楊瑞青

（濟(jì)南舜達(dá)軌道交通設(shè)計有限公司，250003，濟(jì)南//高級工程師）

城市軌道交通是以消耗電能為主的運(yùn)輸方式，相對于其他的交通工具而言，具有運(yùn)能大、快速、環(huán)保和能源消耗少等優(yōu)點(diǎn)。按同等運(yùn)能比較，城市軌道交通的能耗只相當(dāng)于小汽車的1/9、道路公交的1/2［1］。城市軌道交通盡管能耗低，但其運(yùn)營成本卻居高不下，這主要是城市軌道交通電能損耗太大導(dǎo)致的。

除了必須的牽引用電外，非牽引負(fù)荷的配電變壓器的能耗也占很大的比重。非牽引負(fù)荷的變壓器安裝容量大，但實(shí)際同時運(yùn)行負(fù)荷小，故配電變壓器的負(fù)載率低，尤其是地下車站的非牽引負(fù)荷配電變壓器的一般日負(fù)荷率僅為10%～30%［2］。過低的負(fù)載率不但導(dǎo)致變壓器的無功損耗很大，而且占用系統(tǒng)容量資源，使運(yùn)營費(fèi)用高企。本文針對非牽引負(fù)荷配電變壓器進(jìn)行分析。

1 城市軌道交通配電現(xiàn)狀

1.1 三級負(fù)荷比例低

城市軌道交通非牽引負(fù)荷配電設(shè)備的組成分類如圖1所示。由圖1可見，一、二級負(fù)荷較多，而三級負(fù)荷僅分布在冷凍機(jī)組及商業(yè)照明等領(lǐng)域。故三級負(fù)荷的比重較小。根據(jù)文獻(xiàn)［2］,在總配電負(fù)荷中，一、二級負(fù)荷所占比例高達(dá)70%以上，而三級負(fù)荷所占比例不足30%。這就決定了城市軌道交通配電變壓器正常運(yùn)營時的負(fù)載率不可能很高。

1.2 變壓器負(fù)載率要求

根據(jù)GB/T 13462—2008《電力變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》，雙繞組變壓器綜合功率損耗率ΔPz與變壓器平均負(fù)載系數(shù)β的關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可見，負(fù)載率β的臨界點(diǎn)為βjz。當(dāng)β＜βjz時，β越低，變壓器綜合功率損耗率ΔPz越大。如變壓器長期不合理輕載運(yùn)行，則其容量得不到充分利用，變壓器工作效率低下，功率損耗成倍增加。隨著βjz的提升，ΔPz會有明顯的降低，故節(jié)電措施規(guī)定變壓器的負(fù)載率不應(yīng)小于30%。根據(jù)△Pz，將變壓器△Pz與β關(guān)系的運(yùn)行曲線劃分為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)與非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)，并特別劃出最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)。相應(yīng)的，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)為β2jz≤β≤1，其中最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)為 1.33 β2jz≤β≤0.75，非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū) 0≤β≤β2jz。

圖1 城市軌道交通非牽引用電負(fù)荷組成分類（一側(cè)）

圖2 ΔPz與β的關(guān)系曲線及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)劃分

2 不同負(fù)荷計算方法比較

一般建筑工程負(fù)荷計算采用需要系數(shù)法。城市軌道交通工程負(fù)荷計算時由于缺乏用電設(shè)備組有依據(jù)的需要系數(shù)，所以大多采用保守計算的方法。這就導(dǎo)致計算負(fù)荷與實(shí)際運(yùn)營負(fù)荷差距太大。而城市軌道交通設(shè)備的運(yùn)行有其特殊性，故不能完全參照《工業(yè)與民用配電手冊》中的需要系數(shù)來計算。

GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：“配電變壓器的容量選擇應(yīng)滿足一臺配電變壓器退出運(yùn)行時另一臺配電變壓器能負(fù)擔(dān)供電范圍內(nèi)的一、二級負(fù)荷”。配電變壓器容量主要根據(jù)該規(guī)定及GB 50053—2013《20 kV及以下變電所設(shè)計規(guī)范》來選取。

根據(jù)一、二級負(fù)荷的性質(zhì)，城市軌道交通車站變電所一般需設(shè)置2臺變壓器，采用單母線分段接線形式。

本文以濟(jì)南軌道交通R3線（以下簡為“R3線”）龍洞莊站為例進(jìn)行計算分析。R3線共設(shè)12座車站，均為地下站，平均站間距約為1.778 km。龍洞莊站為R3線的南起點(diǎn)站。

2.1 保守計算方法

表1是龍洞莊站所有一、二級負(fù)荷分類表。

由于負(fù)荷較多，表中部分一、二級負(fù)荷已做合并，可根據(jù)不同負(fù)荷運(yùn)行的特點(diǎn)選取需要系數(shù)［2］。根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊》的需要系數(shù)法確定負(fù)荷的計算式為：

式中：

PC——計算容量；

K∑P——取0.9；

K∑q——取0.95；

KX——需要系數(shù)；

Pe——設(shè)備容量。

表1中的用電設(shè)備組計算負(fù)荷Sc1=1 437 kVA，故選取額定容量Se1=1 600 kVA的變壓器。龍洞莊站在初步設(shè)計階段正是選取了額定容量為1 600 kVA的變壓器。

表1 龍洞莊站一、二級負(fù)荷概況表

2.2 按實(shí)際運(yùn)行工況計算的方法

環(huán)控風(fēng)機(jī)為配電系統(tǒng)的主要設(shè)備，是地下車站的負(fù)荷大戶。本文從主要設(shè)備入手，闡述結(jié)合實(shí)際運(yùn)行工況的負(fù)荷計算方法。龍洞莊站通風(fēng)空調(diào)專業(yè)的隧道環(huán)控風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況為：平時用于隧道內(nèi)的排風(fēng)，僅在運(yùn)營前0.5 h及運(yùn)營后0.5 h開啟；消防時根據(jù)所在區(qū)間的情況開啟相關(guān)環(huán)控風(fēng)機(jī)?？梢?，早上環(huán)控風(fēng)機(jī)開啟時，站內(nèi)的大多數(shù)設(shè)備還沒有運(yùn)行；晚上環(huán)控風(fēng)機(jī)開啟時站內(nèi)的大多數(shù)設(shè)備（如扶梯、屏蔽門、站廳站臺的正常照明等）已停止運(yùn)行。而且隧道環(huán)控風(fēng)機(jī)運(yùn)行時，還可利用環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的模式控制來分組控制環(huán)控風(fēng)機(jī)的啟停，保證最多同時開啟2臺隧道環(huán)控風(fēng)機(jī)。

由上述情況可知，運(yùn)營結(jié)束后開啟南北兩端各1臺一級環(huán)控風(fēng)機(jī)時的負(fù)荷為最大負(fù)荷。取表1中第 1、18、20、27、28、29、30、31、32、36、37、38 項(xiàng) 的 需要系數(shù)為0，取第2、19項(xiàng)的需要系數(shù)為1.0，其余項(xiàng)不變，K∑P取 0.9，K∑q取 0.95。經(jīng)計算，最大計算負(fù)荷Sc2=924 kVA。故按實(shí)際運(yùn)行工況計算的方法，應(yīng)選取額定容量Se2=1 000 kVA的變壓器。

2.3 按實(shí)際運(yùn)行工況計算方法的安全性優(yōu)化

配電變壓器不僅要保證正常運(yùn)營時供電范圍內(nèi)所有電氣設(shè)備的運(yùn)行，還擔(dān)負(fù)著消防狀態(tài)時所有同時投入運(yùn)行的設(shè)備的供電。所以必須要根據(jù)消防安全性要求來對Se2進(jìn)行優(yōu)化。

GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》第28.1.4條規(guī)定：“一條線路、一座換乘車站及其相鄰區(qū)間的防火設(shè)計應(yīng)按同一時間發(fā)生一次火災(zāi)計”。根據(jù)通風(fēng)空調(diào)專業(yè)提供的最大火災(zāi)工況運(yùn)行條件，任何區(qū)間內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時4臺隧道風(fēng)機(jī)均有可能同時運(yùn)行。按任一區(qū)間內(nèi)發(fā)生火災(zāi)計算：表1中第20項(xiàng)“屏蔽門”為瞬時負(fù)荷，火災(zāi)情況下開啟后便不再動作，故此項(xiàng)的需要系數(shù)可調(diào)整為0；而1～26項(xiàng)中的其他負(fù)荷需要系數(shù)均取 1.0，K∑P=1.0、K∑q=1.0。經(jīng)計算，消防時的計算負(fù)荷Sc3=1 485 kVA。根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》第28.2.11條規(guī)定“車站站臺公共區(qū)的樓梯、自動扶梯、出入口通道，應(yīng)滿足當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時在6 min內(nèi)將遠(yuǎn)期或客流控制期超高峰小時一列進(jìn)站列車所載的乘客及站臺上的候車人員全部撤離站臺到達(dá)安全區(qū)的要求”及28.2.4條對于疏散的規(guī)定，發(fā)生火災(zāi)時194 kW的電梯負(fù)荷僅能持續(xù)6 min，其他消防負(fù)荷持續(xù)的時間也不會太長；因此在選取變壓器時完全可以按照1.2倍的過負(fù)荷能力來選?。?］。綜上所述，選取額定容量Se3=1 250 kVA的變壓器。

由于Se3＞Se2，所以最終確定龍洞莊站變壓器的額定容量為1 250 kVA。實(shí)際計算時，每站的負(fù)荷情況不同，所以校對結(jié)果可能也會不同。如果Se3＜Se2，則變壓器的容量需取為Se2。

通過以上計算可以看出，保守計算方法與按實(shí)際工況計算并優(yōu)化方法的計算結(jié)果存在差距。如果變壓器取Se1時的負(fù)載率僅為30%，則取Se3時的負(fù)載率便能達(dá)到38.4%，這樣變壓器就可以工作在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)。

城市軌道交通配電變壓器容量計算的目的是要在保證安全性的前提下做到節(jié)能最大化，所以，計算時既要考慮實(shí)際運(yùn)行情況，盡量降低同時需要系數(shù)，又必須根據(jù)消防安全的要求對計算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。

3 結(jié)語

進(jìn)行城市軌道交通配電變壓器容量負(fù)荷計算時，應(yīng)結(jié)合設(shè)備實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行計算，剔除不同時運(yùn)行的設(shè)備。對大容量設(shè)備必須考慮實(shí)際工況，或優(yōu)化實(shí)際工況，而且必須要根據(jù)消防要求來優(yōu)化計算結(jié)果，從而達(dá)到既安全又節(jié)能的目的。

城市軌道交通工程節(jié)能要求貫穿設(shè)計、建設(shè)及運(yùn)營環(huán)節(jié)。設(shè)計是源頭，只有在源頭把握好，才能在后面的環(huán)節(jié)中得到更好的執(zhí)行。按實(shí)際運(yùn)行工況計算并按安全性優(yōu)化方法的思路完全符合“低投入、節(jié)能環(huán)保、高效益、可持續(xù)發(fā)展”的要求，以及建設(shè)節(jié)約型城市軌道交通的發(fā)展方向。

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