城市軌道交通配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的節(jié)能措施

文│北京市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限有公司 李曉寧 彭繼紅

1 引言

軌道交通在北京市公共交通工具中所占份額巨大，且具有安全舒適、快速環(huán)保、運(yùn)能大和能源消耗少等特點(diǎn)。相對(duì)于其他出行工具，如小汽車、公交車，軌道交通本身就具有重要的節(jié)能減排意義。但是由于軌道交通總耗電量巨大，仍存在一定的節(jié)能潛力，城市軌道交通的節(jié)能減排工作依舊十分重要。

城市軌道交通屬于非常重要的公共設(shè)施，軌道交通中采取的節(jié)能措施應(yīng)在充分滿足、完善軌道交通功能要求的前提下，減少能源消耗、提高能源的利用率，減少無謂消耗的能量，但決不能為了節(jié)能而降低其功能標(biāo)準(zhǔn)。本文從減少無謂消耗的能量方面入手，從軌道交通配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面分析可采取的節(jié)能措施。

2 合理的進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算

在軌道交通中，通過負(fù)荷計(jì)算可合理選擇變壓器的容量，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，減少由于輕載運(yùn)行造成的不必要電能損耗，通過減少變壓器的有功損耗，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

2.1 有功損耗的計(jì)算

變壓器的有功損耗按下式計(jì)算：Δ Ρ=PO+Pk×β2，式中，Δ Ρ為變壓器的有功損耗(kW)；PO為變壓器的空載損耗（kW）；PK為變壓器的短路損耗（kW）；β為變壓器的負(fù)載率。

（1）變壓器的空載損耗：PO作為變壓器的空載損耗又稱鐵損，它是由鐵芯渦流損耗及漏磁損耗組成，其值與鐵芯材料及制造工藝有關(guān)，與負(fù)荷大小無關(guān)，所以在選用變壓器時(shí)最好選擇高效低能耗型變壓器，如S9、SL9、SCB9等。

（2）變壓器的短路損耗：Pk是變壓器額定負(fù)載傳輸?shù)膿p耗又稱變壓器線損，它取決于變壓器繞組的電阻值及流過繞組電流的大小，并與負(fù)荷率平方成正比。因此在選擇變壓器時(shí)應(yīng)選用阻值較小的繞組，如銅芯變壓器。選擇變壓器時(shí)，應(yīng)盡量減少變壓器的臺(tái)數(shù)，選用適當(dāng)?shù)拇笕萘孔儔浩鳌?/p>

2.2 提高變壓器的負(fù)載率

綜合初裝費(fèi)，變壓器、高/低壓柜、土建投資及運(yùn)行費(fèi)用，還要使變壓器在使用期內(nèi)預(yù)留適當(dāng)余量，變壓器最經(jīng)濟(jì)節(jié)能運(yùn)行的負(fù)載率一般應(yīng)在75%～85%之間。在這方面軌道交通配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)大有潛力可挖，地鐵中配電變壓器的負(fù)荷率較低。計(jì)算時(shí)，應(yīng)選用合理的計(jì)算系數(shù)，提高變壓器的負(fù)載率，使其經(jīng)濟(jì)節(jié)能地運(yùn)行。

地鐵內(nèi)的負(fù)荷具有階段性的特點(diǎn)，季節(jié)性較強(qiáng)。對(duì)于地鐵內(nèi)配電變壓器容量的選擇應(yīng)滿足車站用電負(fù)荷的運(yùn)行要求，即當(dāng)一臺(tái)配電變壓器故障或檢修退出運(yùn)行時(shí)，另一臺(tái)配電變壓器容量應(yīng)能滿足全部的一、二級(jí)負(fù)荷用電。另外，除了考慮一般照明和動(dòng)力負(fù)荷的用電之外，還需適當(dāng)預(yù)留廣告照明及物業(yè)開發(fā)用電，為方便運(yùn)營管理，可以對(duì)廣告照明及物業(yè)開發(fā)用電部分設(shè)置專用回路單獨(dú)計(jì)量。由于軌道交通相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范沒有明確規(guī)定地鐵配電系統(tǒng)計(jì)算負(fù)荷的方式，而地鐵車站內(nèi)各類用電負(fù)荷作為一種新型的負(fù)荷類型，其特點(diǎn)還沒有得到充分認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致計(jì)算過程中對(duì)重要負(fù)荷所需系數(shù)的選取差異較大。若參照工業(yè)和民用建筑的設(shè)計(jì)規(guī)范來進(jìn)行地鐵的負(fù)荷計(jì)算，則會(huì)導(dǎo)致計(jì)算負(fù)荷與實(shí)際負(fù)荷嚴(yán)重不符。地鐵車站內(nèi)的負(fù)荷往往是按照遠(yuǎn)期考慮（30年后）來進(jìn)行計(jì)算的，由于遠(yuǎn)期動(dòng)力照明負(fù)荷未比初期和近期增量成熟太多，而且還有樣板可以參照，規(guī)范上也沒有明確，又由于在設(shè)計(jì)時(shí)普遍存在“負(fù)荷計(jì)算大一點(diǎn)更安全”的理念，從而導(dǎo)致變壓器負(fù)荷率較低。通過合理的負(fù)荷計(jì)算研究，力求使軌道交通中配電變電器實(shí)際負(fù)荷接近最佳設(shè)計(jì)，同時(shí)還能滿足軌道交通遠(yuǎn)期負(fù)荷要求，以達(dá)到變壓器的節(jié)能目的。由此可見，通過合理的負(fù)荷計(jì)算，選用高效低能耗的變壓器對(duì)于節(jié)能是非常重要的。

3 減少線路上的能量損耗

減少線路上的能量損耗也可以達(dá)到節(jié)能的目的。眾所周知，由于配電線路上存在電阻，所以在有電流通過時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生有功功率損耗。軌道交通是一個(gè)綜合性的大工程，線路上的總有功損耗是相當(dāng)可觀的，若減少線路上的能耗，那就必須在設(shè)計(jì)中予以重視。

3.1 減少線路電阻

線路上的電流是不能改變的，要減少線路損耗，只有減小線路電阻。線路電阻R＝P×L / S，即線路電阻與電阻率P成正比，與線路截面S成反比，與線路長(zhǎng)度L成正比。因此減少線路的損耗應(yīng)從以下幾方面入手：應(yīng)選用電導(dǎo)率較小的材質(zhì)做導(dǎo)線，而地鐵內(nèi)一般選用銅芯電纜或者銅芯導(dǎo)線；可縮短導(dǎo)線長(zhǎng)度，合理配置軌道交通車站建筑形式，使變配電所的位置位于負(fù)荷中心，合理設(shè)定配電電纜豎井的位置，使得變配電所的進(jìn)/出線路由方便縮短電纜、母線的長(zhǎng)度，減少線路損耗，盡可能減少回頭輸送電能的支線，從而達(dá)到節(jié)能的目的；還應(yīng)增大導(dǎo)線截面，對(duì)于比較長(zhǎng)的線路，除滿足滿載流量、熱穩(wěn)定、動(dòng)穩(wěn)定、保護(hù)的配合及電壓損失所選定的截面，再加大一級(jí)導(dǎo)線截面，所增電纜購置費(fèi)用可以在電纜使用年限中回收成本，這種方法主要適用于較大截面的電纜。

3.2 進(jìn)行無功措施，減少線路電流

進(jìn)行無功補(bǔ)償，可以采用集中無功自動(dòng)補(bǔ)償和分散無功補(bǔ)償措施，來提高功率因數(shù)、降低線路損耗。有條件時(shí)，設(shè)備可進(jìn)行就地補(bǔ)償，提供用電設(shè)備的功率因數(shù)，降低線路的運(yùn)行電流。

有功功率是滿足設(shè)計(jì)功能所必須的且不可變的重要因素。系統(tǒng)中的用電設(shè)備，如電動(dòng)機(jī)、變壓器、線路、氣體放電燈中的整流器等都具有電感，會(huì)產(chǎn)生滯后的無功，需要從系統(tǒng)中引入超前的無功功率相抵消，這樣超前的無功功率就會(huì)從系統(tǒng)經(jīng)高、低壓線路傳輸?shù)接秒娫O(shè)備，在線路上產(chǎn)生有功功率損耗，而這部分損耗是可以通過提高設(shè)備的自然功率因數(shù)獲得的。熒光燈可采用高次諧波系數(shù)低于15%的電子鎮(zhèn)流器，自帶電容補(bǔ)償，如此就可以減少系統(tǒng)高、低壓線路傳輸?shù)某盁o功功率。由于感抗產(chǎn)生的是滯后的無功功率，可采用電容器補(bǔ)償，因?yàn)殡娙萜鳟a(chǎn)生的是超前的無功，兩者可以相互抵消，即Q＝Q L－QC，進(jìn)行無功補(bǔ)償可以提高功率因數(shù)，因而也減小了無功的需求量。當(dāng)有條件時(shí)，無功補(bǔ)償裝置應(yīng)就地安裝，進(jìn)行就地補(bǔ)償，這樣才能使線路上的無功傳輸減少，達(dá)到節(jié)能的目的。當(dāng)然地鐵中還可以采用有源濾波設(shè)備，抑制諧波電流在線路中的含量，以達(dá)到降低線路損耗的目的。

4 照明設(shè)計(jì)中的節(jié)能措施

在軌道交通照明設(shè)計(jì)方面的選擇上，宜選擇高效、節(jié)能的光源、燈具以及選用新技術(shù)燈具來達(dá)到節(jié)能的目的。照明設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定了各種場(chǎng)所的照度標(biāo)準(zhǔn)、視覺要求、照明功率密度等，所以照度標(biāo)準(zhǔn)是不可隨意降低的，也不宜隨便提高，若要有效地控制單位面積燈具安裝功率，在滿足照明質(zhì)量的前提下，一般房間（場(chǎng)所）應(yīng)優(yōu)先采用高效發(fā)光的熒光燈（如T5、T8管）及緊湊型熒光燈，高架區(qū)間及高架車站的室外照明等宜采用高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等高效氣體放電光源。地鐵配電系統(tǒng)中照明節(jié)能設(shè)計(jì)中的節(jié)能措施，并不是降低節(jié)能照度要求以及照明質(zhì)量，而是力求降低照明系統(tǒng)中的光能損失，提高燈具的發(fā)光效率，最大限度地利用好電能。

4.1 采用高效光源

由于白熾燈價(jià)格便宜，安裝、維護(hù)簡(jiǎn)單，過去應(yīng)用的最為廣泛，但它因其發(fā)光率太低容易被各種發(fā)光率高、光色好、顯色性能優(yōu)異的新光源取代。眼下廣泛使用的是低能耗性能卓越的光源用電附件，如電子鎮(zhèn)流器、節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器、電子觸發(fā)器以及電子變壓器等；公共建筑場(chǎng)所內(nèi)的熒光燈宜選用帶有無功補(bǔ)償?shù)臒艟?；緊湊型熒光燈應(yīng)優(yōu)先選用電子鎮(zhèn)流器；氣體放電燈宜采用電子觸發(fā)器。

4.2 選用新技術(shù)燈具

目前地鐵內(nèi)部采用的節(jié)能熒光燈基本上取代白熾燈，并適時(shí)的引入了LED燈具，在軌道交通中的高架車站及區(qū)間選用新型能源燈具，如太陽能燈具，而軌道交通中的高架車站及高架區(qū)間應(yīng)該充分利用自然采光。

4.3 合理的日?？刂?/h3>

在日常運(yùn)營中，一般多通過對(duì)地鐵照明設(shè)備的合理控制來達(dá)到節(jié)能的目的，比如說，地鐵內(nèi)公共區(qū)照明一般分為工作照明、節(jié)電照明、應(yīng)急照明、廣告照明、景觀照明（主要為高架站），附屬用房區(qū)主要分為一般照明、應(yīng)急照明。

公共區(qū)燈具可以采取高峰時(shí)段、非高峰時(shí)段兩種模式，在高峰時(shí)段公共區(qū)照明全開，非高峰時(shí)段公共區(qū)照明關(guān)掉一半，從而達(dá)到節(jié)能的目的，對(duì)于地鐵中附屬用房（包括設(shè)備機(jī)房和辦公用房）照明（包括附屬用房區(qū)域內(nèi)的應(yīng)急照明）宜設(shè)置就地控制開關(guān)，對(duì)于房間內(nèi)的應(yīng)急照明采用強(qiáng)啟開關(guān)模式，日常時(shí)可以關(guān)閉應(yīng)急照明，發(fā)生火災(zāi)時(shí)應(yīng)急照明可以強(qiáng)制點(diǎn)亮，不影響應(yīng)急照明的功能需求。另外，地鐵內(nèi)可以采用比較成熟的智能照明控制系統(tǒng)，針對(duì)地鐵車站內(nèi)、公共區(qū)內(nèi)的功能以及每天不同時(shí)間的用途和場(chǎng)景，可對(duì)所設(shè)定區(qū)域內(nèi)的燈具進(jìn)行智能控制，滿足各種環(huán)境對(duì)照明的控制要求。其中機(jī)場(chǎng)線就采用了松下照明的智能控制系統(tǒng)，對(duì)公共區(qū)內(nèi)的燈具進(jìn)行調(diào)光，不同時(shí)間調(diào)整不同的亮度。站廳、站臺(tái)、出入口的公共區(qū)照明、標(biāo)志照明、地面廳照明、廣告照明等可在車站綜控室由BAS控制，也可在照明配電室內(nèi)進(jìn)行控制。公共區(qū)的疏散照明為長(zhǎng)明燈，不設(shè)控制。附屬用房的正常照明及應(yīng)急照明均采用就地控制，應(yīng)急照明采用雙控開關(guān)，火災(zāi)時(shí)由FAS進(jìn)行強(qiáng)啟。

5 選用先進(jìn)節(jié)能的電機(jī)電氣設(shè)備

選用先進(jìn)節(jié)能的電機(jī)電器設(shè)備。電扶梯及大型風(fēng)機(jī)、水泵等采用變頻控制或采用軟起動(dòng)器，節(jié)約設(shè)備用電。從運(yùn)營管理上，當(dāng)車站高峰過后，可以關(guān)閉部分公共照明設(shè)備，變頻電扶梯低速運(yùn)行，這樣也可以達(dá)到節(jié)能的目的。

5.1 采用變頻器

采用具有變頻調(diào)速功能的公共交通重載荷型自動(dòng)扶梯，其特點(diǎn)是當(dāng)扶梯空駛一段時(shí)間后，會(huì)自動(dòng)將速度由0.65m/s切換到0.13m/s的節(jié)能運(yùn)行速度。當(dāng)有人乘坐扶梯時(shí)，通過傳感器感知后，其內(nèi)部變頻器將控制扶梯由0.13m/s平穩(wěn)過渡到0.65m/s的正常運(yùn)行速度，保證及時(shí)將乘客送至目的地。

由于地鐵中通風(fēng)空調(diào)設(shè)備及給排水等系統(tǒng)電機(jī)設(shè)備都是成套的設(shè)備，節(jié)能措施只能貫徹在運(yùn)行過程中，除了上述用就地補(bǔ)償電容器的方法減少線路因輸送超前無功而引起的有功損耗外，還應(yīng)減少電機(jī)的輕載和空載運(yùn)行。風(fēng)機(jī)采用變頻器，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)備一般按遠(yuǎn)期高峰小時(shí)運(yùn)行情況進(jìn)行配置，而系統(tǒng)負(fù)荷隨列車的對(duì)數(shù)、客流的變化而變化。在運(yùn)行初期、近期客流及行車對(duì)數(shù)遠(yuǎn)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)水平，因此設(shè)備容量有較大的富裕量；同樣在非高峰時(shí)段的系統(tǒng)負(fù)荷與高峰時(shí)段相比也有較大的差距，并存在設(shè)備容量富裕的問題。若采用變頻調(diào)速器可使設(shè)備在負(fù)載下降時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使其與負(fù)載的變化相適應(yīng)。采用這種方式，可提高電機(jī)在輕載時(shí)的效率，以達(dá)到節(jié)能的目的。

5.2 采用軟起動(dòng)器

由于變頻設(shè)備的價(jià)格仍偏高，因此在應(yīng)用中會(huì)受到一定的限制。另一種節(jié)能方式是采用軟起動(dòng)器，該設(shè)備通過按起動(dòng)時(shí)間逐步調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角，控制電壓的變化。由于電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)，因此起動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)完畢后則全壓投入運(yùn)行。此設(shè)備也可采用測(cè)速反饋、電壓負(fù)反饋或電流正反饋，利用反饋信息控制可控硅導(dǎo)通角，以達(dá)到速度隨負(fù)載的變化而變化。它可用于電動(dòng)機(jī)容量較大，又需要頻繁啟動(dòng)的設(shè)備，以及附近用電設(shè)備對(duì)電壓的穩(wěn)定要求較高的場(chǎng)合。因?yàn)樗鼜膯?dòng)到運(yùn)行，其電流變化不超過三倍，可保證電網(wǎng)電壓的波動(dòng)保持在所要求的范圍內(nèi)。但它是采用可控硅調(diào)壓，正弦波未導(dǎo)通部分的電能將全部消耗在可控硅上，不會(huì)返回電網(wǎng)。軟起動(dòng)器價(jià)格比變頻器便宜，適宜在水泵系統(tǒng)大容量電動(dòng)機(jī)的控制設(shè)備中應(yīng)用。

5.3 采用先進(jìn)的綜合監(jiān)控系統(tǒng)

采用綜合監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)全線各車站內(nèi)的變配電系統(tǒng)設(shè)備、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備、給排水系統(tǒng)設(shè)備、電梯系統(tǒng)設(shè)備、照明系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行綜合性的監(jiān)控與調(diào)度管理。可以對(duì)全線變電所系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備進(jìn)行集中管理，并根據(jù)不同季節(jié)、各車站不同的客流情況、室內(nèi)外的環(huán)境情況，通過綜合監(jiān)控系統(tǒng)程序的合理設(shè)計(jì)，對(duì)運(yùn)營調(diào)度人員進(jìn)行合理組織，減少能耗損失。

6 建議

加快開發(fā)高效、低耗的新型設(shè)備，改善設(shè)備系統(tǒng)對(duì)目前城市軌道交通能耗大、能源利用效率較低的現(xiàn)狀。

建立城市軌道交通設(shè)計(jì)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。目前國內(nèi)尚沒有相關(guān)城市軌道交通設(shè)計(jì)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。城市軌道交通應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)的氣候特點(diǎn)，逐步建立完善出各種能耗標(biāo)準(zhǔn)，來指導(dǎo)與考核工程節(jié)能設(shè)計(jì)，并以此作為項(xiàng)目審批的首要條件。

提高城市軌道交通裝備節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。目前，城市軌道交通尚沒有專用的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，通常只是套用一般樓宇建筑設(shè)備的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。考慮到軌道交通的特殊性與影響性，其標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)高于一般樓宇建筑設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)對(duì)城市軌道交通裝備的能耗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)定，以便在設(shè)計(jì)選型、設(shè)備采購時(shí)有據(jù)可依。

鼓勵(lì)城市軌道交通采用新型能源。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，太陽能、地?zé)崮茉?、海洋能源、風(fēng)能等新型能源已開始應(yīng)用于眾多行業(yè)，對(duì)于城市軌道交通來說，屬于城市公共交通，耗能量巨大，若能合理使用這些新型能源，會(huì)產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)緊密跟蹤各種新型能源的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，適時(shí)的將太陽能、風(fēng)能等引入城市軌道交通建設(shè)。

加強(qiáng)城市軌道交通運(yùn)營節(jié)能管理，城市軌道交通的能耗水平除了與設(shè)施是否先進(jìn)有關(guān)，還與運(yùn)營節(jié)能管理是否到位密切相關(guān)。運(yùn)營部門應(yīng)充分了解設(shè)備系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)思想，按照設(shè)計(jì)模式進(jìn)行系統(tǒng)控制，并根據(jù)具體情況進(jìn)行優(yōu)化。

節(jié)能涉及到多項(xiàng)專業(yè)技術(shù)，應(yīng)以消耗有限的能源來取得最大的經(jīng)濟(jì)利益為目標(biāo)，充分調(diào)動(dòng)各方面積極因素，把節(jié)能分析、節(jié)能設(shè)計(jì)、節(jié)能管理緊密結(jié)合起來，保證各種節(jié)能設(shè)施的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并將節(jié)能作為建設(shè)決策的重要標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到降低綜合能耗指標(biāo)的目的。

7 結(jié)束語

綜上所述，城市軌道交通配電系統(tǒng)的節(jié)能潛力非常大，應(yīng)在設(shè)計(jì)過程中通盤考慮。但是在選用節(jié)能的新設(shè)備時(shí)，應(yīng)在具體了解其原理、性能、效果，并從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面進(jìn)行分析比較后，再做出決定，從真正意義上實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

【1】 GB/T 7260.3-2003 《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》.北京城建設(shè)計(jì)研究總院.中國計(jì)劃出版社.

【2】 GB 50052-95 《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》.中華人民共和國機(jī)械工業(yè)部.中國計(jì)劃出版社.

【3】 GB 50053-94 《10kV及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范》.中華人民共和國機(jī)械工業(yè)部.中國計(jì)劃出版社.

【4】 ISBN 7-5083-3034-X 2005 《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》.中國電力出版社.

【5】 ISBN 7-80177-169-9 2003.2 《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施——電氣》.建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)督與行業(yè)發(fā)展司，中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究所.中國計(jì)劃出版社.