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城市轨道交通车站低压负荷需要系数研究
发布日期:2019-03-19 16:36:08
王德发, 卢光明
( 中铁第四勘察设计院集团有限公司, 武汉 430063)
 
摘    要: 针对城市轨道交通车站变压器容量选择过大、负荷率低的问题,通过分析车站用电负荷计算过程,得 知需要系数 kx与多种因素有关。 基于武汉地铁秋季和夏季用电负荷实测数据,并结合设计手册中各设备需 要系数的取值,通过研究螃蟹师站实际用电情况,给出轨道交通不同类型用电设备的需要系数取值或范围。 同时也提出,考虑到大功率风机的启动情况,地下车站变压器容量不宜小于 800  kVA。 该结果对于城市轨道 交通车站负荷计算和变压器容量选择具有指导意义。
关键词: 城市轨道交通; 低压配电; 负荷计算; 需要系数; 变压器容量
中图分类号: U231      文献标志码: A    文章编号: 1672  -6073(2017)05 - 0093- 06
 
DemandCoefficientofLow-VoltageLoadforUrbanRailTransitStation
WANG Defa,LUGuangming

( ChinaRai1waySiyuan Surveyand Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063)

Abstract: Theurban railtransitstation often hastheproblemsofhigh transformercapacity and  low load  rate.Through  analy- zing  theprocessofload calculation, wemakeaconclusion thatthedemand coefficientKx  hasrelation with many factors.Based on  theactualmeasured powerload ofWuhan subway in autumn and in summer, weresearch theactualelectricity load ofPang-
xieJiastation and obtain theoptimized valueorrangeofdemand  coefficientfordifferenttypesofelectricalequipmentin  urban railtransit, referencing therated  valueofdemand  coefficientin  design  regulations.Besides, considering  thestartsituation  of large-powerwind turbine, thetransformercapacity oftheunderground station  should  belargerthan 800kVA.Thisresultisof significanceforthecalculation ofpowerload and selection oftransformercapacity forurban railtransitstation.
Keywords: urban railtransit; low-voltagedistribution; calculation ofpowerload; demand coefficient; transformercapacity

1    研究背景
       城市轨道交通低压配电变压器承担的负荷种类复 杂,相应的容量选择难度也较大。 在选择配电变压器 容量前一般根据车站各系统设备专业提交的负荷来统 计车站的负荷,由于各系统设备提交的负荷容量裕度 一般较大,且设计人员对轨道交通的负荷特性认识不 够深入,故国内轨道交通配电变压器的容量选择普遍 存在偏大的情况。 经对广州地铁、苏州地铁 1 号线、武 汉地铁 2 号线的调查,降压变电所 35 I0.4 kV变压器的负荷率平均为 20%左右,例如对苏州地铁 1 号线全线车 站实测数据表明,在夏季的空调季节,变压器最大负荷 率出现在中央公园站,仅为 29%;最小负荷率出现在养 育巷站,为 6.3%。 变压器容量选择偏大,不仅增加建设 成本,而且增加电能损耗,不符合国家节能减排的要求: 因此,合理选择配电变压器的容量显得尤为重要。
       城市轨道交通低压配电系统用电负荷分析研究的 难点在于准确把握各类负荷的实际运行情况和实际用 电量:因此,需要对己运营的线路进行大量基础数据的 调查、分析,并在此基础上,以工业与民用配电设计的 基本理论为依据,分析、研究出较为准确的低压配电系 统需要系数的选取方法,同时对造成变压器取值过大 的其他原因进行分析,合理选择变压器容量。
       城市轨道交通线路以地下车站的负荷最为复杂,因此,本文以武汉地铁 2 号线螃蟹甲站为研究对象,对 该站 35 I0.4  kV降压变压器二次侧的低压馈出线进行 现场实测,得到了各馈出回路在秋季、夏季的实际负荷 情况,并参考广州地铁大石站和昆明地铁福德站的负 荷统计情况进行分析。  由于各地铁车站的负荷性质、 用电使用情况基本相同,因此对某一座车站的实测数 据进行分析具有普遍性意义。

 

2   负荷计算的理论与方法
       负荷计算的方法有需要系数法、利用系数法、单位指标法等[1  2] 。
       城市轨道交通低压配电变压器的负荷计算一般采 用需要系数法。  用此方法进行负荷计算时,将变电所 配电干线范围内的用电设备按照类型统一分组,配电干 线的计算负荷为各用电设备组的计算负荷之和再乘以 同时系数,变电所的计算负荷为各配电干线计算负荷之 和再乘以同时系数[3  4] 。  用电设备组的计算负荷为:

式中:Pc为用电设备组的计算负荷;
          Pe为用电设备组的设备功率;

          kx为需要系数,由下式确定

       式中:kt为设备同时运行系数:用电设备组的全部设备 并不同时运行,kt即设备组在最大负荷时运行的设备 容量与总容量之比。
       kh  为设备组的负荷系数:用电设备不一定满载工作,kh  即设备组在最大负荷时的输出功率与总功率之比。
       Ns为设备组的平均效率:设备的输出容量与输入 容量之间存在效率,Ns即设备组在最大负荷时的输出 功率与取用功率之比。
       Nt为配电线路的平均效率:向用电设备供电的线 路有损耗,存在线路效率,Nt即配电线路在最大负荷时 末端功率( 设备组的取用功率) 与前端功率 ( 计算功 率) 之比。
       计算负荷的确定,关键是需要系数 kx的确定,而 对设计工作者来说上述的 kt、kh 、Ns、Nt系数是较难确 定的,仅能通过查阅设计手册来大致确定 kx。
 

3   地铁站低压配电负荷分类及构成
3.1  负荷分类

       地下车站低压配电负荷主要由通信、信号、通风空 调、给排水、电扶梯、照明等负荷构成,旨在保证轨道交 通安全运行,并为乘客候车提供舒适的环境。  它与车站的规模和结构以及环控系统的设计模式密切相关。 根据《 地铁设计规范》 ( GB50157 2013 ) 要求,地铁用电负荷按其不同的用途和重要性分为三级[5] ,而 地下车站用电负荷以一、 二级负荷为主, 占总负荷的 70% ~80%。  根据用电设备的类型可将车站设备分为 照明类、电动机类和电子与计算机类( 弱电类)。

 

3.2  负荷构成
       城市轨道交通车站负荷根据其特性可以分为两大 类:一类属于系统性负荷,是根据车站的功能必须设置 的,与车站的规模和结构基本无关, 全线负荷基本一 致,这一类负荷主要由电子与计算机类负荷构成,包含 通信、信号、AFC( 自动售检票)、FAS( 火灾报警系统)、 BAS( 环境与设备监控系统)、ISCS( 综合监控系统)、安 全门、气体灭火等系统负荷;另一类负荷根据车站的规 模和功能定位设置,主要包含通风空调、给排水、电扶 梯、照明、二三级负荷小动力、站内小商业等[6] 。

4   地铁站负荷实测结果
       采用需要系数法进行负荷计算时,需要确定 kx,城 市轨道交通中 kx取值不仅与设备的负荷率、效率、台 数、工作情况及线路损耗有关,而且与维护管理水平等 因素有关。  kx的 取值是否准确只能通过现场实测的 方法检验,因此,在无法取得 kt、kh 、Ns、Nt等系数的前 提下,通过实际测量现场负荷的大小,并与设备容量进 行比较来大致确定需要系数 kx,是具有现实意义的。

 

4.1  现场负荷实测情况
       笔者联合武汉地铁运营部门对武汉地铁 2 号线螃 蟹甲站的负荷进行了现场实测,实测时间分别选取在 秋季和夏季。  由于目前国内大部分地铁未采用电采暖 设备,选取秋、夏季进行实测,可以涵盖地下车站的平 时负荷和最大负荷。
       螃蟹甲站为武汉地铁 2 号线的一座标准 2 层站, 车站设 35 I0.4  kV变 电 所 1  座, 变 压 器 容 量 为 2  × 1 000  kVA,未设置电容补偿柜。  现场实测从 10 月 9 日 开始至 10 月 31 日结束,共 23 天,因篇幅关系,本文仅 截取其中部分典型数据,见表 1。  从实测的数据来看, 各系统负荷变化不大。



       表 2 为螃蟹甲站夏季现场实测负荷,现场实测共 进行了 3 天,主要对夏季用电量较大的设备,如冷水机 组电源、环控电源( 通风空调负荷),以及一些动力、照 明负荷全开状态下的回路进行了实测。  因篇幅关系, 本文仅截取其中部分典型数据。
 
4.2  实测负荷与设计负荷的比较
       取螃蟹甲站各设备或系统用 电负荷实测的最大值,并与设计 值做比较,得到表 3 所示结果。
       从表 3  可 看 出, 该 站 1 # 变 压器的负 载 率 仅 26%;2 # 变 压 器的负载率仅 10%, 且各回路 实际负荷远小于设计负荷,但如 果仅按照实际负荷与设计负荷 的比值作为需要系数的取值依 据,也是不尽合理的。 另外, 由 于设计负荷不一定为设备的额 定容量,如照明类、小动力类负荷往往为估算值,因此,应具体 分析造成各类设计负荷值与实 测值相差较大的原因,以确定需要系数的取值。

5   地铁站用电负荷需要系数分析
5.1  通凤空调类负荷需要系数

       地下车站的通风空调类负荷占车站负荷的比重最 大,其需要系数的取值直接影响变压器容量的计算。 但车站通风空调类负荷的设备容量远大于实际测量 值,分析其原因为:1) 环控设备实际是按模式运行的, 即不是所有设备均同时运行;2) 部分大功率通风设备( 如隧道风机) 仅在早晚通风时开启,实测数据中未包 含这个时段的数据;3 ) 对于冷水机组电源来说,车站 一般按远期最大负荷设置 2  台等容量大小的冷水机 组,并根据运行模式由随机组设置的电脑控制运行,根 据武汉地铁 2 号线的运行情况,2 台冷水机组同时运行 的情况十分少见。
       将现场实测最大负荷值与通风空调模式表( 根据 所在地区确定) 的最大负荷值进行比较,得出通风空调 系统的需要系数为 0.51;空调水系统设置变频器时的 需要系数为 0.56,其值较准确地反映了设备实际使用 情况。 为保守起见,通风空调类设备的需要系数可取 0.6 [7] ;冷水机组类设备设置变频器时的需要系数可取0.65,不设变频器时可取 0.85。
       设置在配线、隧道口部的多台射流风机并不同时 运行,计算变压器容量时应根据隧道通风系统运行模 式表确定其是否计人变压器容量。


5.2  水泵类负荷需要系数
       由于消防泵为消防负荷,现场无法取得实测值,在 变压器容量计算时不应该计人这部分负荷。 主废水泵 平时仅间歇性地参与区间排水,其需要系数可按 0.6 考虑;从对出人口雨水泵回路的实测数据来看,这类水 泵( 含污水泵) 负荷的需要系数取值0.8是合理的。

 

5.3  站台门、电扶梯类负荷需要系数
       从现场实测数据与设备容量的比较来看,扶梯、电 梯类的需 要 系 数 约 为 0.2, 安 全 门 的 需 要 系 数 约 为 0.06,且昆明地铁福德站的数据与之基本相同,但广州 地铁大石站电梯、扶梯类的负荷比值却为 0.5、安全门 负荷的比值约为 0.2,造成数据差异较大的原因是由于 广州地铁大石站的客流较大。 综合考虑此类负荷的情 况,扶梯、电梯类负荷的需要系数可取 0.6 [8] ;站台门 负荷的需要系数可取 0.3。

5.4  电子计算机类负荷需要系数

       根据现场实测数据,车控室 FAS 电源、BAS 电源、气体灭火电源等电子类设备的需要系数按保守估算, 可取值 0.4 ~0.7。
       通信、信号、ISCS 等系统实测负荷率约 0.2,其中公安 通信负荷率仅为 0.09,但考虑到通信设备的实测容量值不一定反映其最大负荷,结合昆明地铁、广州地铁的实测数 据,对通信类负荷的需要系数可保守取值 0.5 ~0.6。

5.5  小动力类负荷需要系数
       此类负荷是为车站一些不确定的小动力设备所预 留,设计考虑的设备容量较大,在车站运营后,实际使 用此类小动力电源箱的情况较少,即设计负荷不是真 实的设备容量,从现场实测来看,有些回路的测量值是 0,最大的也仅是设计负荷的 0.5 倍。 因此,对这类负 荷的需要系数保守取值 0.5。

5.6  照明类负荷需要系数
       经过 实 测 此 类 负 荷, 实 测 值 与 设 计 值 的 比 值 在 0.12 ~0.79,比较昆明地铁、广州地铁的数据也基本相 同,造成比值较大的原因是由于供变电与低压配电设计 不同步,低压配电需要估算照明负荷提供给供变电专 业,即设计负荷不是真实的设备容量:因此,计算变压器 容量时,对照明类负荷应根据所提供资料的情况,取适 当的需要系数。 如果低压提供的资料为实际的设备容 量,则需要系数可按照设计手册的 0.7 ~1 取值;如果低压提供的资料仅为估算值,则需要系数可按 0.4 ~0.8 取值。

 

6   结语
       在城市轨道交通的设计中,由于各专业的设计裕 度相对较大,且设备招标选型时在容量的套用上就高 不就低,如果仅按设计手册套用电气设备的需要系数 计算变压器的容量,选出的变压器容量显然是偏大的。
      变压器容量的计算不应包括车站专用的消防风机、 消防水泵等消防设备的容量;设置配线、隧道口部的多 台射流风机,并不同时运行,计算变压器容量时应根据
隧道通风系统运行模式表确定其是否计人变压器容量。

       对其他专业提供的设备负荷,应根据工艺要求准 确分析其最大负荷;对小动力类、照明类负荷的估算,
应尽量根据实际配置的设备容量计算。
       变压器容量的选择除了通过负荷计算确定外,还 应按照主接线的运行方式确定一台变压器退出运行 时,另一台变压器的容量是否满足所带的所有负荷容 量,且应校核变压器的容量是否满足最大电动机启动 电流的需求。 按照地下车站一般设置 4 台 90  kW 的隧 道风机考虑,车站变压器容量不宜小于 2 ×800  kVA。


收稿日期, 2016 11 05 修回日期, 2016 12 19
第一作者, 王德发,男,高级工程师,电化处副总工程师,主要从事轨 道交通低压 配 电、 FAS、 BAS、 AcS的 设 计 与 研 究 工 作,94391813@qq.com

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