兩部制電價(jià)下的城市軌道交通主變壓器容量估算與選型方法

汪 韓

(南昌軌道交通集團(tuán)有限公司，330088，南昌∥高級(jí)工程師)

目前已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的城市軌道交通線路用電較多采取兩部制電價(jià)收費(fèi)方案，電費(fèi)收取與主變壓器安裝容量有關(guān)。本文針對(duì)兩部制電價(jià)收費(fèi)方式，分析主變電所在滿足各種運(yùn)行方式下主變壓器的經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行負(fù)載率；通過(guò)對(duì)已運(yùn)營(yíng)線路記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行用電指標(biāo)分析，預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)及規(guī)劃階段相關(guān)線路用電負(fù)荷；提出一種設(shè)計(jì)建設(shè)階段主變壓器安裝容量的合理選型方法。

1 主變壓器容量選型原則

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，城市軌道交通主變壓器應(yīng)遵循以下選型原則：

1)根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》15.2.4和15.2.5規(guī)定，城市軌道交通主變電所主變壓器的數(shù)量與容量應(yīng)根據(jù)近、遠(yuǎn)期負(fù)荷計(jì)算確定，并宜分期實(shí)施[1]。當(dāng)一臺(tái)主變壓器退出運(yùn)行時(shí)，其余主變壓器應(yīng)能承擔(dān)供電范圍內(nèi)的一、二級(jí)負(fù)荷[1]。

2)根據(jù)《油浸式電力變壓器負(fù)載導(dǎo)則》,主變壓器具有130%(2 h)的過(guò)負(fù)荷能力[2]。

2 兩部制電價(jià)下主變壓器容量選型的技術(shù)要求

2.1 兩部制電價(jià)下變壓器經(jīng)濟(jì)負(fù)載率

兩部制電價(jià)將電價(jià)分成基本電價(jià)與電度電價(jià)兩部。基本電價(jià)是按照企業(yè)的變壓器容量或最大需用量(即一月中每15 min或30 min平均負(fù)荷的最大值)作為計(jì)算電價(jià)的依據(jù)，確定限額，每月固定收取，不按實(shí)際耗電數(shù)量收?。浑姸入妰r(jià)，是按用電部門(mén)實(shí)際耗電度數(shù)計(jì)算的電價(jià)。

當(dāng)前階段，各用電單位與供電部門(mén)協(xié)議的基本電價(jià)一般是按照變壓器的最大需量收費(fèi)，同時(shí)規(guī)定最大需量低于變壓器安裝容量的40%，則按40%計(jì)算，即最大需量小于等于40%時(shí)，需向用電部門(mén)多交一定數(shù)額電費(fèi)。因此，兩部制電價(jià)下，用電單位變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行負(fù)載率需大于等于40%。

2.2 變壓器高效率運(yùn)行負(fù)載率

變壓器效率計(jì)算公式如下：

(1)

式中:

η——變壓器效率；

P1——變壓器輸出功率；

P2——變壓器損耗功率；

P3——變壓器空載損耗；

P4——變壓器負(fù)載損耗。

當(dāng)變壓器的負(fù)荷達(dá)到一定負(fù)荷率時(shí)其空載損耗與負(fù)載損耗相等，繼而使變壓器的效率達(dá)到最大，輸出功率經(jīng)濟(jì)性最佳。

從以上算例關(guān)系推算出變壓器效率絕對(duì)數(shù)值，變壓器負(fù)載率ρ大于等于50%時(shí)其運(yùn)行效率達(dá)到最佳，經(jīng)濟(jì)性最佳。

2.3 變壓器可靠負(fù)載率

城市軌道交通供電負(fù)荷分為牽引負(fù)荷和動(dòng)力照明負(fù)荷，根據(jù)運(yùn)營(yíng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，一般線路在運(yùn)營(yíng)近期，牽引負(fù)荷與動(dòng)力照明負(fù)荷基本約各占50%。根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，當(dāng)一臺(tái)主變壓器退出運(yùn)行時(shí)，其余主變壓器應(yīng)能承擔(dān)供電范圍內(nèi)的一、二級(jí)負(fù)荷[1]。根據(jù)上述主變壓器選型原則，主變壓器為滿足供電可靠性要求，其負(fù)載率應(yīng)滿足如下要求：

(ρ×50%+ρ×50%×80%)×2≤130%

(2)

由式(2)求得,主變壓器負(fù)載率ρ≤72%時(shí)，其運(yùn)行在可靠供電工況下。

綜上分析，兩部制電價(jià)下主變壓器的經(jīng)濟(jì)可靠負(fù)載率范圍為50%≤ρ≤72%。此時(shí)保證所供電各線路可靠用電的同時(shí)，輸出效率最高，且在兩部制電價(jià)下基本電費(fèi)按實(shí)際需求繳納，運(yùn)營(yíng)效益最高。

3 新線主變壓器負(fù)荷估算與容量選型方法

3.1 估算思路

采用已運(yùn)營(yíng)線路實(shí)測(cè)負(fù)荷數(shù)據(jù)估算新線主變壓器容量方法原理簡(jiǎn)單，操作方便，具體思路如下：①根據(jù)工程輸入方案資料，包括線路、車(chē)輛、行車(chē)、站點(diǎn)建筑等方案，選取類似車(chē)型及行車(chē)組織已運(yùn)營(yíng)線路并進(jìn)行供電負(fù)荷實(shí)測(cè)收集，包括主變電所負(fù)載、車(chē)站動(dòng)力照明負(fù)荷統(tǒng)計(jì)等。②統(tǒng)計(jì)分析類似站點(diǎn)規(guī)模線路動(dòng)力照明負(fù)荷指標(biāo)，作為新線站點(diǎn)動(dòng)力照明負(fù)荷估算依據(jù)。③統(tǒng)計(jì)分析類似車(chē)型及行車(chē)組織線路牽引負(fù)荷指標(biāo)，作為新線牽引負(fù)荷估算依據(jù)。④根據(jù)運(yùn)營(yíng)線路負(fù)荷指標(biāo)估算新線動(dòng)力照明負(fù)荷及牽引負(fù)荷。⑤根據(jù)新線主變電所設(shè)置方案及運(yùn)行方式，計(jì)算主變壓器安裝容量。⑥校驗(yàn)主變壓器負(fù)載率是否滿足經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行條件，修改并最終選定安裝容量。

3.2 負(fù)荷估算及容量選型算例

3.2.1 估算對(duì)象及估算依據(jù)

本文的估算對(duì)象是南昌市軌道交通2號(hào)線工程的主變電所。該線路全長(zhǎng)31.66 km，共設(shè)28座車(chē)站，車(chē)輛段1座。本工程列車(chē)采用6B車(chē)型,最高速度80 km/h，初、近、遠(yuǎn)期高峰小時(shí)預(yù)計(jì)開(kāi)行14對(duì)、18對(duì)、27對(duì)列車(chē)。根據(jù)2號(hào)線初步設(shè)計(jì)方案，本工程共設(shè)置學(xué)府主變電所和塘子河主變電所。其中，學(xué)府主變電所為2號(hào)線與5號(hào)線共享主變電所，塘子河主變電所為2號(hào)線和3號(hào)線共享主變電所。在不考慮為共享線路預(yù)留供電容量的情況下，2號(hào)線學(xué)府主變電所和塘子河主變電所單臺(tái)主變壓器容量選型均為40 MV·A。

南昌市軌道交通1號(hào)線開(kāi)通后，用電計(jì)價(jià)模式確定為兩部制電價(jià)。同時(shí)經(jīng)運(yùn)營(yíng)部門(mén)反饋，1號(hào)線主變壓器實(shí)際負(fù)載率低于設(shè)計(jì)預(yù)期，從提高2號(hào)線運(yùn)營(yíng)后設(shè)備利用率、降低損耗和運(yùn)營(yíng)成本角度考慮,非常有必要根據(jù)已運(yùn)營(yíng)線路實(shí)際運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)對(duì)2號(hào)線主變壓器建設(shè)安裝容量進(jìn)行選型。工程估算依據(jù)如下：①由于南昌市軌道交通1號(hào)線工程開(kāi)通時(shí)間較短,仍然處于試運(yùn)營(yíng)階段,其可測(cè)試供電負(fù)荷數(shù)據(jù)僅有主變電所負(fù)載率，可參考性比較有限,因此,本次2號(hào)線車(chē)站動(dòng)力照明負(fù)荷估算參考?xì)夂蚪频膹V州市類似工程運(yùn)行數(shù)據(jù)。②由于牽引負(fù)荷與運(yùn)能關(guān)聯(lián)較為密切，主要體現(xiàn)在列車(chē)開(kāi)行對(duì)數(shù)、列車(chē)選型、列車(chē)編組、列車(chē)運(yùn)營(yíng)速度等方面。鑒于廣州市車(chē)型及速度與南昌市2號(hào)線不同，而南昌市1號(hào)線與2號(hào)線車(chē)型、編組和運(yùn)營(yíng)速度一致，故采用1號(hào)線運(yùn)行數(shù)據(jù)估算2號(hào)線牽引負(fù)荷數(shù)據(jù)。

3.2.2 廣州市已運(yùn)營(yíng)線路動(dòng)力照明負(fù)荷運(yùn)行數(shù)據(jù)

由于廣州市軌道交通線網(wǎng)基本建成,已運(yùn)營(yíng)線路較多,車(chē)站各機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行已經(jīng)穩(wěn)定，實(shí)測(cè)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)較有代表性。因此，選取其已穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)的1、2、5號(hào)線作為參考,其實(shí)測(cè)負(fù)荷數(shù)據(jù)及特征如表1所示。從動(dòng)力照明負(fù)荷特點(diǎn)分析，其初、近、遠(yuǎn)期負(fù)荷變化不大，相對(duì)穩(wěn)定，運(yùn)營(yíng)的數(shù)據(jù)具有較高的參考價(jià)值。

表1 2016年7月廣州市軌道交通1、2、5號(hào)線用電負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表1中實(shí)際運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，分析統(tǒng)計(jì)各線路動(dòng)力照明指標(biāo)如表2所示。

表2 各線站點(diǎn)單母線動(dòng)力照明負(fù)荷指標(biāo)

由于車(chē)站規(guī)模與車(chē)輛編組有直接關(guān)系，因此根據(jù)線路車(chē)型及編組粗略折合站點(diǎn)能耗指標(biāo)為單車(chē)指標(biāo)，具體見(jiàn)表2第5列。由各線動(dòng)力照明指標(biāo)分析可知,由于1號(hào)線建設(shè)較早，建設(shè)之初車(chē)站機(jī)電設(shè)備能耗較高，因此其指標(biāo)較高；2、5號(hào)線為近幾年建設(shè)線路，設(shè)備能耗較低，且單車(chē)能耗指標(biāo)基本接近，約為37.5 kW/(車(chē)·站點(diǎn))。

由于6A車(chē)型和6B車(chē)型對(duì)車(chē)站規(guī)模基本無(wú)影響，則車(chē)站動(dòng)力照明負(fù)荷用電指標(biāo)相近。根據(jù)鄰市動(dòng)力照明負(fù)荷指標(biāo)約為37.5 kW/(車(chē)·站點(diǎn))的實(shí)際數(shù)據(jù)，則該市1號(hào)線及2號(hào)線動(dòng)力照明負(fù)荷指標(biāo)應(yīng)約為37.5 kW/(車(chē)·站點(diǎn))，則按動(dòng)力照明負(fù)荷功率因數(shù)0.9計(jì)算，單站點(diǎn)單母線動(dòng)力照明負(fù)荷功率指標(biāo)為：?jiǎn)诬?chē)站點(diǎn)指標(biāo)(37.5 kW/(車(chē)·站點(diǎn)))乘以編組數(shù)(6車(chē))除以功率因素(0.9)，計(jì)算得250 kW/站點(diǎn)。

3.2.3 南昌軌道交通1號(hào)線供電負(fù)荷運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)

1號(hào)線工程全長(zhǎng)28.8 km,共設(shè)24座車(chē)站，1段、1場(chǎng)及1座控制中心，采用6輛編組B型車(chē)，最高運(yùn)行速度為80 km/h。

根據(jù)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，1號(hào)線兩座主變電所當(dāng)前階段高峰小時(shí)(開(kāi)行對(duì)數(shù)10對(duì)/h)主變壓器最大負(fù)載率均約為30%，屬于不經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。其主變壓器安裝容量單臺(tái)為40 MV·A,共2臺(tái)。則單段母線最大負(fù)荷約為7.5 MV·A。

取動(dòng)力照明負(fù)荷與牽引負(fù)荷共同作用時(shí)系數(shù)為0.9，則1號(hào)線牽引總功率為：總功率(2×7 500 kW/0.9),減去動(dòng)力照明功率與站點(diǎn)數(shù)的乘積(27×250 kW),計(jì)算得到9 916.7 kW。

則1號(hào)線單列車(chē)單位公里牽引功率指標(biāo)為：牽引總功率(9 916.7 kW)除以線路長(zhǎng)(28.8 km),再除以行車(chē)對(duì)數(shù)(10對(duì))，再除以2，計(jì)算得到17.2 kW/km。

3.2.4 南昌軌道交通2號(hào)線負(fù)荷估算及主變壓器容量選型

由于南昌市1號(hào)線車(chē)站規(guī)模、車(chē)輛選型及最高運(yùn)行速度與2號(hào)線一致，因此，可利用上述動(dòng)力照明負(fù)荷功率指標(biāo)及牽引負(fù)荷指標(biāo)，根據(jù)2號(hào)線線路及行車(chē)資料進(jìn)行2號(hào)線動(dòng)力照明負(fù)荷和牽引負(fù)荷的估算。計(jì)算方式如下：總動(dòng)力照明視在功率等于單站點(diǎn)動(dòng)力照明視在功率與站點(diǎn)數(shù)的乘積，總牽引視在功率等于單站點(diǎn)牽引視在功率乘以線路長(zhǎng)再乘以行車(chē)對(duì)數(shù)再乘以2。

2號(hào)線工程設(shè)置的學(xué)府主變電所為2號(hào)線與規(guī)劃5號(hào)線共享主變電所，塘子河主變電所為2號(hào)線和同期建設(shè)3號(hào)線共享。5號(hào)線為遠(yuǎn)期規(guī)劃線路，暫不考慮其供電負(fù)荷；3號(hào)線為同期建設(shè)線路，需考慮其供電負(fù)荷。

3號(hào)線線路總長(zhǎng)為29.5 km，設(shè)站22座，車(chē)輛段和停車(chē)場(chǎng)各1座，車(chē)型及行車(chē)組織與1號(hào)線、2號(hào)線一致。其負(fù)荷亦可按上述方法進(jìn)行估算。

按照上述估算方法，對(duì)2號(hào)線主變壓器負(fù)荷估算及容量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 南昌軌道交通2號(hào)線和3號(hào)線主變壓器容量計(jì)算(近期)

由上述計(jì)算可知，采用此負(fù)荷估算方法，學(xué)府主變電所主變壓器選型為單臺(tái)主變壓器容量25 MV·A，共2臺(tái)，高峰小時(shí)單臺(tái)主變壓器負(fù)載率為56.53%；在考慮了3號(hào)線近期供電需求情況下，塘子河主變電所主變壓器為單臺(tái)主變壓器容量40 MV·A，共2臺(tái)，高峰小時(shí)單臺(tái)主變壓器負(fù)載率為56.67%。兩座主變電所主變壓器均運(yùn)營(yíng)在經(jīng)濟(jì)可靠負(fù)載率范圍內(nèi)。

4 效果分析

采用上述主變壓器負(fù)荷估算和容量計(jì)算方法，比較初步設(shè)計(jì)結(jié)論，學(xué)府主變電所主變壓器選型由2臺(tái)40 MV·A降為2臺(tái)25 MV·A，塘子河主變電所主變壓器在考慮了為3號(hào)線供電的同時(shí)，保持選型容量不變。

南昌軌道交通5號(hào)線保守估計(jì)在2024年左右開(kāi)通，以下對(duì)采取兩部制電價(jià)時(shí)，以學(xué)府主變電所容量選型結(jié)論為例，分析上述主變壓器安裝容量計(jì)算方法的經(jīng)濟(jì)效益。

方案一,本期學(xué)府主變電所容量選擇2臺(tái)25 MV·A，7年后更換為2臺(tái)40 MV·A；方案二,本期學(xué)府主變電所容量直接按2臺(tái)40 MV·A選擇。兩種方案經(jīng)濟(jì)性差別主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：①一次投資,2次設(shè)備采購(gòu)費(fèi)、拆除原2臺(tái)25 MV·A變壓器及新安裝2臺(tái)40 MV·A變壓器產(chǎn)生的安裝調(diào)試費(fèi)用、2臺(tái)25 MV·A變壓器回收殘值；②負(fù)載及空載總損耗；③基本電費(fèi)。各項(xiàng)具體計(jì)算過(guò)程不再累述。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 兩種方案經(jīng)濟(jì)分析對(duì)比 萬(wàn)元

由以上計(jì)算結(jié)果可知，7年間，學(xué)府主變電所主變壓器安裝容量選擇為2臺(tái)25 MV·A較2臺(tái)40 MV·A約節(jié)省成本3 184.9萬(wàn)元，平均每年約節(jié)省456萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)城市軌道交通主變壓器容量選型問(wèn)題，提出了一種利用已運(yùn)營(yíng)線路供電負(fù)荷運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)新建線路供電負(fù)荷預(yù)估算進(jìn)而校驗(yàn)主變壓器容量的方法。此方法切實(shí)可行，僅需通過(guò)運(yùn)營(yíng)部門(mén)提供變電所綜合自動(dòng)化記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)，即可完成相關(guān)負(fù)荷估算和容量計(jì)算。通過(guò)文中算例可知，此方法在當(dāng)前城市軌道交通用電的兩部制電價(jià)收費(fèi)方案下，有著極大的經(jīng)濟(jì)效益，值得在后續(xù)線路設(shè)計(jì)及建設(shè)中參考和推廣。