軌道交通低壓配電負荷能力的研究

李雪冬

（安徽省綜合交通研究院，安徽 合肥230088）

現(xiàn)階段城市軌道交通系統(tǒng)中，地鐵線路中站房內部的低壓配電裝備系統(tǒng)是一類重要的軌道交通方面的基本設施，同時也是地鐵線路中電力裝置系統(tǒng)最末端的應用環(huán)節(jié)，該系統(tǒng)在規(guī)劃設計的過程中有關參數的準確性和上游的供電系統(tǒng)是否具有較高的設計科學性存在直接的聯(lián)系，軌道交通系統(tǒng)運行期間的平穩(wěn)性及安全性直接關系到旅客的乘車體驗及相關城市的整體形象。其中低壓電路配電系統(tǒng)裝置的用電負荷研究工作是一類重要的基礎性任務，關乎系統(tǒng)規(guī)劃設計任務的合理性及準確性，對于項目工程的造價及品質有重要的影響。現(xiàn)階段，國內電氣領域的相關設計人員通常采用的用電負荷計算辦法是系統(tǒng)需要的系數法，假如系統(tǒng)需要的系數不能合理選取，將會導致各個級別的斷路裝置及相關線纜的選擇裕量過大、造成變壓器的日常利用效率偏低，在軌道交通系統(tǒng)運營過程中增加不必要的成本支出。

1 軌道交通系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

有關學者通過研究地鐵線路中站房內部低壓配電裝備系統(tǒng)中空調系統(tǒng)的用電負荷相關的制約要素，歸納總結了工程項目初期規(guī)劃設計期間相關系統(tǒng)用電負荷的計算公式。有關學者還以游艇作為相關研究目標，研究了相關需要系數在系統(tǒng)用電負荷計算過程中取值的有關經驗。其他學者以直流配電設備系統(tǒng)作為應用背景，設立了系統(tǒng)電壓的評估計算模型，研究了制約系統(tǒng)電壓量級的核心需要，為直流配電裝置系統(tǒng)的規(guī)劃設計過程提供了具有現(xiàn)實意義的參考依據。另有學者配合某城市的軌道交通系統(tǒng)相關裝置的運營特性，研究了當地軌道交通系統(tǒng)的地鐵裝備運行需要系數的經驗數值，然而缺少對該需要系數數值制約要素的深入研究，取值工作的靈活性相對較差。還有學者以某地軌道交通系統(tǒng)的地鐵列車運營系統(tǒng)作為研究目標，研究了制約其需要系數數值的各類要素，而且指出變壓器額定容量的評定必須考慮開啟功率相對較大的風機。不過在考慮相關變壓器額定容量的過程中沒有制約系統(tǒng)運行經濟性指標的損耗[1]。

本文的主要研究目標為地鐵系統(tǒng)站房內負責照明的用電負荷、泵類及電動扶梯等設備的用電負荷、弱電以及通信設備等的用電負荷，配合了某地軌道交通系統(tǒng)中地鐵線路的相關裝備平時在運營過程中的實際負荷用電量，對需要系數的原理參數值與實際參數值實施比對，研究了相關制約要素，并且指出地鐵系統(tǒng)站房內降壓變壓器額定功率的確定必須結合考察負載率及損耗率，后期對所有種類負載的需要系數與變壓器負載率提出了理論值。能夠為相同類型低壓供電項目工程規(guī)劃設計提供有價值的參考及技術依據。地鐵站房供電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 地鐵站房供電系統(tǒng)

2 軌道交通系統(tǒng)低壓負載歸類研究

地鐵系統(tǒng)站房負載依照關鍵程度可以分成1級、2級、3級負載。其中1級負載通常是雙母線模式配電，一條為主要線路、一條為備用線路。2級負載能夠被1級負載電源系統(tǒng)進行配電，3級負載能夠被2級負載電源系統(tǒng)進行配電，其中某一路電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，斷開3級負載。地鐵系統(tǒng)站房用電負載通常為1級負載及2級負載。地鐵系統(tǒng)站房負載依據類型能夠分成三種，即為動力總成負載、照明裝置負載及系統(tǒng)綜合負載[2]。

3 地鐵系統(tǒng)負載研究

地鐵系統(tǒng)站房低壓供電裝置系統(tǒng)負載核算通常使用需要系數方法。第一步是把供電主干線路區(qū)域內的用電裝置依照相關類別實施歸類，由相關用電裝置構成的系統(tǒng)額定功率除以需要系數獲得各個裝置的最大凈功率。第二步是將額定功率總和除以同時系數獲得供電主干線路的計算負載。第三步將供電主干線路的計算負載總和除以同時系數獲得變電站的計算負載。本文以照明裝置負載、泵類動力總成負載、電動扶梯類動力總成負載及某些弱電系統(tǒng)負載為分析目標，針對某地鐵線路的相關數據實施了隨機性采集調查。

3.1 地鐵系統(tǒng)照明裝置負載

地鐵系統(tǒng)站房照明裝置負載實際測量數值和該裝備額定總量比值區(qū)間在（0.35～0.55）間，和初期規(guī)劃設計時期需要系數數值差異較大，其重要因素是實際測量數值取值時間是白天，照明裝置沒有全部開啟，因此實際產生的照明裝置負載較小。除此以外，通常相關地鐵工程技術人員在規(guī)劃設計時期，低壓供電領域（低于430V）和供配電專業(yè)（430V～45kV）通常在資料交換時，沒能綜合考慮，基于相關地鐵工程技術人員的規(guī)劃習慣，下游行業(yè)提供資源取值比較保守，也就是說實際裝置的額定容量有可能遠遠小于設計手冊中規(guī)定的參考值。所以，在選定降變裝置額定容量時，基于實際測量數值，結合下游領域有關照明裝置相關負載提供資源的重要性，及相關照明裝置在地鐵系統(tǒng)站房中使用的廣泛性及重要意義，并且依據《工業(yè)及民用供電設計技術標準》中的大型商業(yè)建筑物照明裝置需要系數，可依照（0.85～0.95）區(qū)間取值[3]。地鐵系統(tǒng)照明裝置如圖2所示。

圖2 地鐵系統(tǒng)照明裝置

3.2 地鐵系統(tǒng)泵類動力總成負載

消防水泵及廢水水泵都屬于消防系統(tǒng)相關負載，日常處于關閉狀態(tài)，平日不能獲得相關裝置實際測量數值，并且只能在火災發(fā)生時才運行的裝備不需要歸入設備總額定功率，因此在變壓器額定容量核算過程中不需要累計，相關裝置的需要系數取值建議參照雨水水泵的需要系數。依照“雨水水泵”負載線路的實際測量數值能夠得出，水泵類負載的需要系數按照0.85取值是比較科學合理的。

3.3 地鐵系統(tǒng)電動扶梯類動力總成負載

現(xiàn)場實際測量數值和相關裝置額定容量的比值與規(guī)劃設計需要系數的取值對比可能較小，其主要原因是該地鐵車站是標準型車站，不是換乘型樞紐車站，并且此次現(xiàn)場數據收集工作進行的時間不是早晚高峰期，因此客流量較少、電動扶梯實際運行時間較短，所以現(xiàn)場實際測量負載數偏小[4]。所以，電動扶梯相關負載在規(guī)劃設計過程中需要全方位考慮相關地鐵車站的客流量，依據此類用電負載的特性，電動扶梯相關負載需要的系數在客流量很大的換乘型地鐵車站可以選取0.85，在客流量較少的標準型地鐵車站可以選取0.75。地鐵系統(tǒng)電動扶梯如圖3所示。

圖3 地鐵系統(tǒng)電動扶梯

3.4 地鐵系統(tǒng)弱電網絡負載

通訊系統(tǒng)負載是1級負載中比較關鍵的部分，一般分為三大通信服務商相關裝備進行供電，此種負載受地鐵站房外形、尺寸及客流量影響較小，整條線路完全相同，實際測量負載數值和相關裝備額定容量比值不大，因為裝備招標額定容量通常源于項目工程施工作業(yè)習慣，選取數值偏大，而且各種通訊系統(tǒng)裝置真實容量總和可能會小很多，實際測量負載數值無法表達系統(tǒng)要求的最大負載，全方位考慮通訊相關裝置負載的關鍵作用，通訊相關裝置負載需要系數通常建議取保守值0.65。

4 地鐵站房降壓變壓器額定容量選擇原則

相關設計人員在確定下游各種類型裝置組的計算容量后，需要考慮同時系數的取值，最終獲得系統(tǒng)的計算容量，進而依據負載率選定科學的地鐵系統(tǒng)站房降壓變壓裝置的額定容量。地鐵系統(tǒng)站房通常配備2臺容量一致能夠互相替換的備用變壓器裝置，降壓變電站低壓端的電氣裝置主線采用單一母線，且設置3級負載母線分段的操作模式。日常狀態(tài)下母聯(lián)斷路裝置處于斷開狀態(tài)，2部變壓器裝置一起運行；如果其中一臺變壓器裝置正在檢修或者其中一條電路的電源出現(xiàn)問題導致停電，母聯(lián)斷路器裝置自行啟動，斷開3級負載母線部分，此時全站的1、2級負載由另一臺變壓器帶動運行。所以，相關設計人員在選定單臺變壓器裝置的額定容量時，必須讓系統(tǒng)符合在斷開某一臺變壓器裝置時，其他變壓器裝置的額定容量（包括過負載能力）可以滿足全站1、2級負載的需要。這樣就要求特別注意對變壓器裝置額定容量進行計算時，不包含消防類負載，不過消防電梯屬于例外。除此以外，對于不會同時工作的裝置按比較大的數值考慮[5]。地鐵系統(tǒng)站房降壓變壓器如圖4所示。

圖4 地鐵系統(tǒng)站房降壓變壓器

5 結束語

綜上所述，為了科學準確地定義地鐵系統(tǒng)站房變壓器額定容量及下級各種類型開關及電纜型號，在確保地鐵工程品質的基礎上，降低相關工程造價。本文以地鐵系統(tǒng)照明裝置負載、泵類負載、電動扶梯類負載、弱電體系負載為分析目標，通過研究地鐵系統(tǒng)站房各種類型負載實際額定總容量與理論規(guī)劃額定總容量間的關系，來了解地鐵系統(tǒng)站房各種類型負載的特性，并且定義科學的需要系數。根據相關試驗數據，照明裝置負載需要系數可以依照（0.85～0.95）系數進行取值。泵類負載需要系數可以依照0.85進行取值。電動扶梯負載的需要系數在客流量非常大的地鐵換乘車站可以依照0.85進行取值，在客流量較少的標準型地鐵車站可以選取保守系數0.75。通訊類負載需要系數可以全部選取保守系數0.65。變壓器額定總容量的負載率可以選取保守系數0.77。實際測量需要系數通常對比理論系數值要小一些，相關地鐵工程技術人員在進行施工設計過程中，必須依據各類地鐵站房的客流量需要、各種類型負載的特性、上下游領域提取資源的準確程度進行靈活選擇。