城市軌道交通工程車站供配電設(shè)計優(yōu)化計算

孟軍鋒，盧 鋒

（中鐵武漢勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430000）

1 概述

隨著我國城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，城市軌道交通也得到了快速的發(fā)展。在城市軌道交通系統(tǒng)中，供電系統(tǒng)具有非常重要的作用，直接關(guān)系整個軌道交通的安全運(yùn)營及穩(wěn)定性。同時，供電專業(yè)又是一個復(fù)雜的系統(tǒng)專業(yè)，幾乎和所有專業(yè)都有接口，這使得供電專業(yè)具有多變性和復(fù)雜性。它在工程設(shè)計方面處于收口位置，其發(fā)生任何變化，都會引起上游變壓器、開關(guān)、電纜選擇的變化，從而導(dǎo)致負(fù)荷的重新計算、變壓器的重新選擇等，工作量繁雜巨大，稍微差誤便會影響用電安全。

文章主要依據(jù)在各地軌道交通工程（如武漢、杭州、長沙、合肥、廈門等）供配電設(shè)計過程中所遇到的重難點進(jìn)行研究分析，通過照明計算、負(fù)荷計算、電壓損失計算、電線電纜截面、斷路器選擇和短路電流計算等供配電最核心的方向，根據(jù)軌道交通最新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行歸納總結(jié)，編寫出一套完整的計算方法，以達(dá)到設(shè)計優(yōu)化的效果。

2 照明計算

依據(jù)北京照明學(xué)會照明設(shè)計專業(yè)委員會《照明設(shè)計手冊（第三版）》，利用系數(shù)法計算平均照度的步驟，對照明設(shè)計展開如下計算。

（1）室形指數(shù)RI按式（1）計算。

式中：l為室長，m；b為室寬，m；hr為室空間高，m。

（2）查燈具維護(hù)系數(shù)，參照《照明設(shè)計手冊（第三版）》第145頁表5-15計算（見表1）。

表1 燈具維護(hù)系數(shù)表

（3）查利用系數(shù)。參考《照明設(shè)計手冊（第三版）》第二十五章利用系數(shù)表選取。

（4）計算平均照度。

式中：φ為光通量，m；N為光源數(shù)量；U為利用系數(shù)；A為工作面面積，m2；K為燈具維護(hù)系數(shù)。根據(jù)選擇燈具對應(yīng)的功率和光通量值。

（5）計算各場所照明功率密度值LPD。與標(biāo)準(zhǔn)值比較，若大于標(biāo)準(zhǔn)值，則不合格，需要優(yōu)化；若小于，則合格。標(biāo)準(zhǔn)值參照《城市軌道交通照明》（GB/T 16275—2008）中表9，采用式（3）計算。

式中：ΣP為房間內(nèi)裝設(shè)光源（含鎮(zhèn)流器）的功率和，W；S為房間面積，m2。

3 負(fù)荷計算

主要參考《工業(yè)與民用供配電設(shè)計手冊（第四版）》（以下簡稱配四手冊）。電壓為380V的設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、水泵、工藝設(shè)備等，電流采用式（4）計算。

如果末端是單相設(shè)備，如分體空調(diào)、照明燈具等，電壓等級為220V，則其計算電流按式（5）計算。

式中：PC為有功功率，kW；IC為計算電流，A；cosφ為功率因數(shù)。

如通信設(shè)備功率為50kW，電壓等級為380V，需要系數(shù)為0.8，功率因數(shù)為0.8，計算其電流值、有功功率、無功功率、視在功率。

4 電壓損失計算

電壓損失值按式（6）計算。

式中：IC為計算電流，A；L為線路長度，km；y為功率因數(shù)對應(yīng)的電流矩值，%/（A/km）；為電壓損失百分?jǐn)?shù)。

如兩個用電設(shè)備功率均為50kW，電壓等級為380V，需要系數(shù)為0.8，功率因數(shù)為0.8，電纜路徑長度均為100m，電纜型號分別為WDZBN-YJY23-1kV-4×50+1×25、礦物絕緣4×50+12×5，分別計算其線路電壓損失值。

（1）計算WDZBN-YJY23型電纜線路電壓損失值。根據(jù)負(fù)荷計算公式得出IC=76A，y值查表參照配四手冊9.4-19可得知為0.18，根據(jù)公式（6）得出電壓損失值=76A×100m×0.001×0.18=1.368。

（2）計算礦物絕緣型電纜線路電壓損失值。根據(jù)負(fù)荷計算模塊公式得出IC=76A，y值查表參照配四手冊9.4-22可得知為0.718，根據(jù)公式（6）得出電壓損失值=1.436。

依據(jù)《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB 50052—2009）第5.0.4可知，正常運(yùn)行情況下，用電設(shè)備端子處電壓偏差允許值宜符合下列要求：

（1）電動機(jī)為±5%額定電壓。

（2）照明：在一般工作場所為±5%額定電壓；對于遠(yuǎn)離變電所的小面積一般工作場所，難以滿足上述要求時，可為+5%，-10%額定電壓；應(yīng)急照明、道路照明和警衛(wèi)照明等為+5%，-10%額定電壓。

（3）其他用電設(shè)備當(dāng)無特殊規(guī)定時為±5%額定電壓。經(jīng)計算滿足規(guī)范要求即可。

5 電線電纜截面和低壓斷路器的選擇

計算方法主要參照配四手冊第九、十一章，主要步驟如下：

第一步：輸入負(fù)荷計算得出計算電流，選擇電線、電纜（含封閉式母線）材質(zhì)和導(dǎo)體截面，并選擇敷設(shè)方式，顯示所選導(dǎo)體的載流量，再經(jīng)校驗后，最終顯示所選電線、電纜的載流量，最終確定開關(guān)大小以及穿管的管徑大小。填寫原始數(shù)據(jù)，輸入負(fù)荷計算得出的計算電流。

第二步：根據(jù)計算電流初步選擇斷路器大小。

第三步：選擇電線、電纜規(guī)格，并顯示電線、電纜載流量。首先選擇導(dǎo)體類型，為導(dǎo)線、電纜、封閉式母線；然后選擇敷設(shè)方式，即埋地穿管敷設(shè)、空氣中敷設(shè)、橋架敷設(shè)。電線載流量。電線名稱為WDZB-BYJ-0.45/0.75kV。按表9.3-16，空氣、埋地和橋架敷設(shè)均按溫度選取。（2）電纜載流量。低煙無鹵阻燃電纜名稱為WDZB-YJY-0.6/1kV。敷設(shè)方式若為空氣中敷設(shè)，錄入表9.3-24；若為電纜橋架敷設(shè)，錄入表9.3-25；若為埋地敷設(shè)，錄入表9.3-26。礦物絕緣電纜名稱為BBTRZ。敷設(shè)方式按空氣中敷設(shè)，錄入表9.3-34，按敷設(shè)方式E，30℃選取。封閉式母線名稱為MX，載流量直接按規(guī)格錄入，如100A、200A、630A、3200A。

第四步：查電線、電纜載流量校正系數(shù)。按埋地敷設(shè)對應(yīng)表9.3-4，錄入無間距和0.25；橋架敷設(shè)對應(yīng)表9.3-5，選無孔托盤和梯架無間距；其他空氣中敷設(shè)校正系數(shù)均為1（錄入后，點擊選?。?。根據(jù)第四步校正后的載流量，判定是否滿足斷路器要求。為保證導(dǎo)體的實際工作溫度不超過允許值，導(dǎo)體按發(fā)熱條件的允許長期工作電流（載流量），不應(yīng)小于線路的工作電流和線路對應(yīng)斷路器的額定電流值。

第五步：電線、電纜穿管的管徑大小。查《建筑電氣常用數(shù)據(jù) 19DX101-1》第74頁表6-42（電力電纜穿低壓流體輸送用焊接鋼管最小管徑）、表6-43（電力電纜穿聚氯乙烯硬質(zhì)電線管最小管徑），根據(jù)所選導(dǎo)體截面選擇管徑。

6 短路計算

最大的三相短路初始電流通過式（7）計算，其中c=1.05，Un=380V。

如計算此短路點在400V開關(guān)柜側(cè)的短路電流時，線路長度為L1，用根據(jù)母線截面后查表得到的單位長度電阻和電抗，乘以線路長度，得到RL1和ZL1，從而得到。

根據(jù)《低壓配電設(shè)計規(guī)范》（GB 50054—2011）第6.2.4條，當(dāng)短路保護(hù)電器為斷路器時，被保護(hù)線路末端的短路電流不應(yīng)小于斷路器瞬時或短延時過電流脫扣器整定電流的1.3倍。

7 計算結(jié)果

計算步驟：根據(jù)用戶選擇的燈具型號與目標(biāo)照度值，計算燈具數(shù)量及實際照度；先計算供電起點、中間和終點各負(fù)荷設(shè)備的電流值，再計算出各段導(dǎo)體的電流值，并初步選擇對應(yīng)的導(dǎo)體截面；計算從變電所到單體總箱、從總箱到分箱、從分箱到設(shè)備本體的各段導(dǎo)體的電壓損失值，并與規(guī)定值相校驗，驗證導(dǎo)體截面值是否滿足要求；根據(jù)計算的導(dǎo)體電流值以及所選導(dǎo)體截面對應(yīng)的導(dǎo)體實際載流量選擇斷路器大??；校驗所選導(dǎo)體截面及斷路器是否滿足短路保護(hù)的規(guī)定，最終確定導(dǎo)體截面值及斷路器電流值。

8 結(jié)束語

通過以上技術(shù)總結(jié)、理論分析和計算，可以得出以下結(jié)論：城市軌道交通工程作為城市的重要工程，與人們息息相關(guān)，供配電系統(tǒng)的安全性直接影響軌道交通運(yùn)行安全和人身安全，必須特別重視。文章對城市軌道交通工程供配電設(shè)計總結(jié)出一套科學(xué)的優(yōu)化計算，最大程度彌補(bǔ)了現(xiàn)有傳統(tǒng)對城市軌道交通工程計算的弊端，使最終設(shè)計的供配電系統(tǒng)性能更佳。