軌道交通車站用電負(fù)荷計(jì)算探討

譚瓊亮

軌道交通車站用電負(fù)荷計(jì)算探討

譚瓊亮

分析了軌道交通車站用電負(fù)荷的構(gòu)成和車站各用電設(shè)備組的運(yùn)行特性，結(jié)合以往運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，確定了各用電設(shè)備組需要系數(shù)的選取。

低壓配電；需要系數(shù)；用電負(fù)荷計(jì)算

0 引言

軌道交通用電負(fù)荷分為運(yùn)營車輛及其輔助設(shè)備所消耗的牽引負(fù)荷和車站與區(qū)間的動(dòng)力照明負(fù)荷。牽引負(fù)荷與車輛用電特性、客流、線路、列車編組、運(yùn)行圖、信號方式等因素密切相關(guān)。動(dòng)力照明負(fù)荷主要由通信、信號、通風(fēng)與空調(diào)、給排水、扶梯等負(fù)荷構(gòu)成，旨在保證軌道交通安全運(yùn)行和為乘客提供舒適的環(huán)境，它與車站的規(guī)模和結(jié)構(gòu)以及環(huán)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式密切相關(guān)。

牽引系統(tǒng)的運(yùn)行模式相對單一，經(jīng)過直流牽引供電系統(tǒng)仿真，牽引負(fù)荷可以相對準(zhǔn)確地估計(jì)。動(dòng)力照明負(fù)荷的計(jì)算相對復(fù)雜，與軌道交通機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)行模式密切相關(guān)。本文將重點(diǎn)分析車站動(dòng)力照明負(fù)荷的構(gòu)成及其負(fù)荷計(jì)算，有助于確定各用電設(shè)備組的需要系數(shù)，合理選擇配電變壓器容量。

1 車站負(fù)荷構(gòu)成

軌道交通車站負(fù)荷根據(jù)其變化性可以分為2大類。一類屬于系統(tǒng)性負(fù)荷，它是根據(jù)車站的功能必須設(shè)置的，與車站的規(guī)模和結(jié)構(gòu)基本無關(guān)，全線基本一致，該類負(fù)荷主要由電子與計(jì)算機(jī)類負(fù)荷構(gòu)成。另一類負(fù)荷根據(jù)車站的規(guī)模和功能定位，以及通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)置（集中供冷、分散供冷），變化比較大。該類負(fù)荷主要由照明類和電動(dòng)機(jī)類負(fù)荷構(gòu)成。具體負(fù)荷分類[1]詳見表1。

表1 軌道交通車站機(jī)電設(shè)備用電負(fù)荷劃分一覽表

2 各系統(tǒng)用電負(fù)荷計(jì)算

2.1 通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備組

通過分別對車站通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)處于早/晚運(yùn)行模式下、正常運(yùn)營時(shí)在全新風(fēng)空調(diào)模式下、發(fā)生區(qū)間阻塞同時(shí)車站處于全新風(fēng)空調(diào)模式下、區(qū)間發(fā)生不明火災(zāi)時(shí)車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的最大計(jì)算負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算和分析，通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)的最大負(fù)荷出現(xiàn)在當(dāng)車站在全新風(fēng)空調(diào)模式運(yùn)行，區(qū)間發(fā)生阻塞，車站其他系統(tǒng)不降級運(yùn)行，區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)（4臺(tái)）投入運(yùn)行時(shí)段。由于阻塞運(yùn)行的時(shí)間可能超過0.5 h，因此在進(jìn)行車站35 kV變電所負(fù)荷計(jì)算時(shí)，宜按照區(qū)間阻塞時(shí)的最大需要功率進(jìn)行計(jì)算。

筆者通過對多個(gè)典型車站的通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備組的需要系數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算后認(rèn)為，地下車站通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備組的需要系數(shù)可以取0.6～0.8；對于分散供冷的中大規(guī)模車站，通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備組的需要系數(shù)可以取0.6～0.65；對于集中供冷的中等規(guī)模車站，通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備組的需要系數(shù)可以取0.7～0.75；當(dāng)防排煙設(shè)備基本獨(dú)立設(shè)置時(shí)，設(shè)備組的需要系數(shù)可以取0.7；當(dāng)防排煙設(shè)備大部分合并設(shè)置時(shí)，設(shè)備組的需要系數(shù)可以取0.75；對于小規(guī)模的集中供冷車站，設(shè)備組的需要系數(shù)可以取0.8；對于高架車站，除了防排煙設(shè)備，在最大負(fù)荷時(shí)所有風(fēng)機(jī)設(shè)備均有可能同時(shí)達(dá)到額定負(fù)荷，因此高架車站通風(fēng)與空調(diào)設(shè)備組的需要系數(shù)主要為設(shè)備的需要系數(shù)，一般取0.8。

2.2 給排水與消防系統(tǒng)設(shè)備組

車站給排水系統(tǒng)由污水泵、廢水泵、風(fēng)亭/出入口雨水泵組成，該系統(tǒng)的運(yùn)行受天氣影響較大，具有一定的隨機(jī)性，屬于間歇式的運(yùn)行模式。除非發(fā)生特大暴雨或者漏水事件，排水系統(tǒng)的所有設(shè)備投入使用，處于最大負(fù)荷運(yùn)行；根據(jù)現(xiàn)在的設(shè)計(jì)方案，平時(shí)最多只有一半的設(shè)備投入使用。結(jié)合《民用建筑電氣設(shè)計(jì)手冊》提供的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，車站給排水用電設(shè)備的需要系數(shù)為0.6～0.7。

2.3 扶梯、屏蔽門、防淹門系統(tǒng)設(shè)備組

2.3.1 扶梯

（1）扶梯設(shè)備的運(yùn)行特性分析。根據(jù)軌道交通車站客流特性：扶梯下行客流為持續(xù)低流量客流，扶梯上行客流與行車間隔密切相關(guān)，為間斷性的高密度客流。因此，下行扶梯一般處于低負(fù)荷率狀態(tài)或者接近空載狀態(tài)；上行扶梯一般處于短時(shí)周期性的高負(fù)荷率（接近75%）狀態(tài)。

空載時(shí)扶梯的上行功率和下行功率基本接近，空載電流約為25 A，空載功率約占額定功率的41.6%，功率因數(shù)約為0.64。上行扶梯接近75%負(fù)載率時(shí)的最大電流為39 A，此時(shí)的負(fù)載功率約占額定功率的65%。扶梯下行時(shí)，乘客的重力勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，用以克服扶梯的下行運(yùn)行阻力；下行扶梯的負(fù)載率越高，扶梯的耗電量越低。因此下行扶梯的空載耗電功率為下行扶梯的最大耗電功率。

（2）扶梯設(shè)備組需要系數(shù)。根據(jù)自動(dòng)扶梯運(yùn)行特性，扶梯設(shè)備組的需要系數(shù)可按式（1）計(jì)算：

式中，?0為自動(dòng)扶梯空載負(fù)載率；?N為自動(dòng)扶梯滿載運(yùn)行時(shí)的負(fù)載率，0.75～1；ΣPN為自動(dòng)扶梯設(shè)備組的裝機(jī)容量；Kt為設(shè)備組中的上行扶梯同時(shí)達(dá)到接近滿載運(yùn)行的概率；η為扶梯電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)自動(dòng)扶梯空載負(fù)載率?0為41%，基本假設(shè)?N= 0.75，Kt= 1，由式（1）算得車站自動(dòng)扶梯設(shè)備組的需要系數(shù)為0.60，功率因素為0.7。

2.3.2 屏蔽門

屏蔽門驅(qū)動(dòng)負(fù)荷主要為直流電動(dòng)機(jī)和PLC等控制設(shè)備；屏蔽門光帶為日光燈（常明）。屏蔽門開/關(guān)列車車門的開關(guān)同步運(yùn)作，開門/關(guān)門的頻率由行車密度決定。在0.5 h內(nèi)，左線和右線的車輛同步到站、同步離站屬于小概率事件，而且持續(xù)時(shí)間很短，一般為22.5 s，由此引起的對變壓器的沖擊可以忽略不計(jì)。

屏蔽門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)屬于周期工作制的電動(dòng)機(jī)負(fù)荷。按照遠(yuǎn)期行車密度30對/h計(jì)算，屏蔽門驅(qū)動(dòng)設(shè)備的額定負(fù)載持續(xù)率εr= 18.75%。屏蔽門驅(qū)動(dòng)負(fù)荷的設(shè)備功率為

式中，Pm為屏蔽門驅(qū)動(dòng)設(shè)備額定容量。

根據(jù)屏蔽門系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律，屏蔽門系統(tǒng)的需要系數(shù)可按式（3）計(jì)算：

式中，Pm為屏蔽門系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)負(fù)荷額定容量，PL為屏蔽門光帶負(fù)荷額定容量，η為屏蔽門系統(tǒng)內(nèi)部電能轉(zhuǎn)化效率（主要為UPS逆變器轉(zhuǎn)化效率），取0.9。

建議屏蔽門系統(tǒng)的需要系數(shù)取0.65，功率因數(shù)為0.90。

2.3.3 電梯與防淹門

電梯與防淹門具有相同的運(yùn)行模式，例如電梯和樓梯升降機(jī)，主要供殘疾人士或者行走不方便的旅客使用，平時(shí)多處于停機(jī)狀態(tài)，不消耗電能；防淹門設(shè)置于隧道進(jìn)出水域的兩端，平時(shí)處于待機(jī)狀態(tài)，僅有檢測信號，基本不消耗電能。依據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊》提供的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，軌道交通用電梯、樓梯升降機(jī)、防淹門等用電設(shè)備的需要系數(shù)可取0.18～0.22，功率因數(shù)為0.55。

2.4 照明設(shè)備組

軌道交通車站照明一般分為站廳/站臺(tái)公共區(qū)照明、車站設(shè)備區(qū)照明、廣告照明和應(yīng)急照明。公共區(qū)照明按照工作方式又可分為事故照明、工作照明和節(jié)電照明。公共區(qū)照明、廣告照明和應(yīng)急照明屬于常明燈；設(shè)備區(qū)照明根據(jù)工作需要決定，如車控室、站長室、站務(wù)室、警務(wù)室等房間一般常明，環(huán)控電控室、環(huán)控機(jī)房、通信電源室、信號電源室等房間僅在設(shè)備巡檢、檢修時(shí)開啟。參照《民用建筑電氣設(shè)計(jì)手冊》，站廳/站臺(tái)公共區(qū)照明、廣告照明和應(yīng)急照明的需要系數(shù)取1，設(shè)備區(qū)照明的需要系數(shù)可以取0.7。

軌道交通車站中的光源設(shè)備一般為自帶補(bǔ)償型熒光燈，功率因數(shù)一般可達(dá)0.9以上。

2.5 其他系統(tǒng)設(shè)備組

通信、信號、民用通訊、警務(wù)室、主控系統(tǒng)、BAS、AFC、門禁系統(tǒng)、FAS系統(tǒng)等重要的計(jì)算機(jī)電子類系統(tǒng)一般自帶UPS電源。各個(gè)專業(yè)提供的負(fù)荷數(shù)據(jù)一般為UPS的額定容量。為了確保UPS的效率，盡可能延長UPS的使用壽命，一般推薦用戶的負(fù)載僅占UPS輸出功率的60%～70%。UPS容量一般可按式（4）計(jì)算：

式中，Sc，Pc為UPS計(jì)算容量，kV·A；PΣ為全部負(fù)荷的計(jì)算功率，kW；cos?為負(fù)載功率因數(shù)；Krel為計(jì)及環(huán)境溫度，直流電壓下降系數(shù)，設(shè)備老化系數(shù)及設(shè)計(jì)裕度的可靠系數(shù)，一般取1.33～1.53。

由式（4）可得，該類系統(tǒng)設(shè)備組的需要系數(shù)

式中，η為UPS系統(tǒng)的效率，取0.9。

由式（5）可得，需要系數(shù)為0.73～0.83，結(jié)合目前軌道交通設(shè)計(jì)的實(shí)際情況（一般按照設(shè)備最大消耗功率提供UPS的額定容量），并參照《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊》，軌道交通車站該類系統(tǒng)的需要系數(shù)可取0.75。根據(jù)蘇州軌道交通三號線UPS產(chǎn)品的招標(biāo)資料，UPS的輸入功率因數(shù)一般大于0.9，因此該類系統(tǒng)設(shè)備組的功率因數(shù)通常取0.9。

3 對軌道交通降壓變電所負(fù)荷計(jì)算的建議

通過上述對車站主要機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成和運(yùn)行方式的分析，并結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，得出對軌道交通車站35 kV降壓變電所變壓器計(jì)算負(fù)荷系數(shù)選取的建議，具體詳見表2。

表2 車站變電所動(dòng)照負(fù)荷計(jì)算表

表2中通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備組需要系數(shù)的選取范圍較大，主要與車站規(guī)模、供冷方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行模式和設(shè)備配置有關(guān)，具體詳見2.1節(jié)中所述。另外，表中的二、三級小動(dòng)力主要包括軌道交通車站資源開發(fā)用電的備用電源（僅占小部分）、車站保潔用電和臨時(shí)用電。

該類負(fù)荷一般在車站負(fù)荷低谷時(shí)段或者正常運(yùn)營停止之后使用，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)二、三級小動(dòng)力用電負(fù)荷的需要系數(shù)取為0.4。商鋪、銀行用電負(fù)荷的需要系數(shù)參照《民用建筑電氣設(shè)計(jì)手冊》取為0.8。

4 結(jié)語

目前，國內(nèi)軌道交通配電變壓器的容量選取普遍偏大，實(shí)際負(fù)載率偏低，造成一定的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)，本文通過對車站各用電設(shè)備組需要系數(shù)選取的分析，可讓變壓器的負(fù)荷計(jì)算更加經(jīng)濟(jì)科學(xué)，為后續(xù)線路低壓負(fù)荷計(jì)算和變壓器容量選擇提供指導(dǎo)。

[1] GB50157-2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2003.

[2] 工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊[M]. 北京：中國電力出版社，2005.

[3] 民用建筑電氣設(shè)計(jì)手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

This paper analysis of the rail transit station load structure and the operation characteristics of electric equipment for the station group, combined with previous operating experience, the selection of equipment for group required coefficient of power.

low-voltage distribution; required coefficient of power; calculation of power load

U231.8

B

1007-936X(2014)04-0039-03

2014-01-20

譚瓊亮.蘇州軌道交通集團(tuán)有限公司，工程師，電話：13814858514。