電流/A實(shí)測(cè)負(fù)荷/kVA實(shí)測(cè)負(fù)荷/設(shè)備容量I段進(jìn)線1000kVA 393258.70.26II段進(jìn)線1000kVA 155.6102.40.10通風(fēng)空調(diào)類(lèi)合計(jì)877.70.8702.20.8384.50.44冷水機(jī)組合計(jì)4340.8 347.20.8 105.70.24水泵類(lèi)合計(jì)660.8570.7～0.87.90.12站臺(tái)門(mén)、扶梯、電梯類(lèi)合計(jì)2900.82310.6～0.8400.14電子計(jì)算機(jī)類(lèi)合計(jì)193.50.8～1170.50.834.80.18其他動(dòng)力類(lèi)合計(jì)2800.8～12360.854.80.2照明類(lèi)合計(jì)21612160.91040.48

從表3 可看出,該站1# 變壓器的負(fù)載率僅26%;2# 變壓器的負(fù)載率僅10%,且各回路實(shí)際負(fù)荷遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)負(fù)荷,但如果僅按照實(shí)際負(fù)荷與設(shè)計(jì)負(fù)荷的比值作為需要系數(shù)的取值依據(jù),也是不盡合理的。另外,由于設(shè)計(jì)負(fù)荷不一定為設(shè)備的額定容量,如照明類(lèi)、小動(dòng)力類(lèi)負(fù)荷往往為估算值,因此,應(yīng)具體分析造成各類(lèi)設(shè)計(jì)負(fù)荷值與實(shí)測(cè)值相差較大的原因，以確定需要系數(shù)的取值。

5 地鐵站用電負(fù)荷需要系數(shù)分析

5.1通風(fēng)空調(diào)類(lèi)負(fù)荷需要系數(shù)

地下車(chē)站的通風(fēng)空調(diào)類(lèi)負(fù)荷占車(chē)站負(fù)荷的比重最大，其需要系數(shù)的取值直接影響變壓器容量的計(jì)算。但車(chē)站通風(fēng)空調(diào)類(lèi)負(fù)荷的設(shè)備容量遠(yuǎn)大于實(shí)際測(cè)量值，分析其原因?yàn)椋?) 環(huán)控設(shè)備實(shí)際是按模式運(yùn)行的，即不是所有設(shè)備均同時(shí)運(yùn)行；2) 部分大功率通風(fēng)設(shè)備(如隧道風(fēng)機(jī))僅在早晚通風(fēng)時(shí)開(kāi)啟，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中未包含這個(gè)時(shí)段的數(shù)據(jù)；3) 對(duì)于冷水機(jī)組電源來(lái)說(shuō)，車(chē)站一般按遠(yuǎn)期最大負(fù)荷設(shè)置2臺(tái)等容量大小的冷水機(jī)組，并根據(jù)運(yùn)行模式由隨機(jī)組設(shè)置的電腦控制運(yùn)行，根據(jù)武漢地鐵2號(hào)線的運(yùn)行情況，2臺(tái)冷水機(jī)組同時(shí)運(yùn)行的情況十分少見(jiàn)。

將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最大負(fù)荷值與通風(fēng)空調(diào)模式表(根據(jù)所在地區(qū)確定)的最大負(fù)荷值進(jìn)行比較，得出通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的需要系數(shù)為0.51；空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)置變頻器時(shí)的需要系數(shù)為0.56，其值較準(zhǔn)確地反映了設(shè)備實(shí)際使用情況。為保守起見(jiàn)，通風(fēng)空調(diào)類(lèi)設(shè)備的需要系數(shù)可取0.6[7]；冷水機(jī)組類(lèi)設(shè)備設(shè)置變頻器時(shí)的需要系數(shù)可取0.65，不設(shè)變頻器時(shí)可取0.85。

設(shè)置在配線、隧道口部的多臺(tái)射流風(fēng)機(jī)并不同時(shí)運(yùn)行，計(jì)算變壓器容量時(shí)應(yīng)根據(jù)隧道通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行模式表確定其是否計(jì)入變壓器容量。

5.2水泵類(lèi)負(fù)荷需要系數(shù)

由于消防泵為消防負(fù)荷，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法取得實(shí)測(cè)值，在變壓器容量計(jì)算時(shí)不應(yīng)該計(jì)入這部分負(fù)荷。主廢水泵平時(shí)僅間歇性地參與區(qū)間排水，其需要系數(shù)可按0.6考慮；從對(duì)出入口雨水泵回路的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，這類(lèi)水泵(含污水泵)負(fù)荷的需要系數(shù)取值0.8是合理的。

5.3站臺(tái)門(mén)、電扶梯類(lèi)負(fù)荷需要系數(shù)

從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)備容量的比較來(lái)看，扶梯、電梯類(lèi)的需要系數(shù)約為0.2，安全門(mén)的需要系數(shù)約為0.06，且昆明地鐵福德站的數(shù)據(jù)與之基本相同，但廣州地鐵大石站電梯、扶梯類(lèi)的負(fù)荷比值卻為0.5、安全門(mén)負(fù)荷的比值約為0.2，造成數(shù)據(jù)差異較大的原因是由于廣州地鐵大石站的客流較大。綜合考慮此類(lèi)負(fù)荷的情況，扶梯、電梯類(lèi)負(fù)荷的需要系數(shù)可取0.6[8]；站臺(tái)門(mén)負(fù)荷的需要系數(shù)可取0.3。

5.4電子計(jì)算機(jī)類(lèi)負(fù)荷需要系數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，車(chē)控室FAS電源、BAS電源、氣體滅火電源等電子類(lèi)設(shè)備的需要系數(shù)按保守估算，可取值0.4～0.7。

通信、信號(hào)、ISCS等系統(tǒng)實(shí)測(cè)負(fù)荷率約0.2，其中公安通信負(fù)荷率僅為0.09，但考慮到通信設(shè)備的實(shí)測(cè)容量值不一定反映其最大負(fù)荷，結(jié)合昆明地鐵、廣州地鐵的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)通信類(lèi)負(fù)荷的需要系數(shù)可保守取值0.5～0.6。

5.5小動(dòng)力類(lèi)負(fù)荷需要系數(shù)

此類(lèi)負(fù)荷是為車(chē)站一些不確定的小動(dòng)力設(shè)備所預(yù)留，設(shè)計(jì)考慮的設(shè)備容量較大，在車(chē)站運(yùn)營(yíng)后，實(shí)際使用此類(lèi)小動(dòng)力電源箱的情況較少，即設(shè)計(jì)負(fù)荷不是真實(shí)的設(shè)備容量，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)來(lái)看，有些回路的測(cè)量值是0，最大的也僅是設(shè)計(jì)負(fù)荷的0.5倍。因此，對(duì)這類(lèi)負(fù)荷的需要系數(shù)保守取值0.5。

5.6照明類(lèi)負(fù)荷需要系數(shù)

經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)此類(lèi)負(fù)荷，實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值的比值在0.12～0.79，比較昆明地鐵、廣州地鐵的數(shù)據(jù)也基本相同，造成比值較大的原因是由于供變電與低壓配電設(shè)計(jì)不同步，低壓配電需要估算照明負(fù)荷提供給供變電專(zhuān)業(yè)，即設(shè)計(jì)負(fù)荷不是真實(shí)的設(shè)備容量：因此，計(jì)算變壓器容量時(shí)，對(duì)照明類(lèi)負(fù)荷應(yīng)根據(jù)所提供資料的情況，取適當(dāng)?shù)男枰禂?shù)。如果低壓提供的資料為實(shí)際的設(shè)備容量，則需要系數(shù)可按照設(shè)計(jì)手冊(cè)的0.7～1取值；如果低壓提供的資料僅為估算值，則需要系數(shù)可按0.4～0.8取值。

6 結(jié)語(yǔ)

在城市軌道交通的設(shè)計(jì)中，由于各專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)裕度相對(duì)較大，且設(shè)備招標(biāo)選型時(shí)在容量的套用上就高不就低，如果僅按設(shè)計(jì)手冊(cè)套用電氣設(shè)備的需要系數(shù)計(jì)算變壓器的容量，選出的變壓器容量顯然是偏大的。

變壓器容量的計(jì)算不應(yīng)包括車(chē)站專(zhuān)用的消防風(fēng)機(jī)、消防水泵等消防設(shè)備的容量；設(shè)置配線、隧道口部的多臺(tái)射流風(fēng)機(jī)，并不同時(shí)運(yùn)行，計(jì)算變壓器容量時(shí)應(yīng)根據(jù)隧道通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行模式表確定其是否計(jì)入變壓器容量。

對(duì)其他專(zhuān)業(yè)提供的設(shè)備負(fù)荷，應(yīng)根據(jù)工藝要求準(zhǔn)確分析其最大負(fù)荷；對(duì)小動(dòng)力類(lèi)、照明類(lèi)負(fù)荷的估算，應(yīng)盡量根據(jù)實(shí)際配置的設(shè)備容量計(jì)算。

變壓器容量的選擇除了通過(guò)負(fù)荷計(jì)算確定外，還應(yīng)按照主接線的運(yùn)行方式確定一臺(tái)變壓器退出運(yùn)行時(shí)，另一臺(tái)變壓器的容量是否滿足所帶的所有負(fù)荷容量，且應(yīng)校核變壓器的容量是否滿足最大電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流的需求。按照地下車(chē)站一般設(shè)置4臺(tái)90 kW的隧道風(fēng)機(jī)考慮，車(chē)站變壓器容量不宜小于2×800 kVA。

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Demand Coefficient of Low-Voltage Load for Urban Rail Transit Station

WANG Defa，LU Guangming

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063)

The urban rail transit station often has the problems of high transformer capacity and low load rate. Through analy-zing the process of load calculation, we make a conclusion that the demand coefficientKxhas relation with many factors. Based on the actual measured power load of Wuhan subway in autumn and in summer, we research the actual electricity load of Pang-xiejia station and obtain the optimized value or range of demand coefficient for different types of electrical equipment in urban rail transit, referencing the rated value of demand coefficient in design regulations. Besides, considering the start situation of large-power wind turbine, the transformer capacity of the underground station should be larger than 800kVA. This result is of significance for the calculation of power load and selection of transformer capacity for urban rail transit station.

urban rail transit; low-voltage distribution; calculation of power load; demand coefficient; transformer capacity

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.05.017

2016-11-05

2016-12-19

王德發(fā)，男，高級(jí)工程師，電化處副總工程師，主要從事軌道交通低壓配電、FAS、BAS、ACS的設(shè)計(jì)與研究工作，94391813@qq.com

U231

A

1672-6073(2017)05-0093-06

(編輯：王艷菊)