城市軌道交通車站低壓負(fù)荷需要系數(shù)研究

王德發(fā)， 盧光明

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

城市軌道交通車站低壓負(fù)荷需要系數(shù)研究

王德發(fā)， 盧光明

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

針對城市軌道交通車站變壓器容量選擇過大、負(fù)荷率低的問題，通過分析車站用電負(fù)荷計算過程，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)荷實測數(shù)據(jù)，并結(jié)合設(shè)計手冊中各設(shè)備需要系數(shù)的取值，通過研究螃蟹岬站實際用電情況，給出軌道交通不同類型用電設(shè)備的需要系數(shù)取值或范圍。同時也提出，考慮到大功率風(fēng)機的啟動情況，地下車站變壓器容量不宜小于800 kVA。該結(jié)果對于城市軌道交通車站負(fù)荷計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)車站各系統(tǒng)設(shè)備專業(yè)提交的負(fù)荷來統(tǒng)計車站的負(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)計人員對軌道交通的負(fù)荷特性認(rèn)識不夠深入，故國內(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)對廣州地鐵、蘇州地鐵1號線、武漢地鐵2號線的調(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，例如對蘇州地鐵1號線全線車站實測數(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)荷分析研究的難點在于準(zhǔn)確把握各類負(fù)荷的實際運行情況和實際用電量：因此，需要對已運營的線路進(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，同時對造成變壓器取值過大的其他原因進(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站的負(fù)荷最為復(fù)雜，因此，本文以武漢地鐵2號線螃蟹岬站為研究對象，對該站35/0.4 kV降壓變壓器二次側(cè)的低壓饋出線進(jìn)行現(xiàn)場實測，得到了各饋出回路在秋季、夏季的實際負(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)計情況進(jìn)行分析。由于各地鐵車站的負(fù)荷性質(zhì)、用電使用情況基本相同，因此對某一座車站的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析具有普遍性意義。

2 負(fù)荷計算的理論與方法

負(fù)荷計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)荷計算一般采用需要系數(shù)法。用此方法進(jìn)行負(fù)荷計算時，將變電所配電干線范圍內(nèi)的用電設(shè)備按照類型統(tǒng)一分組，配電干線的計算負(fù)荷為各用電設(shè)備組的計算負(fù)荷之和再乘以同時系數(shù)，變電所的計算負(fù)荷為各配電干線計算負(fù)荷之和再乘以同時系數(shù)[3-4]。用電設(shè)備組的計算負(fù)荷為：

Pc=Kx×Pe

式中：Pc為用電設(shè)備組的計算負(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)備同時運行系數(shù)：用電設(shè)備組的全部設(shè)備并不同時運行，Kt即設(shè)備組在最大負(fù)荷時運行的設(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)荷時末端功率(設(shè)備組的取用功率)與前端功率(計算功率)之比。

計算負(fù)荷的確定，關(guān)鍵是需要系數(shù)Kx的確定，而對設(shè)計工作者來說上述的Kt、Kh、Ns、Nt系數(shù)是較難確定的，僅能通過查閱設(shè)計手冊來大致確定Kx。

3 地鐵站低壓配電負(fù)荷分類及構(gòu)成

3.1負(fù)荷分類

地下車站低壓配電負(fù)荷主要由通信、信號、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行，并為乘客候車提供舒適的環(huán)境。它與車站的規(guī)模和結(jié)構(gòu)以及環(huán)控系統(tǒng)的設(shè)計模式密切相關(guān)。

根據(jù)《地鐵設(shè)計規(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[5]，而地下車站用電負(fù)荷以一、二級負(fù)荷為主，占總負(fù)荷的70%～80%。根據(jù)用電設(shè)備的類型可將車站設(shè)備分為照明類、電動機類和電子與計算機類(弱電類)。

3.2負(fù)荷構(gòu)成

城市軌道交通車站負(fù)荷根據(jù)其特性可以分為兩大類：一類屬于系統(tǒng)性負(fù)荷，是根據(jù)車站的功能必須設(shè)置的，與車站的規(guī)模和結(jié)構(gòu)基本無關(guān)，全線負(fù)荷基本一致，這一類負(fù)荷主要由電子與計算機類負(fù)荷構(gòu)成，包含通信、信號、AFC(自動售檢票)、FAS(火災(zāi)報警系統(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、氣體滅火等系統(tǒng)負(fù)荷；另一類負(fù)荷根據(jù)車站的規(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、二三級負(fù)荷小動力、站內(nèi)小商業(yè)等[6]。

4 地鐵站負(fù)荷實測結(jié)果

采用需要系數(shù)法進(jìn)行負(fù)荷計算時，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)確只能通過現(xiàn)場實測的方法檢驗，因此，在無法取得Kt、Kh、Ns、Nt等系數(shù)的前提下，通過實際測量現(xiàn)場負(fù)荷的大小，并與設(shè)備容量進(jìn)行比較來大致確定需要系數(shù)Kx，是具有現(xiàn)實意義的。

4.1現(xiàn)場負(fù)荷實測情況

筆者聯(lián)合武漢地鐵運營部門對武漢地鐵2號線螃蟹岬站的負(fù)荷進(jìn)行了現(xiàn)場實測，實測時間分別選取在秋季和夏季。由于目前國內(nèi)大部分地鐵未采用電采暖設(shè)備，選取秋、夏季進(jìn)行實測，可以涵蓋地下車站的平時負(fù)荷和最大負(fù)荷。

螃蟹岬站為武漢地鐵2號線的一座標(biāo)準(zhǔn)2層站，車站設(shè)35/0.4kV變電所1座，變壓器容量為2×1000kVA，未設(shè)置電容補償柜。現(xiàn)場實測從10月9日開始至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)，見表1。從實測的數(shù)據(jù)來看，各系統(tǒng)負(fù)荷變化不大。

表2為螃蟹岬站夏季現(xiàn)場實測負(fù)荷，現(xiàn)場實測共進(jìn)行了3天，主要對夏季用電量較大的設(shè)備，如冷水機組電源、環(huán)控電源(通風(fēng)空調(diào)負(fù)荷)，以及一些動力、照明負(fù)荷全開狀態(tài)下的回路進(jìn)行了實測。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)荷實測值

表2 螃蟹岬站夏季負(fù)荷實測值

續(xù)表

4.2實測負(fù)荷與設(shè)計負(fù)荷的比較

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

負(fù)表3 螃蟹岬站設(shè)計與實測負(fù)荷比較Tab.3 ComparisionbetweentheplannedloadandtherealloadbytestingofPangxiejiastation回路/負(fù)荷名稱設(shè) 計實 測設(shè)備總?cè)萘?kW需要系數(shù)計算容量/kW功率因數(shù)實測最大電流/A實測負(fù)荷/kVA實測負(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)類合計877.70.8702.20.8384.50.44冷水機組合計4340.8 347.20.8 105.70.24水泵類合計660.8570.7～0.87.90.12站臺門、扶梯、電梯類合計2900.82310.6～0.8400.14電子計算機類合計193.50.8～1170.50.834.80.18其他動力類合計2800.8～12360.854.80.2照明類合計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%,且各回路實際負(fù)荷遠(yuǎn)小于設(shè)計負(fù)荷,但如果僅按照實際負(fù)荷與設(shè)計負(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)計負(fù)荷不一定為設(shè)備的額定容量,如照明類、小動力類負(fù)荷往往為估算值,因此,應(yīng)具體分析造成各類設(shè)計負(fù)荷值與實測值相差較大的原因，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)類負(fù)荷需要系數(shù)

地下車站的通風(fēng)空調(diào)類負(fù)荷占車站負(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算。但車站通風(fēng)空調(diào)類負(fù)荷的設(shè)備容量遠(yuǎn)大于實際測量值，分析其原因為：1) 環(huán)控設(shè)備實際是按模式運行的，即不是所有設(shè)備均同時運行；2) 部分大功率通風(fēng)設(shè)備(如隧道風(fēng)機)僅在早晚通風(fēng)時開啟，實測數(shù)據(jù)中未包含這個時段的數(shù)據(jù)；3) 對于冷水機組電源來說，車站一般按遠(yuǎn)期最大負(fù)荷設(shè)置2臺等容量大小的冷水機組，并根據(jù)運行模式由隨機組設(shè)置的電腦控制運行，根據(jù)武漢地鐵2號線的運行情況，2臺冷水機組同時運行的情況十分少見。

將現(xiàn)場實測最大負(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)置變頻器時的需要系數(shù)為0.56，其值較準(zhǔn)確地反映了設(shè)備實際使用情況。為保守起見，通風(fēng)空調(diào)類設(shè)備的需要系數(shù)可取0.6[7]；冷水機組類設(shè)備設(shè)置變頻器時的需要系數(shù)可取0.65，不設(shè)變頻器時可取0.85。

設(shè)置在配線、隧道口部的多臺射流風(fēng)機并不同時運行，計算變壓器容量時應(yīng)根據(jù)隧道通風(fēng)系統(tǒng)運行模式表確定其是否計入變壓器容量。

5.2水泵類負(fù)荷需要系數(shù)

由于消防泵為消防負(fù)荷，現(xiàn)場無法取得實測值，在變壓器容量計算時不應(yīng)該計入這部分負(fù)荷。主廢水泵平時僅間歇性地參與區(qū)間排水，其需要系數(shù)可按0.6考慮；從對出入口雨水泵回路的實測數(shù)據(jù)來看，這類水泵(含污水泵)負(fù)荷的需要系數(shù)取值0.8是合理的。

5.3站臺門、電扶梯類負(fù)荷需要系數(shù)

從現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與設(shè)備容量的比較來看，扶梯、電梯類的需要系數(shù)約為0.2，安全門的需要系數(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、扶梯類的負(fù)荷比值卻為0.5、安全門負(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。綜合考慮此類負(fù)荷的情況，扶梯、電梯類負(fù)荷的需要系數(shù)可取0.6[8]；站臺門負(fù)荷的需要系數(shù)可取0.3。

5.4電子計算機類負(fù)荷需要系數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，車控室FAS電源、BAS電源、氣體滅火電源等電子類設(shè)備的需要系數(shù)按保守估算，可取值0.4～0.7。

通信、信號、ISCS等系統(tǒng)實測負(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)備的實測容量值不一定反映其最大負(fù)荷，結(jié)合昆明地鐵、廣州地鐵的實測數(shù)據(jù)，對通信類負(fù)荷的需要系數(shù)可保守取值0.5～0.6。

5.5小動力類負(fù)荷需要系數(shù)

此類負(fù)荷是為車站一些不確定的小動力設(shè)備所預(yù)留，設(shè)計考慮的設(shè)備容量較大，在車站運營后，實際使用此類小動力電源箱的情況較少，即設(shè)計負(fù)荷不是真實的設(shè)備容量，從現(xiàn)場實測來看，有些回路的測量值是0，最大的也僅是設(shè)計負(fù)荷的0.5倍。因此，對這類負(fù)荷的需要系數(shù)保守取值0.5。

5.6照明類負(fù)荷需要系數(shù)

經(jīng)過實測此類負(fù)荷，實測值與設(shè)計值的比值在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)計不同步，低壓配電需要估算照明負(fù)荷提供給供變電專業(yè)，即設(shè)計負(fù)荷不是真實的設(shè)備容量：因此，計算變壓器容量時，對照明類負(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際的設(shè)備容量，則需要系數(shù)可按照設(shè)計手冊的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

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

變壓器容量的計算不應(yīng)包括車站專用的消防風(fēng)機、消防水泵等消防設(shè)備的容量；設(shè)置配線、隧道口部的多臺射流風(fēng)機，并不同時運行，計算變壓器容量時應(yīng)根據(jù)隧道通風(fēng)系統(tǒng)運行模式表確定其是否計入變壓器容量。

對其他專業(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；對小動力類、照明類負(fù)荷的估算，應(yīng)盡量根據(jù)實際配置的設(shè)備容量計算。

變壓器容量的選擇除了通過負(fù)荷計算確定外，還應(yīng)按照主接線的運行方式確定一臺變壓器退出運行時，另一臺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機啟動電流的需求。按照地下車站一般設(shè)置4臺90 kW的隧道風(fēng)機考慮，車站變壓器容量不宜小于2×800 kVA。

[1] 何治新.提高城市軌道交通車站配電變壓器負(fù)荷率措施[J].建筑電氣,2013,32(6):22-28.

HE Zhixin. Discussions about measures to improve the distribution transformer load rate of urban rail transit station[J]. Building electricity, 2013, 32(6): 22-28.

[2] 工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊(第三版)[M].北京：中國電力出版社,2005.

Handbook of industrial and civil distribution design(Third Edition)[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2005.

[3] 民用建筑電氣設(shè)計手冊(第二版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2007.

Handbook of electrical design for civil buildings(Second Edition)[M]. Beijing: China Building Industry Press, 2007.

[4] 黃四昌,郭逸凡.大眾捷運車站供電可用度及可靠度分析[J].都市快軌交通，2016,29(1)：63-68.

HWANG Henri， KUO Yifan. Availability and reliability analysis of mrt station power supply system[J].Urban rapid rail transit， 2016, 29(1)： 63-68.

[5] 地鐵設(shè)計規(guī)范:GB 50157—2013[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2014.

GB 50157—2013： Code for Design of Metro[S]. Beijing: China Building& Industry Press, 2014.

[6] 譚瓊亮.軌道交通車站用電負(fù)荷計算探討[J].電氣化鐵道,2014(4):39-42.

TAN Qiongliang. Discussion on electric load calculation of urban rail transit station[J]. Electric railway, 2014(4): 39-42.

[7] 陳桁，何進(jìn)，胥偉，黃鑫.城市軌道交通配電變壓器負(fù)荷理論計算與實際負(fù)荷差異的研究和對策[J].現(xiàn)代建筑電氣,2014(增刊):17-20.

CHEN Heng, HE Jin, XU Wei, et al. Research and countermeasure on the difference between load theory and design load of distribution transformer in urban rail transit[J]. Modern architecture electric, 2014: 17-20.

[8] 鐘國梁，葉峰，林祥.電梯供配電設(shè)計相關(guān)問題探討[J].建筑電氣,2015(12):30-33.

ZHONG Guoliang, YE Feng. Research on issues regarding power supply and distribution design for elevator[J]. Building electricity, 2015(12): 30-33.

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)計與研究工作，94391813@qq.com

U231

A

1672-6073(2017)05-0093-06

(編輯：王艷菊)