李家旭

摘 要：目前國(guó)內(nèi)地鐵車站動(dòng)力照明系統(tǒng)的配電變壓器負(fù)載率普遍偏低，大多在30%以下。文章通過(guò)分析現(xiàn)有負(fù)荷計(jì)算方法在地鐵工程中存在的問(wèn)題，結(jié)合地鐵車站的運(yùn)行模式，探討符合地鐵車站特性的負(fù)荷統(tǒng)計(jì)思路和方法。

關(guān)鍵詞：地鐵車站；負(fù)荷；負(fù)載率；模式

中圖分類號(hào)：U231 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）20-0077-02

B1 現(xiàn)行的負(fù)荷計(jì)算方法

計(jì)算負(fù)荷也稱最大負(fù)荷，是一個(gè)假想的持續(xù)負(fù)荷，其熱效應(yīng)與同一時(shí)段內(nèi)變動(dòng)負(fù)荷所產(chǎn)生的最大熱效應(yīng)相等。需要系數(shù)法源于對(duì)負(fù)荷曲線的分析，是一種經(jīng)驗(yàn)法，尤其適用于配變電所以及長(zhǎng)期平穩(wěn)運(yùn)行的負(fù)載。需要系數(shù)法因簡(jiǎn)便、權(quán)威，在工民建設(shè)計(jì)中被廣泛使用，是低壓配電設(shè)計(jì)主流的負(fù)荷計(jì)算方法。因而在地鐵車站的配電設(shè)計(jì)中，也被廣泛采用。

需要系數(shù)法的計(jì)算過(guò)程為：用電設(shè)備功率乘上需要系數(shù)得出設(shè)備組的計(jì)算功率（需要功率），然后多個(gè)設(shè)備組的計(jì)算功率加和再乘上同時(shí)系數(shù)。即：

需要系數(shù)法的準(zhǔn)確性源于對(duì)大量的工民建設(shè)備負(fù)荷的統(tǒng)計(jì)和分析，各設(shè)備的需要系數(shù)的確定與其運(yùn)行特點(diǎn)密切相關(guān)。而地鐵車站與一般工民建不同，其自有一套獨(dú)特的運(yùn)行模式，如果直接套用需要系數(shù)法，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行將會(huì)有很大差別。表1為國(guó)內(nèi)某線地鐵車站動(dòng)力照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所選用的需要系數(shù)。

根據(jù)以上系數(shù)計(jì)算，一般地下兩層標(biāo)準(zhǔn)站的計(jì)算有功功率多在1600kW以上，考慮到規(guī)范要求長(zhǎng)期工作負(fù)載率不宜大于85%，故變壓器容量多選2×1000kVA或2×1250kVA。

2 地鐵車站設(shè)備的運(yùn)行模式

地鐵車站內(nèi)主要的設(shè)備類別有：通風(fēng)空調(diào)設(shè)備、給排水設(shè)備、站臺(tái)門(mén)、電扶梯、照明、以及通信、信號(hào)以及綜合監(jiān)控等弱電系統(tǒng)設(shè)備。要準(zhǔn)確計(jì)算出車站的計(jì)算負(fù)荷，就需要掌握各類負(fù)荷的運(yùn)行模式，不能對(duì)負(fù)荷進(jìn)行簡(jiǎn)單的加和再乘系數(shù)。圖1為廣州某站各系統(tǒng)夏季實(shí)際能耗與提資額定功率的比例。

由圖1可知各系統(tǒng)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷遠(yuǎn)低于向動(dòng)照（低壓配電）專業(yè)提資的容量需求。造成以上原因有二，一是考慮裕量備用，二是對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)及系統(tǒng)間的配合及模式不了解。

2.1 通風(fēng)空調(diào)及給排水設(shè)備

通風(fēng)空調(diào)設(shè)備負(fù)荷占到車站總負(fù)荷的一半以上；其一般分隧道通風(fēng)系統(tǒng)（隧道風(fēng)機(jī)、軌排風(fēng)機(jī)）、大系統(tǒng)（公共區(qū)空調(diào)與風(fēng)機(jī)）、小系統(tǒng)（設(shè)備區(qū)空調(diào)與風(fēng)機(jī)）、水系統(tǒng)（為空調(diào)設(shè)備提供冷源）以及備用系統(tǒng)（設(shè)備區(qū)重要房間的備用空調(diào)）。隧道風(fēng)機(jī)理論上只在車站運(yùn)營(yíng)時(shí)段外早晚開(kāi)啟各半個(gè)小時(shí)，或在站臺(tái)以及區(qū)間火災(zāi)時(shí)才會(huì)開(kāi)啟。軌排風(fēng)機(jī)一般為列車進(jìn)站時(shí)開(kāi)啟，離站后關(guān)閉。大系統(tǒng)的空調(diào)與風(fēng)機(jī)一般采用變頻調(diào)控，在夏季早晚高峰時(shí)間才會(huì)全功率運(yùn)行，其他時(shí)段運(yùn)行功率約在額定功率的0.3～0.6之間。水系統(tǒng)設(shè)備與大系統(tǒng)類似，只是平峰時(shí)期還要為小系統(tǒng)提供冷源，所以負(fù)載持續(xù)率略高約在0.5～0.8之間。小系統(tǒng)設(shè)備在運(yùn)營(yíng)時(shí)段一般設(shè)計(jì)全功率運(yùn)行，但需注意的是備用系統(tǒng)與小系統(tǒng)某些設(shè)備在功能上重合，兩者不同時(shí)運(yùn)行，在計(jì)算時(shí)不可疊加。按此計(jì)算，一般地下兩層標(biāo)準(zhǔn)站夏季最高通風(fēng)空調(diào)負(fù)荷約為450kW。

給排水設(shè)備主要有消防泵、主廢水泵、出入口集水泵、敞口風(fēng)亭雨水泵、污水泵等。消防泵為消防專用設(shè)備。排水排污泵屬于短時(shí)工作制負(fù)荷，多采用液位控制，啟泵后半個(gè)小時(shí)內(nèi)一般即可將坑內(nèi)水抽排到停泵水位以下。

2.2 站臺(tái)門(mén)及電扶梯設(shè)備

站臺(tái)門(mén)屬于周期工作制負(fù)荷，只在開(kāi)啟和關(guān)閉的過(guò)程才會(huì)有電能消耗，此開(kāi)、關(guān)過(guò)程耗時(shí)一般不超過(guò)10s，按照遠(yuǎn)期行車密度（多為全程+區(qū)間）30對(duì)/小時(shí)計(jì)算，負(fù)載持續(xù)率約在18%。

電扶梯的功率與提升高度有關(guān)，滿載額定功率按每節(jié)梯階站兩人計(jì)算；現(xiàn)多采用變頻控制，在無(wú)人時(shí)以低速運(yùn)行，理論能耗為額定功率的1/8左右。一般地下站，從站臺(tái)到站廳以及出入口通道到地面皆設(shè)有電扶梯，當(dāng)人員從站廳扶梯上踏步出閘走到出入口扶梯下踏步的時(shí)間，站臺(tái)人員基本可以全部從站臺(tái)上到站廳；即可以認(rèn)為站內(nèi)扶梯與出入口扶梯錯(cuò)峰運(yùn)行。

2.3 照明及通號(hào)等弱電系統(tǒng)

車站照明分公共區(qū)和設(shè)備區(qū)照明，（一般地下車站）公共區(qū)照明不設(shè)就地控制，在早晚高峰時(shí)全部打開(kāi)，平峰時(shí)間通過(guò)節(jié)電措施，關(guān)閉或者降功率運(yùn)行；設(shè)備區(qū)照明一般設(shè)就地面板開(kāi)關(guān)，除車控室等有人值守房間，其余房間燈具一般處于關(guān)閉狀態(tài)。

通信、信號(hào)、綜合監(jiān)控、自動(dòng)售檢票等系統(tǒng)專業(yè)設(shè)備因此往往自成系統(tǒng)，低壓配電專業(yè)對(duì)其內(nèi)部各小系統(tǒng)及模塊負(fù)荷分配情況難以掌握。但是按照以上弱電系統(tǒng)提資及實(shí)際功耗對(duì)比，可知其所提的用電容量需求往往為各子系統(tǒng)及模塊額定功率總的和值。

3 地鐵車站的負(fù)荷計(jì)算

負(fù)荷計(jì)算的目的是求得最接近實(shí)際的同時(shí)運(yùn)行的最大負(fù)荷。與工民建設(shè)計(jì)不同，地鐵車站各系統(tǒng)的運(yùn)行模式是確定、往復(fù)的。下面就消防與非消防時(shí)各自最大模式進(jìn)行探討。

3.1 消防模式

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》，一條地鐵線一時(shí)間段內(nèi)僅考慮一處火災(zāi)，并規(guī)定的車站消防疏散時(shí)間為6分鐘。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在車站時(shí)，所有非消防二三級(jí)負(fù)荷會(huì)被切除，與消防以及行車安全等無(wú)關(guān)的一級(jí)負(fù)荷也會(huì)被切除（視設(shè)備情況立即或延時(shí)切除），并由FAS系統(tǒng)及BAS系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)相關(guān)消防設(shè)備。

車站參與消防的主要有隧道風(fēng)機(jī)、軌排風(fēng)機(jī)、大小系統(tǒng)排煙風(fēng)機(jī)、補(bǔ)風(fēng)風(fēng)機(jī)、消防泵、氣滅裝置等等。由于僅考慮一處火災(zāi)，著火點(diǎn)位置不同，聯(lián)動(dòng)的設(shè)備也不同（主要為通風(fēng)空調(diào)設(shè)備不同）。根據(jù)通風(fēng)空調(diào)的運(yùn)行模式表，其系統(tǒng)最大設(shè)備功率發(fā)生在站臺(tái)層公共區(qū)火災(zāi)時(shí)。此時(shí)要啟動(dòng)的設(shè)備一般有隧道風(fēng)機(jī)、軌排風(fēng)機(jī)、大系統(tǒng)排煙風(fēng)機(jī)、疏散樓梯及車控室補(bǔ)風(fēng)加壓風(fēng)機(jī)，此類設(shè)備總功率約在350kW。

消防泵及消火栓在火災(zāi)初期時(shí)為站內(nèi)人員自救用，按照規(guī)范僅考慮2處消火栓同時(shí)使用，當(dāng)消火栓噴出來(lái)的水流到主廢水泵房，并達(dá)到啟泵水位時(shí)，站臺(tái)門(mén)已經(jīng)開(kāi)啟到位，站臺(tái)乘客也基本疏散到站廳或地面；即廢水泵與站內(nèi)電扶梯可按非同時(shí)使用負(fù)荷考慮。

即火災(zāi)初期：P總=P弱電（除AFC、PIS）+P通風(fēng)排煙+P照明+P站內(nèi)扶梯+P消防泵。

6分鐘后人員疏散完畢，站內(nèi)扶梯可以停運(yùn)，此時(shí)公共區(qū)照明以及民用通信等亦可以被切除（以保障消防人員進(jìn)場(chǎng)后不會(huì)因噴水而加大觸電風(fēng)險(xiǎn)），此時(shí)有：

P總=P弱電（除AFC、PIS、民用通信等）+P通風(fēng)排煙+P應(yīng)急照明+P廢水泵+P消防泵。

3.2 非消防模式

非消防模式，即平時(shí)正常運(yùn)行情況。據(jù)第2節(jié)的運(yùn)行模式分析，車站用電設(shè)備最大運(yùn)行負(fù)荷應(yīng)該為夏季的早晚高峰，此時(shí)通風(fēng)空調(diào)設(shè)備功率最大。此時(shí)有：

P總=P弱電+P通風(fēng)空調(diào)+P照明+P扶梯+P水泵+P站臺(tái)門(mén)+P水泵+P檢修及生活用電。與消防模式相比非消防模式最大負(fù)荷明顯大于消防模式。

3.3 基于地鐵運(yùn)行模式的需要系數(shù)法

經(jīng)前文的闡述和比較，可以得出車站負(fù)荷計(jì)算主要考慮非消防時(shí)夏季早晚高峰運(yùn)行的負(fù)荷。在知曉了各系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀況后，可以結(jié)合需要系數(shù)法對(duì)各類設(shè)備進(jìn)行分組負(fù)荷計(jì)算。

3.3.1 弱電系統(tǒng)

由圖1可知弱電系統(tǒng)負(fù)荷的“水分”還比較多，可以通過(guò)需要系數(shù)及同時(shí)系數(shù)進(jìn)行約束，可令P弱電=K∑p×∑（Kd×Pr），式中K∑p及Kd可分別取0.6。

3.3.2 車站照明

車站公共區(qū)照明負(fù)荷應(yīng)據(jù)實(shí)統(tǒng)計(jì)，并以規(guī)范的推薦功率密度值進(jìn)行復(fù)核。設(shè)備區(qū)照明設(shè)備應(yīng)考慮同時(shí)系數(shù)，因?yàn)榇蟛糠衷O(shè)備房平時(shí)并不需要照明，僅在房間內(nèi)需要巡視、檢修時(shí)候才打開(kāi)，即：P照明=P公共區(qū)+K∑p×P設(shè)備區(qū)。

3.3.3通風(fēng)空調(diào)

如前文所述，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷在高峰時(shí)間由各個(gè)滿功率運(yùn)行的設(shè)備相加而得，此時(shí)不需要乘需要系數(shù)。

3.3.4 站臺(tái)門(mén)和扶梯

如前文所述，站臺(tái)門(mén)和電扶梯都屬于周期工作制，故在計(jì)算時(shí)，需將功率轉(zhuǎn)換成連續(xù)工作制下的功率：Pe=Pr×■。站臺(tái)門(mén)持續(xù)負(fù)載率取0.18；一般車站出入口扶梯總數(shù)量比站內(nèi)多，即滿載運(yùn)行時(shí)間較站內(nèi)扶梯短，故站內(nèi)扶梯ε值可取0.5；站外扶梯ε值可取0.25。由于站內(nèi)外扶梯錯(cuò)峰運(yùn)行，故計(jì)算扶梯設(shè)備組時(shí)需要乘上同時(shí)系數(shù)：Pc=K∑p×∑（Pe內(nèi)+Pe外）；同時(shí)系數(shù)K∑p可取0.4～0.5。

3.3.5 水泵

車站水泵為短時(shí)工作制，啟泵后一般在半個(gè)小時(shí)內(nèi)可以將水排至停泵水位以下，故將設(shè)備功率轉(zhuǎn)換成連續(xù)工作制時(shí)，根據(jù)配電手冊(cè)，ε值可取0.15，即Pe=Pr≈0.39Pr。此外由于風(fēng)亭、出入口的排水泵直接降水排往市政管網(wǎng)，不匯集到站內(nèi)主廢水泵，故各個(gè)水泵間還需乘同時(shí)系數(shù)。

3.3.6 檢修電源及插座等

車站機(jī)房及區(qū)間都設(shè)有檢修電源箱，而區(qū)間檢修電源箱一般在晚上使用，可忽略。車站機(jī)房檢修電源箱只考慮一處使用，且多是在設(shè)備故障停運(yùn)后才會(huì)使用，故此亦可以忽略。至于插座，公共區(qū)插座一般為自動(dòng)售貨或自助查詢用，設(shè)備功率較小。設(shè)備區(qū)插座亦多為運(yùn)營(yíng)人員充電或者其他零散小負(fù)荷用，小動(dòng)力箱計(jì)算時(shí)需要系數(shù)取0.2基本可以包住。

3.3.7 最大運(yùn)行負(fù)荷

上述系統(tǒng)、設(shè)備在夏季高峰時(shí)期可能同時(shí)運(yùn)行，將各設(shè)備組及其他零散負(fù)荷（乘需要系數(shù)后）的計(jì)算功率直接相加，即可得車站用電設(shè)備的最大運(yùn)行負(fù)荷，即計(jì)算負(fù)荷。但需注意的是，車站用電高峰持續(xù)的時(shí)間每天約4小時(shí)。如果以此值作為全天穩(wěn)定的計(jì)算負(fù)荷，按80%負(fù)載率選取變壓器，則在平峰時(shí)間，變壓器負(fù)載率又會(huì)有所降低。

4 結(jié)束語(yǔ)

地鐵車站配電變壓器負(fù)載率低下，一直為大家所詬病。追本溯源，還是各專業(yè)所提用電需求裕量太大，且沒(méi)有很貼合地鐵工程的負(fù)荷計(jì)算方法，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。從地鐵運(yùn)營(yíng)模式出發(fā)，通過(guò)對(duì)運(yùn)營(yíng)線路各專業(yè)設(shè)備用電量實(shí)測(cè)值的分析，修整需要系數(shù)的取值，是為行之有效的方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)（4版）[M].北京：中國(guó)電力出版社，2016.

[2]GB50157-2013.地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

[3]JGJ16-2008.民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[4]游澤銀，蘇忠.地鐵動(dòng)力照明系統(tǒng)負(fù)荷對(duì)運(yùn)營(yíng)成本的影響[J].都市快軌交通，2006，19（1）：52-53.

[5]羅利平.城市軌道交通地下車站動(dòng)力變壓器容量的選擇探討[J].變壓器，2010，47（8）：24-27.