郭翔宇

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100055)

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基于節(jié)能視域的地鐵低壓配電探討

郭翔宇

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055)

摘要從節(jié)能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)原則出發(fā)，分別從電房的合理配置、變壓器容量的合理選擇、線路上能量損耗減少的方法、系統(tǒng)的功率因數(shù)的提升、照明節(jié)能及變頻起動(dòng)節(jié)能等內(nèi)容著手，探討地鐵低壓配電節(jié)能設(shè)計(jì)的具體措施。

關(guān)鍵詞節(jié)能地鐵低壓配電電氣設(shè)計(jì)

地鐵是城市電網(wǎng)當(dāng)中重要的耗能單元。就整個(gè)地鐵運(yùn)營(yíng)成本來(lái)講，地鐵電能方面的損耗在其中占有相當(dāng)高的比例。因此，如何對(duì)其采用合理、有效的節(jié)能措施，最大限度地降低地鐵負(fù)荷用電量，成為當(dāng)前電氣設(shè)計(jì)師所要迫切解決的難題。以地鐵各個(gè)用電設(shè)備的用電特性、損耗情況及運(yùn)行工況等為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)節(jié)能視域下地鐵車站的低壓配電進(jìn)行深入分析，并就合理、科學(xué)的節(jié)能措施予以探尋。

1節(jié)能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)原則分析

首先應(yīng)滿足地鐵的基本功能。滿足地鐵整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)當(dāng)中相應(yīng)新風(fēng)量及舒適性的溫度，即提供舒適衛(wèi)生的地鐵環(huán)境；就地鐵日常運(yùn)營(yíng)當(dāng)中有關(guān)照明框架下的顯色指數(shù)、色溫及照度等予以滿足。其次，考慮實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益，必須對(duì)實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行深入的綜合考慮，其實(shí)質(zhì)應(yīng)對(duì)所增加部分的相應(yīng)投資，在將來(lái)開(kāi)展節(jié)能的時(shí)間框架內(nèi)，減少當(dāng)前運(yùn)營(yíng)成本，并且在未來(lái)節(jié)能的時(shí)間內(nèi)將所投資回收，最終保證地鐵建設(shè)既滿足當(dāng)下節(jié)能的具體要求，還能達(dá)到經(jīng)濟(jì)省錢的目的。最后，對(duì)無(wú)謂消耗的能源進(jìn)行節(jié)省?；诠?jié)省的出發(fā)點(diǎn)及立腳點(diǎn)來(lái)講，應(yīng)將那些本不應(yīng)該消耗的能源進(jìn)行節(jié)省。首先需要將與地鐵功能無(wú)關(guān)的一些能源消耗全部找出，然后針對(duì)這些無(wú)謂能源消耗的實(shí)際狀況，采取相對(duì)應(yīng)且高效、合理的節(jié)能措施。通常情況下，采用當(dāng)今先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)能源消耗予以降低最為適宜。所以，針對(duì)地鐵節(jié)能設(shè)計(jì)來(lái)講，應(yīng)始終堅(jiān)持并貫徹技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理及實(shí)用的基礎(chǔ)原則。

2地鐵低壓配電節(jié)能設(shè)計(jì)的具體措施

2.1合理設(shè)置電房

通常情況下，一個(gè)地鐵車站往往設(shè)置有對(duì)應(yīng)的一座變電所，并且在弱電設(shè)備集中端設(shè)置地鐵降壓變電所，諸如信號(hào)電源室、通訊室及車控室等，以此實(shí)現(xiàn)供電距離減少的目的。針對(duì)那些負(fù)荷及規(guī)模較大的地鐵車站來(lái)講，應(yīng)在另一端位置上根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置一個(gè)跟隨變電所，以實(shí)現(xiàn)干線電纜長(zhǎng)度減少的目的。對(duì)于環(huán)控電控室的設(shè)置位置，通常在冷水機(jī)房或者環(huán)控機(jī)房附近位置上更為合適。此外，依據(jù)距離車站的遠(yuǎn)近狀況，區(qū)間風(fēng)機(jī)房應(yīng)合理設(shè)置降壓變電所或低壓配電室。

2.2合理選擇變壓器容量

許多地鐵往往存在變壓器容量過(guò)大的狀況，一些地鐵車站在相應(yīng)運(yùn)營(yíng)低峰期時(shí)期，其變壓器負(fù)荷率竟然小于10%。在運(yùn)營(yíng)高峰期，許多地鐵車站的負(fù)荷率均低于50%，此狀況不僅增加項(xiàng)目投資，還浪費(fèi)了大量的電能，最終導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)成本的增加。變壓器有功功率損耗可用如下公式予以表示

式中：ΔP表示為變壓器相應(yīng)有功功率方面的損耗情況/kW；P0表示為變壓器在空載狀況下的實(shí)際損耗/kW；Pk表示為變壓器在短路狀況下的實(shí)際損耗/kW；β則表示為變壓器相應(yīng)負(fù)載率/%。

P0稱之為鐵損也被稱作空載損耗，其所造成的損耗主要是基于漏磁損耗，以及在具體的鐵芯渦流方面所造成的損耗。如損耗方面予以不變，隨著相應(yīng)矽鋼片的具體性能，以及在鐵芯方面所存在的實(shí)際制造工藝情況，伴隨其相應(yīng)大小而予以決定。至此，在對(duì)變壓器進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)盡可能選擇那些節(jié)能型。

Pk主要指在實(shí)施傳輸方面功率的具體損耗，也稱為線損，其在一定程度上，決定了流過(guò)繞組電流的大小。此外，變壓器繞組電阻的大小同樣具有決定作用，并且還與負(fù)載率β的平方呈現(xiàn)出正比關(guān)系。所以，在電阻的選擇上，應(yīng)選擇具有更小繞組的電阻。在變壓器的采用上可選擇銅芯。如果空載損耗與負(fù)載損耗相等，變壓器在能耗方面也就最小。基于此行業(yè)相關(guān)運(yùn)營(yíng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，控制地鐵用變壓器日常運(yùn)營(yíng)負(fù)荷率區(qū)間為55%～65%，可保證其運(yùn)行水平為最佳。所以，在對(duì)變壓器進(jìn)行選擇時(shí)，首要考量因素就是通過(guò)合理計(jì)算負(fù)荷，對(duì)變壓器類別及容量進(jìn)行合理選擇，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的。

2.3采取對(duì)應(yīng)措施實(shí)現(xiàn)線路上能量損耗的減少

線路上存在一定的電阻狀況，當(dāng)電流通過(guò)線路進(jìn)行流動(dòng)時(shí)，其過(guò)程就會(huì)出現(xiàn)有功功率損耗狀況，用公式可表示為

ΔP=3I2R×10-3

ΔP表示為線路上所存在的電能損耗/kW；I表示為線電流/A；R表示為線路電阻/Ω。通過(guò)公式可知，地鐵在相應(yīng)有功損耗方面，往往和R之間呈現(xiàn)正比關(guān)系。通過(guò)深入分析可知，其和電纜的長(zhǎng)度之間往往呈現(xiàn)出正比關(guān)系，和電纜具體的橫截面積之間則呈現(xiàn)反比關(guān)系。基于上述分析可知，在對(duì)電纜進(jìn)行選擇的過(guò)程中，應(yīng)盡可能選擇那些較粗的，盡管較粗電纜在短時(shí)間內(nèi)可能會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)投入有所增加，然而粗電纜在具體的壽命方面，要明顯長(zhǎng)于細(xì)電纜。所以，基于長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)考慮，選擇粗的電纜更為適宜。對(duì)于電房的設(shè)計(jì)來(lái)講，電纜的長(zhǎng)度越短，其在有功損耗方面則會(huì)相應(yīng)越小。因此，在電房的位置選擇上，應(yīng)盡可能選擇那些處于照明動(dòng)力負(fù)荷的中心位置上。而對(duì)于環(huán)控電控室的選擇來(lái)講，應(yīng)將其設(shè)置在距離冷水機(jī)房和環(huán)控機(jī)房之間最近處。而就地鐵變電室的設(shè)計(jì)及選擇而言，則需要將其設(shè)置在弱電壓區(qū)，并依據(jù)實(shí)際情況，對(duì)區(qū)間的風(fēng)機(jī)房予以選擇，使其能夠和低壓配電室相匹配。

一個(gè)地鐵車站電纜長(zhǎng)度超過(guò)萬(wàn)米較為多見(jiàn)。因此，在電纜線路上存在的總有功損耗也非常龐大。在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須采取有效措施，最大限度地降低線路上的能耗。電纜上的電流是不能改變的，如果想要將電纜損耗減少，最為可行的方法就是將電阻減小。線路電阻往往和線路長(zhǎng)度之間呈現(xiàn)出顯著的正比關(guān)系，和電纜截面之間則呈反比。因此，減少線路損耗，應(yīng)采取以下措施：①對(duì)于地鐵用電纜來(lái)講，其在材質(zhì)選用上應(yīng)均選為銅芯電纜，以此實(shí)現(xiàn)電纜電阻率減小的效果。②在布置線路時(shí)，應(yīng)盡量采取直線設(shè)置，盡可能減少?gòu)澛凡贾?，?shí)現(xiàn)減少導(dǎo)線長(zhǎng)度的目的。③對(duì)于低壓配電室位置選擇來(lái)講，應(yīng)布置在電纜井附近更為合適，在布置電纜井位置及低壓配電室時(shí)，均采取線路向前送的方式，盡可能減少回頭輸送電能的支線。④在對(duì)電纜截面積進(jìn)行選擇的過(guò)程中，對(duì)導(dǎo)線截面積根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行增大，盡管增加了電纜購(gòu)置的相應(yīng)成本，但是相比于電纜壽命期內(nèi)節(jié)省能耗方面的費(fèi)用，往往是十分經(jīng)濟(jì)的。

2.4對(duì)系統(tǒng)的功率因數(shù)進(jìn)行提升

功率因數(shù)在整個(gè)供用電系統(tǒng)當(dāng)中是一項(xiàng)十分重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，當(dāng)用電設(shè)備對(duì)有功功率進(jìn)行消耗的情況下，還需要許多無(wú)功功率從電源箱負(fù)荷進(jìn)行輸送。功率因數(shù)實(shí)質(zhì)就是對(duì)用電設(shè)備在對(duì)一定有功功率予以消耗的情況下，其在無(wú)功功率方面需求的反映。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)功率因數(shù)的提升，實(shí)現(xiàn)無(wú)功電能在線路上傳輸?shù)靡詼p少的目的，節(jié)約電能，還可達(dá)到損耗降低的目的，這也是節(jié)能設(shè)計(jì)的最終宗旨。

將線路損耗公式展開(kāi)，可得到如下公式

ΔP=3I2R×10-3=(RP2/UL+RQ2/UL)×10-3

式中，UL表示為線電壓/V；P表示為有功功率/kW；Q表示為無(wú)功功率/V·A。

在整個(gè)電氣系統(tǒng)當(dāng)中所運(yùn)用的用電設(shè)備，諸如氣體放電燈整流器、變壓器、電動(dòng)機(jī)及線路等均具有相應(yīng)電感，這些設(shè)備在運(yùn)行當(dāng)中還會(huì)產(chǎn)生滯后的無(wú)功，需于系統(tǒng)當(dāng)中引入具有超前的無(wú)功，實(shí)現(xiàn)與上述無(wú)功之間相互抵消的作用。至此，這些無(wú)功功率通過(guò)高壓及低壓相應(yīng)線路時(shí)，便能夠運(yùn)用用電設(shè)備實(shí)施相應(yīng)傳輸操作。在線路當(dāng)中，同樣存在有有功損耗狀況，此種損耗可采取一些辦法進(jìn)行有效改變，可提高設(shè)備的自然功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)超前無(wú)功需求減少。此外，在同步電動(dòng)機(jī)的選擇上，可選擇那些功率因數(shù)較高的設(shè)備；對(duì)于熒光燈的選擇，可運(yùn)用低于15%高次諧波系數(shù)的電子鎮(zhèn)流器；而在選擇氣體放電燈時(shí)，可選用內(nèi)置有電感鎮(zhèn)流器的放電燈，且于單燈中安裝電容器。這些方法的運(yùn)用，可提高自然功率因數(shù)(0.83～0.92)，此種方法可減少整個(gè)系統(tǒng)高、低壓線路在輸電過(guò)程中所產(chǎn)生的超前無(wú)功功率。感抗所產(chǎn)生的無(wú)功是滯后的，可選用電容器對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，二者之間能夠?qū)崿F(xiàn)相互抵消，實(shí)現(xiàn)無(wú)功需求量減少的目的[7]。在國(guó)內(nèi)具體的地鐵設(shè)計(jì)當(dāng)中，絕大多數(shù)均運(yùn)用變壓器低壓側(cè)集中無(wú)功補(bǔ)償。

2.5照明節(jié)能

對(duì)于照明節(jié)能來(lái)講，往往將“以人為本”作為其指導(dǎo)思想，注重健康且舒適的環(huán)境。地鐵照明往往具有用電面廣且大的特點(diǎn)。所以，對(duì)照明進(jìn)行節(jié)能具有很好的應(yīng)用潛力，可從以下內(nèi)容進(jìn)行綜合權(quán)衡。

(1)利用高效光源

地鐵車站所采用的照明光源絕大多數(shù)均采用三基色細(xì)管徑直管熒光燈(T8或T5)，考慮局部美觀及相應(yīng)裝修效果，可采用筒燈以及一些其他形式的光源。此種管徑相比于傳統(tǒng)的粗管徑T12，在光效上從原來(lái)的72 lm/W提升至93 lm/W，基于照度相同的狀況下，可實(shí)現(xiàn)光源能耗的降低(見(jiàn)表1)。當(dāng)前市場(chǎng)上的LED燈具相比于常規(guī)的熒光燈，具有壽命長(zhǎng)、維護(hù)成本低及發(fā)熱量小等優(yōu)點(diǎn)，并且伴隨先進(jìn)技術(shù)水平的不斷提升，該燈具在節(jié)能效果上將更為突出。

(2)控制方式的靈活采用

公共區(qū)照明主要內(nèi)容為廣告照明、應(yīng)急照明、正常照明及導(dǎo)向照明等。此外，正常照明又可劃分為兩種，即工作照明及節(jié)電照明，通過(guò)將接觸器設(shè)置在照明回路當(dāng)中，再將觸點(diǎn)信號(hào)向環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)予以上傳并控制，且可采用表2中相應(yīng)模式進(jìn)行控制，智能化控制照明具有顯著的節(jié)能效果。

表1　兩種燈各項(xiàng)效果比較

表2　地鐵車站照明模式控制

注：(1)在正常運(yùn)營(yíng)時(shí)節(jié)假日及客流高峰期用正常模式。(2)正常運(yùn)營(yíng)時(shí)處于非客流高峰期采用節(jié)電模式。(3)停止運(yùn)營(yíng)時(shí)期采用停運(yùn)模式。

設(shè)備房?jī)?nèi)部所設(shè)置的應(yīng)急照明，可從傳統(tǒng)的長(zhǎng)明燈工作方式改變?yōu)樵O(shè)翹板開(kāi)關(guān)控制，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，可通過(guò)FAS/BAS進(jìn)行強(qiáng)制開(kāi)啟。通常情況下，設(shè)備房應(yīng)急照明在配置上應(yīng)為正常照明的10%，在火災(zāi)狀況下才實(shí)施強(qiáng)啟操作。由于火災(zāi)具有較低的發(fā)生率，可將照明功率功耗設(shè)置為10%。

2.6變頻起動(dòng)節(jié)能

(1)采用變頻控制

在整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)當(dāng)中，地鐵車站電扶梯系統(tǒng)及通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在具體的用電量上可超過(guò)70%；并且上述系統(tǒng)絕大多數(shù)為電動(dòng)機(jī)負(fù)荷?？蛇\(yùn)用變頻調(diào)速器，當(dāng)其出現(xiàn)負(fù)荷下降狀況時(shí)，能夠?qū)D(zhuǎn)速進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以此適應(yīng)負(fù)荷所出現(xiàn)的變化。通過(guò)運(yùn)用此種方式，可提升電機(jī)在輕載狀況下的效率，達(dá)到節(jié)能的效果。將變頻器設(shè)置在回排風(fēng)機(jī)及組合式空調(diào)柜當(dāng)中，通過(guò)相關(guān)計(jì)算可知，其在電能節(jié)約方面能夠達(dá)到驚人的30%。如果將變頻技術(shù)應(yīng)用在電扶梯上，并且采取自動(dòng)變速及分時(shí)管理措施，均可達(dá)到節(jié)約電能的目的。

(2)電動(dòng)機(jī)采用軟啟動(dòng)

可依據(jù)起動(dòng)時(shí)間對(duì)可控硅的導(dǎo)通角進(jìn)行逐步調(diào)節(jié)，以此對(duì)電壓的變化進(jìn)行控制。此外，由于電壓能夠連續(xù)調(diào)節(jié)，具有起動(dòng)平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)完成啟動(dòng)后，可在全壓狀況下運(yùn)行。該設(shè)備可在需頻繁啟動(dòng)或電動(dòng)機(jī)容量大的設(shè)備上運(yùn)用，可控制其電網(wǎng)電壓的波動(dòng)。其調(diào)壓主要采用可控硅，由于正弦波未導(dǎo)通，此時(shí)一部分電能在可控硅上得到全部消耗，不存在再次反向電網(wǎng)的

可能。所以，其在通風(fēng)及散熱等措施上要求較高，然而在價(jià)格上卻低于變頻器，被廣泛應(yīng)用在通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中。

3結(jié)束語(yǔ)

節(jié)能降耗作為一項(xiàng)十分重要且龐大的系統(tǒng)工程，其重要環(huán)節(jié)及關(guān)鍵在于節(jié)能設(shè)計(jì)。在對(duì)地鐵車站電氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)建立和健全節(jié)能設(shè)計(jì)理念，根據(jù)地鐵車站實(shí)際狀況開(kāi)展設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。地鐵工程在節(jié)能方面具有非常大的潛力，應(yīng)分別對(duì)其效果、性能及原理等方面進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)技術(shù)設(shè)備的比較，選擇合理及高效的設(shè)備、材料和技術(shù)。

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收稿日期：2016-02-23

作者簡(jiǎn)介：郭翔宇(1984—)，男，2006年畢業(yè)于西南交通大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，工程師。

文章編號(hào)：1672-7479(2016)03-0111-03

中圖分類號(hào)：U231+.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

Metro Low-Voltage Distribution Based on Energy Conservation and Horizon of the Discussion

GUO Xangyu