地鐵低壓配電中的節(jié)能措施應用

高勛

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

在交通運輸行業(yè)中，地鐵是十分重要的交通工具。多數(shù)城市的地鐵能夠滿足人們?nèi)粘３鲂械男枨?，部分城市的地鐵運行時間高達18 個小時。在長期運轉(zhuǎn)的背景之下，地鐵系統(tǒng)往往需要耗費較多的電力資源。然而，電力對于我國的經(jīng)濟社會發(fā)展是非常重要且寶貴的資源，各個企業(yè)都必須切實推進節(jié)能減排的任務。現(xiàn)在大多數(shù)地鐵采取低壓配電系統(tǒng)，并在配電系統(tǒng)中采取了多項節(jié)能措施，全面提升了地鐵工程的節(jié)能減排效果。

1 地鐵低壓配電系統(tǒng)

1.1 地鐵低壓配電系統(tǒng)概述

地鐵低壓配電系統(tǒng)由低壓配電柜、低壓電纜輸電線路和配電箱組成[1]。低壓配電柜負責分配整個系統(tǒng)內(nèi)部的線路，并調(diào)配相應的電力到特定的區(qū)域。低壓電纜輸電線路負責傳輸電力，連接各個設備，保證系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。如果按照功能可分為動力系統(tǒng)和照明系統(tǒng)，動力系統(tǒng)為各個系統(tǒng)設備提供電力支撐，照明系統(tǒng)負責地鐵內(nèi)部的照明設施。照明系統(tǒng)和動力系統(tǒng)對于地鐵的整個配電網(wǎng)絡至關(guān)重要，各司其職，使地鐵低壓配電系統(tǒng)可以良好運轉(zhuǎn)[2]。

1.2 地鐵低壓配電系統(tǒng)的特點

首先，地鐵低壓配電系統(tǒng)具備分布廣泛的特點?，F(xiàn)在的地鐵線路已經(jīng)覆蓋了城市內(nèi)部各個地方，因此整個配電系統(tǒng)的線路將延伸到各個區(qū)域，使低壓配電系統(tǒng)的分布范圍逐漸擴大。其次，地鐵低壓配電系統(tǒng)具備設備類型多樣化、多元化的特點。很多先進的設備都是為了實現(xiàn)良好運轉(zhuǎn)而專門用于協(xié)調(diào)地鐵低壓配電系統(tǒng)的，各項設備都在不斷地更新?lián)Q代。最后，低壓配電系統(tǒng)的整體用電負荷量比較大，所消耗的電力資源也比較多。如果沒有采取正確的低壓配電應用方式，很可能出現(xiàn)資源浪費、運行效率降低等問題。地鐵低壓配電系統(tǒng)正朝著人性化、節(jié)能化、智能化的方向發(fā)展。在設置運行方案時，要綜合考慮節(jié)能的效果，盡可能提升地鐵系統(tǒng)的使用舒適度，減少不必要的能源消耗的同時，為用戶提供良好的體驗[3]。

1.3 地鐵低壓配電系統(tǒng)的運行模式

地鐵的整個配電網(wǎng)絡分為動力配電設備部分和照明配電設備部分。低壓配電系統(tǒng)的整體運行模式與其承受的負載定級密切相關(guān)，可以根據(jù)管理區(qū)域的承載負荷量對其重要特性進行分析與歸納。地鐵低壓配電系統(tǒng)用電負荷可分為三級：一級負荷設備包括應急照明系統(tǒng)、消防水泵等消防滅火設備、參與消防疏散的自動扶梯重要信號通信系統(tǒng)設備、環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)設備公共區(qū)照明等；二級負荷設備包括乘客信息系統(tǒng)、風機設備、不參與消防疏散的自動扶梯設備等；三級負荷設備包括檢修設備、廣告照明設備、清潔設備等。未來低壓配電系統(tǒng)將朝著小型化、多功能化的方向繼續(xù)發(fā)展，在其運行的過程中，要確保母線和電源分線分離。不同的電源和線路需要各自承擔其所承受的電源和電壓負載，確保其處于安全的模式。

2 地鐵低壓配電中的節(jié)能措施應用

2.1 照明系統(tǒng)節(jié)能

在地鐵低壓配電系統(tǒng)中，照明系統(tǒng)是消耗電能較多的部分。地鐵車站多為地下建筑，除了個別的出口處可以接收并使用到外界的光線外，大多數(shù)的地鐵車站都是屬于地下工程，是封閉的，是無自然光源能夠利用的。地鐵工程中的整體照明系統(tǒng)比較龐大，根據(jù)現(xiàn)有市場上常見的燈具類型，地鐵車站的大部分照明設備采用LED 燈。采取這種光源設備的主要原因是：LED 燈無鋼絲、無玻璃燈泡，所以耐用性更高，不易損壞，壽命更長；其適配性較強，適合多種場合；相對于傳統(tǒng)的粗管徑光管而言，LED 燈工作電壓低，功耗較低，所以具備較好的節(jié)能效果，在達到相同的照明水平的情況下，其所消耗的電能更少，降低了能耗的同時，也增加了光源的輸出效率，進而延長了整個電源設備的使用壽命。由此，短期來看可以節(jié)約電能，長期以后可以減少燈具的更換頻率。除了正常工作照明以外，照明系統(tǒng)還包括廣告照明、導向照明等。另外，公共區(qū)節(jié)電照明系統(tǒng)結(jié)合傳感技術(shù)，使整體的光照系統(tǒng)更加的人性化、科學化[4]。

地鐵車站類型有三類，分別為一類車站，客流較少；二類車站，總體客流中等，呈現(xiàn)明顯的峰谷分布；三類車站，總客流較多，各時段客流均勻。例如，南京地鐵3 號線采用智能調(diào)光系統(tǒng)，在客流較少和客流呈現(xiàn)明顯峰谷分布的車站安裝人體感應控制類型的智能照明。在高峰時段，燈具全部點亮。在運營準備時段采用降低亮度點亮車站公共區(qū)，在非高峰時段，智能調(diào)光系統(tǒng)會監(jiān)測乘客所在位置，并預判其將前往的區(qū)域，僅將該區(qū)域的燈具點亮，其余部位保持不高于高峰時段75%的照度，在乘客離開后，延時調(diào)低亮度，由此來達到節(jié)能的作用。

具體車站分類和不同時間段的照明能耗占比[5]見表1。

表1 不同類型車站在不同時段的照明能耗占比

2.2 設置變頻節(jié)能模式

變頻技術(shù)是許多行業(yè)都會采用的一項節(jié)能措施。在地鐵低壓配電系統(tǒng)中合理地使用變頻節(jié)能技術(shù)，能夠更有效地提升節(jié)能的效率。變頻技術(shù)可以控制電機的執(zhí)行速度，有效避免電能損耗過多。在地鐵低壓配電系統(tǒng)中，對組合式空調(diào)器等大型非消防用電設備設置變頻節(jié)能模式，采取更加柔性的啟動與關(guān)閉控制方式，減少電機在開關(guān)過程中的瞬時能耗。在地鐵項目中，應用電動機的設施非常多，除了地鐵車輛外，地鐵站經(jīng)常會設置自動扶梯為人們提供更加便利的出行服務。自動扶梯的能源消耗非常大，如果長時間保持自動運轉(zhuǎn)的模式，則導致電能被浪費，沒有發(fā)揮其應有的價值。地鐵站處于出行低峰期時，很少需要使用自動扶梯。所以為了有效提升電能的使用效率，可以為自動扶梯等自動運行的設備配備變頻調(diào)速系統(tǒng)以及相應的感應系統(tǒng)。當檢測到需要消耗電能的需求時，再執(zhí)行相應的任務。變頻啟動技術(shù)能夠在很大程度上降低能源損耗，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，至少可以降低20%以上的損耗[6]。

2.3 優(yōu)化配電方式

配電電纜也是有內(nèi)阻的，電能在傳輸過程中，會在電纜電線上發(fā)熱，從而損耗掉，為了減少這種傳輸過程中無謂的損耗，要采用有效措施：一是減少配電級數(shù)，優(yōu)先保障配電系統(tǒng)的安全與可靠；二是減少輸電距離，將變電所布置在地鐵配電負荷中心的位置，將照明配電間布置在對應站廳站臺大小頭端的配電負荷中心，將環(huán)控電控室布置在距離環(huán)控機房、活塞風道、新風道、排熱風道較近的位置，這樣能夠有效縮短低壓配電的供電半徑，減少電纜的長度；三是合理規(guī)劃配電箱的位置，避免在位置上反向送電，例如先把電能送到車站的遠端，再往近端配電的情況發(fā)生；四是選擇導電率較低的材料，例如銅芯電纜，電纜在敷設時，盡可能放直敷設，減少電纜在電纜橋架內(nèi)轉(zhuǎn)彎的數(shù)量。

2.4 設置有源濾波器

低壓配電系統(tǒng)在整個運行過程中往往需要承擔較大的電源電壓負載，屬于較為龐大的電力系統(tǒng)。從電力電波角度方向分析，電力系統(tǒng)在運行的過程當中通常會接收各種諧波，帶來較大的危害，對整個電力系統(tǒng)的各項設施增加許多電荷負載量，損耗了過多能源，降低了整體系統(tǒng)運行的效率與性能，可能還會造成低壓配電系統(tǒng)設備的浪費。許多線路也處于被動負載的過程中，造成了線路浪費。系統(tǒng)的諧波還會引起一些無功補償和電流放大的問題，造成部分電容器出現(xiàn)電流過載或電壓過載的現(xiàn)象，甚至導致直接損壞或無法正常使用。除此之外，電力系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波也會造成渦流等不良效應，使電機、變壓器等設備損耗過大，產(chǎn)生過多的熱量，不僅浪費了更多的電能，也會加速設備的老化。設置有源濾波器可以解決這種問題，采取動態(tài)抑制諧波的方式，對頻率與大小都變化的諧波進行無功補償。尤其是在早晚高峰整體電力系統(tǒng)負荷較大的情況下，整個系統(tǒng)的參數(shù)變化較大，有源濾波器就可以有效調(diào)節(jié)各項數(shù)據(jù)，確保電波的穩(wěn)定，有效地抑制諧波帶來的各項危害。

2.5 優(yōu)化地鐵空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)系統(tǒng)是整個地鐵工程中使用電能較大的系統(tǒng)，通常來說，為了給用戶提供更好的出行體驗，多數(shù)地鐵站在運營期間空調(diào)是全程啟動的，而地鐵站站廳層面積約為2500m2，空調(diào)需要覆蓋的范圍也比較大，需要長時間消耗大量的電能維持空調(diào)系統(tǒng)的良好運轉(zhuǎn)，所以優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)也是節(jié)能工作的一個重點部分。為了進一步優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)，可以結(jié)合地鐵站所處區(qū)域的實際情況以及氣候溫度、季節(jié)，綜合制定空調(diào)開放措施。在氣溫適宜的地區(qū)，可適當減少空調(diào)開放的頻率。而在南方地區(qū)夏季時，空氣中的溫度及濕度都比較高，一般采用冷水機組合制冷的方式為整個空調(diào)系統(tǒng)提供更加強勁的冷風，充分利用每一度電，達到減少使用電能的目的。在一些整體氣溫偏低的地區(qū)，天氣涼爽的時候，盡可能減少使用空調(diào)，采取隧道通風的方式來加速地鐵站內(nèi)部空氣交換，進而達到保證地鐵內(nèi)部環(huán)境舒適的目的[7]。

2.6 結(jié)合新興技術(shù)不斷改良配電系統(tǒng)

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)都在采取各項新興技術(shù)來提升服務質(zhì)量。在地鐵工程建設的過程中，有效結(jié)合當下的新興技術(shù)，不斷改良整個低壓配電系統(tǒng)。例如，采取相應的智能化調(diào)配線路的設備減少外接線路的使用頻率，降低線路所消耗的電能；采取智能化風機設備，安裝更加節(jié)能的通風風機系統(tǒng)，為地鐵站內(nèi)部提供良好的通風環(huán)境。很多地鐵工程項目采用了雙速風機系統(tǒng)，可以根據(jù)實際情況調(diào)整風機送風的速度、壓力和流量，不僅可以實現(xiàn)地鐵站的正常通風，還可以實現(xiàn)防排煙功能。在各項設備應用上不斷創(chuàng)新，進一步提升節(jié)能的效果，及時將廢舊的線路和設備替換成新型的節(jié)能設備，不斷改良整體配電系統(tǒng)的運行環(huán)境。采用電阻、電抗更小，鐵損、銅損更小的新型電力設備提高整體電路的電能應用效率。除此之外，還可以采用無功補償功能的裝置，提高就地無功功率補償，提高功率因數(shù)，減少無功功率在輸電線路上的傳輸，從而降低低壓配電線路的損耗。

2.7 采用智能計量管理系統(tǒng)，加強管理

雖然很多地鐵項目團隊都在不斷優(yōu)化各個用電設備以及優(yōu)化用電方案，但是只能從降低用電功率和減少用電時長兩個方面來分析各個主要系統(tǒng)的具體用電量數(shù)據(jù)，不利于整體節(jié)能措施的推進。因此，應采取智能計量管理系統(tǒng)對整個地鐵車站內(nèi)部的各項配電設備進行詳細的分析處理，并且精準獲取其耗電的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在電量分析方面可以總結(jié)有功電量和無功電量，并且詳細分析設備功率，求出最大值、最小值和平均值。為各個耗電量較大的設備單獨設置多功能的儀表來計量其數(shù)據(jù)，并且將各項數(shù)據(jù)分類匯總到自動化、智能化的分析系統(tǒng)中。通過系統(tǒng)的精準測算算法檢測其用量的趨勢是否符合相應的標準。工作人員要根據(jù)系統(tǒng)所反饋的結(jié)果，進一步調(diào)整地鐵站節(jié)能減排的工作安排。采用智能計量管理系統(tǒng)之后，充分利用數(shù)據(jù)，將其應用在后續(xù)的管理工作中，督促地鐵車站的管理運營人員時刻以精準數(shù)據(jù)為重要依據(jù)，采取各項管理措施。不僅要從宏觀的角度嚴格控制地鐵站的整體用電情況，也要具體細分到各個系統(tǒng)的負責人，確保各項應用落實節(jié)能減排的任務。建立良好的監(jiān)督復查機制以及節(jié)能獎懲制度，有效提升工作人員落實節(jié)能減排措施的積極性。上級部門應對各個區(qū)域的節(jié)能減排落實效果進行考核，監(jiān)督電能的合理使用情況[8]。

3 結(jié)語

綜上所述，電力對于我國的經(jīng)濟社會發(fā)展是非常重要且寶貴的資源，地鐵系統(tǒng)往往需要耗費較多的電力資源，所以必須落實各項節(jié)能措施。照明系統(tǒng)和動力系統(tǒng)對于地鐵的整個配電網(wǎng)絡至關(guān)重要，應當重點對其開展節(jié)能措施。應用地鐵低壓配電中的節(jié)能措施，通過更加智能化的照明節(jié)能操控方式使整體的光照系統(tǒng)更加科學化、低耗化；合理使用變頻節(jié)能技術(shù)，有效提升節(jié)能的效率；設置有源濾波器有效抑制諧波帶來的各項危害；結(jié)合地鐵站的實際情況，綜合制定空調(diào)開放措施。結(jié)合新興技術(shù)不斷改良配電系統(tǒng)，采取電阻小、綜合性能強的新型設備——智能計量管理系統(tǒng)，對整個地鐵車站內(nèi)部的各項配電設備進行詳細的分析處理。