地鐵車站跟隨式降壓變電所設(shè)置方案研究

王彥利，謝 偉，魯 楠

0 引言

目前，地鐵車站和區(qū)間的電氣設(shè)備（除牽引供電系統(tǒng)外）均采用交流380/220 V電源供電，電源取自降壓變電所。該電氣設(shè)備的正常運行決定了地鐵的安全性、可靠性和舒適度，因此，為之提供電源的低壓供電系統(tǒng)是地鐵正常運轉(zhuǎn)的能源基礎(chǔ)。

地鐵車站一般是中部為公共區(qū)，兩端為設(shè)備區(qū)，主要電氣設(shè)備多數(shù)集中在兩端的設(shè)備區(qū)內(nèi)。每座地鐵車站一般設(shè)置1座降壓變電所（包括牽引降壓混合變電所中的降壓變電所，后文不再說明），位置選在車站低壓負荷的重負荷端。

地鐵車站中的電氣設(shè)備容量大、數(shù)量多、分布廣，低壓供電較為復(fù)雜、困難，在建和開通的項目中暴露出開關(guān)級差配合、低壓電纜電壓損失、電纜通道擁擠、電纜截面過大等許多問題。為解決這些問題，對車站低壓供電的方式進行系統(tǒng)、全面的分析研究，綜合考慮可靠性、工程投資、運行費用、設(shè)計施工管理的便利等多個方面，提出合理、可行的低壓配電方案。

1 地鐵車站低壓供電主接線方案

根據(jù)地鐵車站低壓負荷的分布特點，目前主要有3個低壓配電主接線方案。為便于表述，在以下的介紹和分析中，定義降壓變電所所在的車站一端為A端，另外一端為B端。

1.1 降壓變電所直接供電方案（方案1）

車站A端設(shè)置1座降壓變電所，車站B端不設(shè)置配電室或跟隨式降壓變電所。車站 A端和 B端（包括站內(nèi)和臨近區(qū)間）電氣設(shè)備的電源均直接引自降壓變電所的低壓開關(guān)柜（圖1）。

1.2 設(shè)置低壓配電室供電方案（方案2）

車站A端設(shè)置1座降壓變電所，車站B端設(shè)置1個低壓配電室，低壓配電室的電源引自降壓變電所。車站 A端（包括站內(nèi)和臨近區(qū)間）電氣設(shè)備的電源引自降壓變電所的低壓開關(guān)柜，車站 B端（包括站內(nèi)和臨近區(qū)間）電氣設(shè)備的電源引自低壓配電室的低壓開關(guān)柜（圖2）。

1.3 設(shè)置跟隨式降壓變電所供電方案（方案3）

車站A端設(shè)置1座降壓變電所，車站B端設(shè)置1座跟隨式降壓變電所，跟隨式降壓變電所的進線電源采用交流35 kV（或10 kV），電源引自降壓變電所。車站 A端（包括站內(nèi)和臨近區(qū)間）電氣設(shè)備的電源引自降壓變電所的低壓開關(guān)柜，車站B端（包括站內(nèi)和臨近區(qū)間）電氣設(shè)備的電源引自跟隨式降壓變電所的低壓開關(guān)柜（圖3）。

圖1 降壓變電所直接供電方案示意圖

圖2 設(shè)置低壓配電室供電方案示意圖

圖3 設(shè)置跟隨式降壓變電所供電方案示意圖

2 地鐵車站低壓配電3種主接線方案比較

2.1 方案1與方案2的比較

在方案1中，車站B端電氣設(shè)備的供電電纜全部由 A端變電所放射式引出，縱穿車站公共區(qū)后到達各設(shè)備配電箱。因此低壓電纜數(shù)量龐大，個別電纜截面很大，給設(shè)計、施工和運營維護帶來諸多困難。同時大量電纜堆積在一個狹小的橋架內(nèi)，難于辨識和維修，火災(zāi)工況的后果更是難以想象。

方案2與方案1的供電可靠性水平相同。為保證方案選擇的科學(xué)性，以1個地鐵車站作為實例，同時進行2個方案的細化設(shè)計，找出2個方案的主要差異，概括如下[1]：

（1）降壓變電所低壓開關(guān)柜的饋線數(shù)量。方案1為99回路，方案2為59回路。方案2較方案1減少約40%，縮減了變電所低壓開關(guān)柜室的長度，降低了車站建筑設(shè)計的難度。

（2）穿越車站公共區(qū)的電纜數(shù)量。方案1為46回路，方案2為6回路。方案2減少約90%，大幅度減少了通過車站公共區(qū)的低壓電纜回路數(shù)和根數(shù)，解決了公共區(qū)電纜擁擠問題。

（3）方案2在車站B端增加了低壓配電室，這在一定程度上規(guī)避了長距離低壓供電問題，低壓電纜損耗有所減少，每年節(jié)省電費約0.68萬元/站。

（4）方案2增加了進線柜、母聯(lián)柜、干線電纜和相應(yīng)的土建面積，但減少了 A端配電電纜的長度和截面。綜合考慮，方案2比方案1增加工程投資約60萬元/站。

方案1通常用于地面或高架車站。對于地下車站，遠離降壓變電所端的負荷通常較大，應(yīng)增設(shè)低壓配電室以利于設(shè)計、施工和運營維護，建議結(jié)合工程實際采用。

2.2 方案2與方案3的比較

方案2與方案3基本相當，主要區(qū)別是車站B端的電源問題，方案2采用低壓0.4 kV，方案3采用高壓35 kV（或10 kV）。

本文重點對方案2和方案3進行分析，提出二者的選用條件。

3 低壓配電室和跟隨式降壓所方案比較

為保證方案比較的科學(xué)性和完整性，對2個方案不同的投資和運營費用均進行必要的方案設(shè)計，在方案設(shè)計的基礎(chǔ)上進行計算比較。同時，為了分析研究的方便性和彰顯差異，對于2個方案相同或相近的項目均不進行比較，即僅針對可比項目進行。比較的主要前提和原則如下：

（1）地鐵車站為一般標準規(guī)模的非換乘車站，低壓負荷與車站規(guī)模相適應(yīng)。對于換乘車站也可參照研究結(jié)論。

（2）車站B端低壓供電功率因數(shù)補償?shù)?.9。

（3）2回路電源同時供電時負擔全部一、二、三級負荷，負載率為60%；單回路電源供電時帶全部一、二級負荷，負載率為100%。供電電纜的截面和變壓器的容量按照單回路電源供電考慮，損耗電費按照雙回路電源運行狀況考慮（單回路電源供電不是長期運行狀態(tài)）。

（4）設(shè)備價格參照近半年的設(shè)備招標價格。

（5）對于相同容量的車站負荷，無論是否設(shè)置跟隨式降壓變電所，均認為動力變壓器的空載損耗和負載損耗相當。

（6）方案比較中的運營電費按照20年計算，電費標準按照0.8244元/度考慮。

3.1 工程投資的比較

方案2和方案3的工程投資的可比部分，主要包括低壓開關(guān)、低壓電纜和土建費用。電纜截面按照單回路供電時考慮，負擔全部一、二級負荷，電壓損失不大于2%。

表1列出了方案3與方案2的工程投資差額，表中數(shù)值為正的表示方案3比方案2增加的投資，表中數(shù)值為負的表示方案3比方案2節(jié)約的投資。

3.2 運營費用的比較

本文討論的運營費用指損耗電費，按照20年估算，進行比較的數(shù)值只反映可比部分。

方案2的電費主要為低壓電纜和變壓器損耗，方案3的電費主要為高壓電纜和變壓器損耗。

表2列出了方案3與方案2的運營費用差額，表中數(shù)值為正的表示方案3比方案2增加的電費，表中數(shù)值為負的表示方案3比方案2節(jié)約的電費。

3.3 工程投資和運營費用的綜合比較

綜合考慮工程投資和運營損耗費用，比較結(jié)果見表3，表中數(shù)值為正的表示方案2比方案3增加的費用，表中數(shù)值為負的表示方案2比方案3節(jié)約的費用。

表1 方案2與方案3的投資比較（萬元）

表2 方案2與方案3的運營費用比較（萬元）

表3 方案2與方案3的投資和運營損耗的比較表（萬元）

3.4 其他項目的比較

方案2與方案3都滿足地鐵一、二、三級負荷的供電要求，可靠性相當。方案3采用了35 kV進行電能傳輸，方案2更多地依靠0.4 kV進行電能傳送，從設(shè)備可靠性方面看，高壓設(shè)備的可靠性強于低壓設(shè)備。

在工程中采用方案2時，降壓變電所至低壓配電室的電源電纜的根數(shù)將非常多，不但工程投資會顯著增加，而且設(shè)計、施工、運營管理均不便，即使選用封閉母線替換低壓電纜，工程投資也不能減少，而且封閉母線的施工安裝更為困難。

另外，在投資比較中，對于方案2，由于降壓變電所至低壓配電室間的電纜的 2%附加電壓損失，將導(dǎo)致低壓配電室至供電末端處的電纜截面增加，還要增加方案2的工程投資。而方案3不存在該問題。

在車站 B端設(shè)置跟隨式降壓變電所，工程可靠性高，且便于設(shè)計、施工和運營。

4 結(jié)論

綜合以上的計算和分析，歸納總結(jié)如下：

（1）在地鐵工程中，對于低壓負荷較大的地下車站，不宜采用只設(shè)1座降壓變電所向全站低壓設(shè)備供電的方案，應(yīng)在車站的非變電所端設(shè)置1個低壓配電室或1座跟隨式降壓變電所。

表4 地鐵車站跟隨式降壓變電所設(shè)置速選表

（2）關(guān)于地鐵車站低壓配電室和跟隨式降壓變電所的方案選擇，可參照表4。在使用該速選表時，首先確定車站 B端的供電容量和供電距離，當供電容量和供電距離在表中的交匯點位于表中粗實線的左上方時，應(yīng)考慮設(shè)置低壓配電室的供電方案；當供電容量和供電距離在表中的交匯點位于表中粗實線的右下方時，應(yīng)考慮設(shè)置跟隨式降壓變電所的供電方案。

[1]尹聿力.地鐵車站低壓配電室方案研究[J].電氣化鐵道，2008，（4）.

[2]工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊[M].北京：中國電力出版社.