地鐵區(qū)間射流風(fēng)機(jī)起動(dòng)方式的經(jīng)濟(jì)效益分析

靳 凱

(上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院， 200235， 上海∥工程師)

地鐵區(qū)間射流風(fēng)機(jī)主要用于運(yùn)營前通風(fēng)換氣、區(qū)間阻塞或火災(zāi)工況排煙。因隧道洞口氣流組織困難，射流風(fēng)機(jī)(如圖1中FJ1-FJ8)多設(shè)置在出入段線隧道洞口或車站岔線區(qū)，距離車站變電所較遠(yuǎn)。

根據(jù)風(fēng)機(jī)容量和配電距離的不同，區(qū)間射流風(fēng)機(jī)一般有全壓起動(dòng)和軟起動(dòng)2種配電方案。其中：全壓起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單、操作維護(hù)方便，缺點(diǎn)是起動(dòng)電流較大，需要通過增大電纜截面來減少對(duì)配電系統(tǒng)電壓的沖擊；軟起動(dòng)由于增加了軟起動(dòng)控制柜，其起動(dòng)電流較小，對(duì)配電系統(tǒng)影響也較小，缺點(diǎn)則是設(shè)備相對(duì)復(fù)雜、投資較高。

圖1 射流風(fēng)機(jī)平面布置示意圖

1 相關(guān)規(guī)范要求

對(duì)于風(fēng)機(jī)的起動(dòng)問題，GB 50055—2011《通用用電設(shè)備配電設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》等規(guī)范對(duì)風(fēng)機(jī)起動(dòng)時(shí)母線電壓降、電動(dòng)機(jī)端子電壓降、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩等方面作了如下明確要求：① 電動(dòng)機(jī)不頻繁起動(dòng)(起動(dòng)次數(shù)<10次/h)時(shí)，配電母線上的電壓不宜低于額定電壓的85%[1]；② 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，其端子電壓應(yīng)能保證機(jī)械要求的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，且在配電系統(tǒng)中引起的電壓波動(dòng)不應(yīng)妨礙其他用電設(shè)備的工作[1]；③ 電動(dòng)機(jī)類用電設(shè)備端子處電壓偏差允許值宜符合±5%額定電壓的要求[2]；④ 對(duì)于低壓電動(dòng)機(jī)，應(yīng)保證接觸器線圈的電壓不低于釋放電壓[1]，單獨(dú)使用或裝在起動(dòng)器中使用的電磁式接觸器，在其額定控制電源電壓Un的85%～110%之間取任何值時(shí)均應(yīng)可靠閉合[3]。

2 計(jì)算公式

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)(第四版)》[4](以下簡稱“配電手冊(cè)”)，相關(guān)計(jì)算公式如下。

2.1 電纜載流量

Iz≥I/K

(1)

式中：

Iz——電纜載流量；

I——負(fù)荷計(jì)算電流；

K——載流量校正系數(shù)。

2.2 三相平衡負(fù)荷線路的電壓損失

Δu=ΔuaIl

(2)

式中：

Δu——線路電壓損失百分?jǐn)?shù)，%；

Δua——三相線路每1 A·km的電壓損失百分?jǐn)?shù)，%/(A·km)；

l——線路長度，km。

2.3 鼠籠式電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的母線電壓相對(duì)值

UstB=1.05SscB/(SscB+QL+Sst)

(3)

SscB=SrT/(xT+SrT/Sk)

(4)

QL=0.6(SrT-0.75SrM)

(5)

Sst=1/(1/SstM+X1/Uav2)

(6)

式中：

UstB——電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)母線電壓相對(duì)值；

SscB——母線短路容量，MVA；

QL——預(yù)接負(fù)荷的無功功率，Mvar；

Sst——電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)起動(dòng)回路的計(jì)算容量，MVA；

SrT——變壓器額定容量，MVA；

xT——變壓器短路阻抗，Ω；

Sk——變壓器一次側(cè)短路容量，MVA；

SrM——電動(dòng)機(jī)額定容量，MVA；

SstM——電動(dòng)機(jī)額定起動(dòng)容量，MVA；

Uav——系統(tǒng)平均電壓，kV；

X1——線路阻抗，Ω。

設(shè)S為銅芯電纜截面，當(dāng)S>150 mm2時(shí)，X1=(0.08+6.1/S)l；當(dāng)S≤150 mm2時(shí)，X1=18.3l/S。

2.4 電動(dòng)機(jī)端子電壓要求

鼠籠式電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)端子電壓相對(duì)值UstM為：

UstM=UstBSst/SstM

(7)

電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，為保證傳動(dòng)機(jī)械要求的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，UstM應(yīng)滿足：

(8)

式中：

ms——電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)械的靜阻轉(zhuǎn)矩相對(duì)值；

mstM——電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩相對(duì)值，即起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值。

3 供電系統(tǒng)主要參數(shù)

3.1 系統(tǒng)參數(shù)

本文以某軌道交通工程為例進(jìn)行研究。該工程供電系統(tǒng)采用110 kV/35 kV二級(jí)電壓供電方式，其中，35 kV側(cè)短路容量SK為250 MVA。車站配電變壓器選用環(huán)氧樹脂絕緣干式變壓器SCB10-1250 kVA-35/0.4 kV，其額定容量SrT為1.25 MVA，變壓器阻抗電壓uK為6%，母線短路容量SscB為19.23 MVA。

3.2 電纜參數(shù)

依據(jù)配電手冊(cè)第838頁的表9.3-24、第875頁的表9.4-19，得到電纜參數(shù)如表1所示。

表1 交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜參數(shù)Tab.1 Parameters of cross-linked polyethylene insulated power cable

3.3 射流風(fēng)機(jī)參數(shù)

地鐵區(qū)間射流風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一般為1 450 r/min，常用功率為30 kW、45 kW、55 kW，額定電壓380 V，頻率50 Hz。選用某廠家YE3-4系列鼠籠型射流風(fēng)機(jī)，其參數(shù)如表2所示。

3.4 其他參數(shù)

1) 軟起動(dòng)器：選用某廠家PSS系列軟起動(dòng)器，起動(dòng)變流倍數(shù)為4，起動(dòng)時(shí)間為10 s。

2) 軟起動(dòng)柜：約為6萬元/臺(tái)(詢價(jià))。

表2 某廠家鼠籠型射流風(fēng)機(jī)參數(shù)Tab.2 Squirrel cage type jet fan parameters from certain manufacturer

3) 全壓起動(dòng)控制箱：約為0.5萬元/只(詢價(jià))。

4 全壓起動(dòng)和軟起動(dòng)2種起動(dòng)方式下的計(jì)算

以2臺(tái)45 kW射流風(fēng)機(jī)為例進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)表2，選擇YE3-225M-4型號(hào)的射流風(fēng)機(jī)。采用全壓起動(dòng)時(shí)，如圖2 a)所示，雙電源切換箱AT1兩路電源分別引自A站降壓變電所I、II段母線，雙電源切換后饋線分別引至射流風(fēng)機(jī)FJ1、FJ2的全壓起動(dòng)控制箱，控制箱再引至射流風(fēng)機(jī)接線端子處；采用軟起動(dòng)時(shí)，如圖2 b)所示，取消了全壓起動(dòng)的控制箱1、控制箱2，新增軟起動(dòng)柜1、軟起動(dòng)柜2。

a) 全壓起動(dòng)

b) 軟起動(dòng)圖2 2種起動(dòng)方式下射流風(fēng)機(jī)配電方案對(duì)比Fig.2 Comparison of jet fan power distribution schemes under 2 types of starting modes

本文僅做近似估算，由于AT1和控制箱/柜、控制箱/柜和射流風(fēng)機(jī)之間的距離都很小，因此忽略AT1至控制箱/柜、控制箱/柜至射流風(fēng)機(jī)的電纜阻抗值，同時(shí)忽略變壓器到變電所低壓開關(guān)柜的銅母線阻抗值，僅計(jì)入低壓開關(guān)柜至AT1的線路阻抗值。

4.1 采用全壓起動(dòng)方式

最大運(yùn)行工況為2臺(tái)射流風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行，AT1的功率P為90 kW，電流I為168 A，額定容量SrM為0.111 MVA；最大起動(dòng)工況為1臺(tái)射流風(fēng)機(jī)正在運(yùn)行時(shí)另1臺(tái)射流風(fēng)機(jī)起動(dòng)，此時(shí)起動(dòng)電流Iq為705.6 A，額定起動(dòng)容量SstM為0.464 MVA。比對(duì)上文的規(guī)范要求，計(jì)算及校驗(yàn)步驟如下：

1) 步驟1，根據(jù)載流量選擇電纜。AT1的2路進(jìn)線電纜沿區(qū)間電纜支架敷設(shè)，取K為0.78[4]，根據(jù)式(1)可得到Iz≥215.38 A；根據(jù)表1，選擇交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜規(guī)格為WDZBN-YJY23-3×70+2×35。

2) 步驟2，通過最大運(yùn)行工況下電動(dòng)機(jī)端子電壓降確定最遠(yuǎn)供電距離Lm。根據(jù)式(2)及要求③，當(dāng)電纜選用WDZBN-YJY23-3×70+2×35且Δu≤5%時(shí)，Lm可達(dá)到235 m。

3) 步驟3，最大起動(dòng)工況下的母線電壓降校驗(yàn)。當(dāng)電纜選用WDZBN-YJY23-3×70+2×35、供電距離為235 m時(shí)，X1為0.06 Ω，根據(jù)式(3)可得UstB為99.36%，滿足要求①。

4) 步驟4，最大起動(dòng)工況下的電動(dòng)機(jī)端子電壓降校驗(yàn)。根據(jù)式(7)可得UstM為82.92%。根據(jù)式(8)，為保證起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求，則UstM>38.73%，滿足要求②，但由于UstM<85%，不滿足要求④中接觸器線圈釋放電壓的要求。如需滿足UstM≥85%，則反算出Lm為199 m。

重復(fù)步驟3和步驟4，當(dāng)Lm為199 m時(shí)，UstB為99.31%，母線壓降校驗(yàn)通過。此時(shí)UstM為85.02%，大于38.73%，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩校驗(yàn)通過；UstM在85%～110%的范圍內(nèi)，接觸器線圈釋放電壓校驗(yàn)通過。

綜上分析，射流風(fēng)機(jī)FJ1(45 kW)、FJ2(45 kW)按照上述條件采用全壓起動(dòng)時(shí)，在0～199 m的供電范圍內(nèi)，選擇交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜WDZBN-YJY23-3×70+2×35，可滿足載流量、運(yùn)行時(shí)電壓降、起動(dòng)時(shí)母線電壓降、起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)端子電壓降、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、接觸器線圈釋放電壓等各項(xiàng)要求。

4.2 采用軟起動(dòng)方式

采用軟起動(dòng)方式時(shí)，選用某廠家PSS系列軟起動(dòng)器，起動(dòng)電流倍數(shù)為4，其余條件與全壓起動(dòng)方式相同。此時(shí)，最大運(yùn)行工況同全壓起動(dòng)方式；最大起動(dòng)工況為1臺(tái)射流風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)另1臺(tái)射流風(fēng)機(jī)起動(dòng)，此時(shí)起動(dòng)電流Iq為420 A，額定起動(dòng)容量SstM為0.276 MVA。

計(jì)算及校驗(yàn)步驟如下：

1) 步驟1，根據(jù)載流量選擇電纜。同全壓起動(dòng)方式，選擇交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜WDZBN-YJY23-3×70+2×35。

2) 步驟2，通過最大運(yùn)行工況下電動(dòng)機(jī)端子電壓降確定Lm。同全壓起動(dòng)方式，Lm為235 m。

3) 步驟3，最大起動(dòng)工況下的母線電壓降校驗(yàn)。計(jì)算方法同全壓起動(dòng)方式，得到UstB≥85%，滿足要求①。

4) 步驟4，最大起動(dòng)工況下的電動(dòng)機(jī)端子電壓降校驗(yàn)。計(jì)算方法同全壓起動(dòng)方式，得到UstM為89.49%，其大于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求的電動(dòng)機(jī)端子電壓降38.73%，校驗(yàn)通過，滿足要求②；UstM在85%～110%的范圍內(nèi)，滿足要求④。

綜上分析，在其余條件不變的情況下，當(dāng)起動(dòng)方式改為軟起動(dòng)時(shí)，Lm可達(dá)235 m。

5 全壓起動(dòng)與軟起動(dòng)的方案比選

5.1 供電距離比較

按照上述計(jì)算方法，可得出2臺(tái)45 kW的射流風(fēng)機(jī)共用1個(gè)AT1時(shí)進(jìn)線電纜規(guī)格與供電距離的關(guān)系，如表3所示。

表3 進(jìn)線電纜規(guī)格與供電距離的關(guān)系Tab.3 Relationship between incoming cable specifications and power supply distance

5.2 費(fèi)用對(duì)比

本文只考慮變電所低壓開關(guān)柜至區(qū)間射流風(fēng)機(jī)之間的費(fèi)用，其主要由3個(gè)部分內(nèi)容組成：

C=C1+C2+C3

(9)

式中：

C——總費(fèi)用；

C1——設(shè)備費(fèi)用；

C2——電纜費(fèi)用；

C3——其他費(fèi)用。

計(jì)算時(shí)，忽略了C1因容量不同帶來的價(jià)格差異；C2的電纜由低壓開關(guān)柜至AT1、AT1至控制箱/柜(距離按20 m考慮)、控制箱/柜至射流風(fēng)機(jī)(距離按20 m考慮)等3部分組成；計(jì)算C3時(shí)，忽略不同起動(dòng)方式下的差異，近似認(rèn)為2種起動(dòng)方式下其他費(fèi)用相等。

根據(jù)表1和表3，則可得到2臺(tái)45 kW射流風(fēng)機(jī)在不同起動(dòng)方式下的費(fèi)用C與供電距離L的關(guān)系，如圖3所示?？梢钥闯觯?/p>

1) 當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與變電所的距離小于461 m時(shí)，采用全壓起動(dòng)更為合理。這是因?yàn)閷?duì)于容量確定的風(fēng)機(jī)，供電距離較小時(shí)，進(jìn)線電纜的截面主要取決于正常運(yùn)行時(shí)末端電纜電壓降Δu≤5%的要求，2種起動(dòng)方式下的電纜截面相差并不大，費(fèi)用差別主要是因?yàn)檐浧饎?dòng)柜費(fèi)用較高。

2) 隨著供電距離的增大，Ust,M逐漸成為了關(guān)鍵因素，導(dǎo)致全壓起動(dòng)方式下的電纜截面要比軟起動(dòng)方式下的電纜截面大。而且隨著供電距離的不斷增大，2種起動(dòng)方式下電纜的費(fèi)用差也會(huì)越來越大，所以當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與變電所的距離大于461 m時(shí)，采用軟起動(dòng)方式更為合理。

5.3 不同功率射流風(fēng)機(jī)的起動(dòng)方案比選

同理分別計(jì)算出2臺(tái)30 kW射流風(fēng)機(jī)、2臺(tái)55 kW射流風(fēng)機(jī)在不同起動(dòng)方式下的費(fèi)用與供電距離的關(guān)系，如圖4～5所示?？梢钥闯觯?/p>

1) 對(duì)于2臺(tái)30 kW射流風(fēng)機(jī)，當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與變電所的距離小于786 m時(shí)，采用全壓起動(dòng)更為合理；

圖3 2臺(tái)45 kW射流風(fēng)機(jī)在不同起動(dòng)方式下的 費(fèi)用-距離關(guān)系Fig.3 Cost-distance relationship of two 45 kW jet fans underdifferent starting modes

圖4 2臺(tái)30 kW射流風(fēng)機(jī)在不同起動(dòng)方式下的 費(fèi)用-距離關(guān)系Fig.4 Cost-distance relationship of two 30 kW jet fans under different starting modes

圖5 2臺(tái)55 kW射流風(fēng)機(jī)在不同起動(dòng)方式下的 費(fèi)用-距離關(guān)系Fig.5 Cost-distance relationship of two 55 kW jet fans under different starting modes

當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與變電所的距離大于786 m時(shí)，采用軟起動(dòng)更為合理；

2) 對(duì)于2臺(tái)55 kW射流風(fēng)機(jī)，當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與車站變電所的距離小于395 m時(shí)，采用全壓起動(dòng)合理，當(dāng)射流風(fēng)機(jī)與變電所的距離大于395 m時(shí)，采用軟起動(dòng)更為合理。

6 結(jié)語

在區(qū)間射流風(fēng)機(jī)的供配電設(shè)計(jì)中，既不能簡單地靠放大電纜截面來滿足風(fēng)機(jī)的起動(dòng)和運(yùn)行要求，也不能忽略風(fēng)機(jī)容量、風(fēng)機(jī)與變電所的距離等因素一概采用軟起動(dòng)方式，而應(yīng)在滿足技術(shù)指標(biāo)的前提下，結(jié)合投資費(fèi)用進(jìn)行合理的經(jīng)濟(jì)分析比較，這對(duì)城市軌道交通工程項(xiàng)目節(jié)約投資具有重大意義。