地鐵車站負荷計算方法的探討

李家旭

摘 要：目前國內地鐵車站動力照明系統(tǒng)的配電變壓器負載率普遍偏低，大多在30%以下。文章通過分析現(xiàn)有負荷計算方法在地鐵工程中存在的問題，結合地鐵車站的運行模式，探討符合地鐵車站特性的負荷統(tǒng)計思路和方法。

關鍵詞：地鐵車站；負荷；負載率；模式

中圖分類號：U231 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）20-0077-02

B1 現(xiàn)行的負荷計算方法

計算負荷也稱最大負荷，是一個假想的持續(xù)負荷，其熱效應與同一時段內變動負荷所產生的最大熱效應相等。需要系數(shù)法源于對負荷曲線的分析，是一種經驗法，尤其適用于配變電所以及長期平穩(wěn)運行的負載。需要系數(shù)法因簡便、權威，在工民建設計中被廣泛使用，是低壓配電設計主流的負荷計算方法。因而在地鐵車站的配電設計中，也被廣泛采用。

需要系數(shù)法的計算過程為：用電設備功率乘上需要系數(shù)得出設備組的計算功率（需要功率），然后多個設備組的計算功率加和再乘上同時系數(shù)。即：

需要系數(shù)法的準確性源于對大量的工民建設備負荷的統(tǒng)計和分析，各設備的需要系數(shù)的確定與其運行特點密切相關。而地鐵車站與一般工民建不同，其自有一套獨特的運行模式，如果直接套用需要系數(shù)法，計算結果與實際運行將會有很大差別。表1為國內某線地鐵車站動力照明系統(tǒng)設計時所選用的需要系數(shù)。

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

2 地鐵車站設備的運行模式

地鐵車站內主要的設備類別有：通風空調設備、給排水設備、站臺門、電扶梯、照明、以及通信、信號以及綜合監(jiān)控等弱電系統(tǒng)設備。要準確計算出車站的計算負荷，就需要掌握各類負荷的運行模式，不能對負荷進行簡單的加和再乘系數(shù)。圖1為廣州某站各系統(tǒng)夏季實際能耗與提資額定功率的比例。

由圖1可知各系統(tǒng)設備的實際運行負荷遠低于向動照（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，二是對于系統(tǒng)內及系統(tǒng)間的配合及模式不了解。

2.1 通風空調及給排水設備

通風空調設備負荷占到車站總負荷的一半以上；其一般分隧道通風系統(tǒng)（隧道風機、軌排風機）、大系統(tǒng)（公共區(qū)空調與風機）、小系統(tǒng)（設備區(qū)空調與風機）、水系統(tǒng)（為空調設備提供冷源）以及備用系統(tǒng)（設備區(qū)重要房間的備用空調）。隧道風機理論上只在車站運營時段外早晚開啟各半個小時，或在站臺以及區(qū)間火災時才會開啟。軌排風機一般為列車進站時開啟，離站后關閉。大系統(tǒng)的空調與風機一般采用變頻調控，在夏季早晚高峰時間才會全功率運行，其他時段運行功率約在額定功率的0.3～0.6之間。水系統(tǒng)設備與大系統(tǒng)類似，只是平峰時期還要為小系統(tǒng)提供冷源，所以負載持續(xù)率略高約在0.5～0.8之間。小系統(tǒng)設備在運營時段一般設計全功率運行，但需注意的是備用系統(tǒng)與小系統(tǒng)某些設備在功能上重合，兩者不同時運行，在計算時不可疊加。按此計算，一般地下兩層標準站夏季最高通風空調負荷約為450kW。

給排水設備主要有消防泵、主廢水泵、出入口集水泵、敞口風亭雨水泵、污水泵等。消防泵為消防專用設備。排水排污泵屬于短時工作制負荷，多采用液位控制，啟泵后半個小時內一般即可將坑內水抽排到停泵水位以下。

2.2 站臺門及電扶梯設備

站臺門屬于周期工作制負荷，只在開啟和關閉的過程才會有電能消耗，此開、關過程耗時一般不超過10s，按照遠期行車密度（多為全程+區(qū)間）30對/小時計算，負載持續(xù)率約在18%。

電扶梯的功率與提升高度有關，滿載額定功率按每節(jié)梯階站兩人計算；現(xiàn)多采用變頻控制，在無人時以低速運行，理論能耗為額定功率的1/8左右。一般地下站，從站臺到站廳以及出入口通道到地面皆設有電扶梯，當人員從站廳扶梯上踏步出閘走到出入口扶梯下踏步的時間，站臺人員基本可以全部從站臺上到站廳；即可以認為站內扶梯與出入口扶梯錯峰運行。

2.3 照明及通號等弱電系統(tǒng)

車站照明分公共區(qū)和設備區(qū)照明，（一般地下車站）公共區(qū)照明不設就地控制，在早晚高峰時全部打開，平峰時間通過節(jié)電措施，關閉或者降功率運行；設備區(qū)照明一般設就地面板開關，除車控室等有人值守房間，其余房間燈具一般處于關閉狀態(tài)。

通信、信號、綜合監(jiān)控、自動售檢票等系統(tǒng)專業(yè)設備因此往往自成系統(tǒng)，低壓配電專業(yè)對其內部各小系統(tǒng)及模塊負荷分配情況難以掌握。但是按照以上弱電系統(tǒng)提資及實際功耗對比，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 地鐵車站的負荷計算

負荷計算的目的是求得最接近實際的同時運行的最大負荷。與工民建設計不同，地鐵車站各系統(tǒng)的運行模式是確定、往復的。下面就消防與非消防時各自最大模式進行探討。

3.1 消防模式

根據(jù)《地鐵設計規(guī)范》，一條地鐵線一時間段內僅考慮一處火災，并規(guī)定的車站消防疏散時間為6分鐘。當火災發(fā)生在車站時，所有非消防二三級負荷會被切除，與消防以及行車安全等無關的一級負荷也會被切除（視設備情況立即或延時切除），并由FAS系統(tǒng)及BAS系統(tǒng)聯(lián)動相關消防設備。

車站參與消防的主要有隧道風機、軌排風機、大小系統(tǒng)排煙風機、補風風機、消防泵、氣滅裝置等等。由于僅考慮一處火災，著火點位置不同，聯(lián)動的設備也不同（主要為通風空調設備不同）。根據(jù)通風空調的運行模式表，其系統(tǒng)最大設備功率發(fā)生在站臺層公共區(qū)火災時。此時要啟動的設備一般有隧道風機、軌排風機、大系統(tǒng)排煙風機、疏散樓梯及車控室補風加壓風機，此類設備總功率約在350kW。

消防泵及消火栓在火災初期時為站內人員自救用，按照規(guī)范僅考慮2處消火栓同時使用，當消火栓噴出來的水流到主廢水泵房，并達到啟泵水位時，站臺門已經開啟到位，站臺乘客也基本疏散到站廳或地面；即廢水泵與站內電扶梯可按非同時使用負荷考慮。

即火災初期：P總=P弱電（除AFC、PIS）+P通風排煙+P照明+P站內扶梯+P消防泵。

6分鐘后人員疏散完畢，站內扶梯可以停運，此時公共區(qū)照明以及民用通信等亦可以被切除（以保障消防人員進場后不會因噴水而加大觸電風險），此時有：

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

3.2 非消防模式

非消防模式，即平時正常運行情況。據(jù)第2節(jié)的運行模式分析，車站用電設備最大運行負荷應該為夏季的早晚高峰，此時通風空調設備功率最大。此時有：

P總=P弱電+P通風空調+P照明+P扶梯+P水泵+P站臺門+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荷明顯大于消防模式。

3.3 基于地鐵運行模式的需要系數(shù)法

經前文的闡述和比較，可以得出車站負荷計算主要考慮非消防時夏季早晚高峰運行的負荷。在知曉了各系統(tǒng)設備的運行狀況后，可以結合需要系數(shù)法對各類設備進行分組負荷計算。

3.3.1 弱電系統(tǒng)

由圖1可知弱電系統(tǒng)負荷的“水分”還比較多，可以通過需要系數(shù)及同時系數(shù)進行約束，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)照明負荷應據(jù)實統(tǒng)計，并以規(guī)范的推薦功率密度值進行復核。設備區(qū)照明設備應考慮同時系數(shù)，因為大部分設備房平時并不需要照明，僅在房間內需要巡視、檢修時候才打開，即：P照明=P公共區(qū)+K∑p×P設備區(qū)。

3.3.3通風空調

如前文所述，通風空調系統(tǒng)負荷在高峰時間由各個滿功率運行的設備相加而得，此時不需要乘需要系數(shù)。

3.3.4 站臺門和扶梯

如前文所述，站臺門和電扶梯都屬于周期工作制，故在計算時，需將功率轉換成連續(xù)工作制下的功率：Pe=Pr×■。站臺門持續(xù)負載率取0.18；一般車站出入口扶梯總數(shù)量比站內多，即滿載運行時間較站內扶梯短，故站內扶梯ε值可取0.5；站外扶梯ε值可取0.25。由于站內外扶梯錯峰運行，故計算扶梯設備組時需要乘上同時系數(shù)：Pc=K∑p×∑（Pe內+Pe外）；同時系數(shù)K∑p可取0.4～0.5。

3.3.5 水泵

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

3.3.6 檢修電源及插座等

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

3.3.7 最大運行負荷

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

4 結束語

地鐵車站配電變壓器負載率低下，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，且沒有很貼合地鐵工程的負荷計算方法，缺乏統(tǒng)一標準。從地鐵運營模式出發(fā)，通過對運營線路各專業(yè)設備用電量實測值的分析，修整需要系數(shù)的取值，是為行之有效的方法。

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