城市軌道交通非牽引負(fù)荷配電變壓器容量計(jì)算方法

楊瑞青

（濟(jì)南舜達(dá)軌道交通設(shè)計(jì)有限公司，250003，濟(jì)南//高級(jí)工程師）

城市軌道交通是以消耗電能為主的運(yùn)輸方式，相對(duì)于其他的交通工具而言，具有運(yùn)能大、快速、環(huán)保和能源消耗少等優(yōu)點(diǎn)。按同等運(yùn)能比較，城市軌道交通的能耗只相當(dāng)于小汽車(chē)的1/9、道路公交的1/2［1］。城市軌道交通盡管能耗低，但其運(yùn)營(yíng)成本卻居高不下，這主要是城市軌道交通電能損耗太大導(dǎo)致的。

除了必須的牽引用電外，非牽引負(fù)荷的配電變壓器的能耗也占很大的比重。非牽引負(fù)荷的變壓器安裝容量大，但實(shí)際同時(shí)運(yùn)行負(fù)荷小，故配電變壓器的負(fù)載率低，尤其是地下車(chē)站的非牽引負(fù)荷配電變壓器的一般日負(fù)荷率僅為10%～30%［2］。過(guò)低的負(fù)載率不但導(dǎo)致變壓器的無(wú)功損耗很大，而且占用系統(tǒng)容量資源，使運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高企。本文針對(duì)非牽引負(fù)荷配電變壓器進(jìn)行分析。

1 城市軌道交通配電現(xiàn)狀

1.1 三級(jí)負(fù)荷比例低

城市軌道交通非牽引負(fù)荷配電設(shè)備的組成分類如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，一、二級(jí)負(fù)荷較多，而三級(jí)負(fù)荷僅分布在冷凍機(jī)組及商業(yè)照明等領(lǐng)域。故三級(jí)負(fù)荷的比重較小。根據(jù)文獻(xiàn)［2］,在總配電負(fù)荷中，一、二級(jí)負(fù)荷所占比例高達(dá)70%以上，而三級(jí)負(fù)荷所占比例不足30%。這就決定了城市軌道交通配電變壓器正常運(yùn)營(yíng)時(shí)的負(fù)載率不可能很高。

1.2 變壓器負(fù)載率要求

根據(jù)GB/T 13462—2008《電力變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》，雙繞組變壓器綜合功率損耗率ΔPz與變壓器平均負(fù)載系數(shù)β的關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，負(fù)載率β的臨界點(diǎn)為βjz。當(dāng)β＜βjz時(shí)，β越低，變壓器綜合功率損耗率ΔPz越大。如變壓器長(zhǎng)期不合理輕載運(yùn)行，則其容量得不到充分利用，變壓器工作效率低下，功率損耗成倍增加。隨著βjz的提升，ΔPz會(huì)有明顯的降低，故節(jié)電措施規(guī)定變壓器的負(fù)載率不應(yīng)小于30%。根據(jù)△Pz，將變壓器△Pz與β關(guān)系的運(yùn)行曲線劃分為經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)與非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)，并特別劃出最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)。相應(yīng)的，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)為β2jz≤β≤1，其中最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)為 1.33 β2jz≤β≤0.75，非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū) 0≤β≤β2jz。

圖1 城市軌道交通非牽引用電負(fù)荷組成分類（一側(cè)）

圖2 ΔPz與β的關(guān)系曲線及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)劃分

2 不同負(fù)荷計(jì)算方法比較

一般建筑工程負(fù)荷計(jì)算采用需要系數(shù)法。城市軌道交通工程負(fù)荷計(jì)算時(shí)由于缺乏用電設(shè)備組有依據(jù)的需要系數(shù)，所以大多采用保守計(jì)算的方法。這就導(dǎo)致計(jì)算負(fù)荷與實(shí)際運(yùn)營(yíng)負(fù)荷差距太大。而城市軌道交通設(shè)備的運(yùn)行有其特殊性，故不能完全參照《工業(yè)與民用配電手冊(cè)》中的需要系數(shù)來(lái)計(jì)算。

GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：“配電變壓器的容量選擇應(yīng)滿足一臺(tái)配電變壓器退出運(yùn)行時(shí)另一臺(tái)配電變壓器能負(fù)擔(dān)供電范圍內(nèi)的一、二級(jí)負(fù)荷”。配電變壓器容量主要根據(jù)該規(guī)定及GB 50053—2013《20 kV及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范》來(lái)選取。

根據(jù)一、二級(jí)負(fù)荷的性質(zhì)，城市軌道交通車(chē)站變電所一般需設(shè)置2臺(tái)變壓器，采用單母線分段接線形式。

本文以濟(jì)南軌道交通R3線（以下簡(jiǎn)為“R3線”）龍洞莊站為例進(jìn)行計(jì)算分析。R3線共設(shè)12座車(chē)站，均為地下站，平均站間距約為1.778 km。龍洞莊站為R3線的南起點(diǎn)站。

2.1 保守計(jì)算方法

表1是龍洞莊站所有一、二級(jí)負(fù)荷分類表。

由于負(fù)荷較多，表中部分一、二級(jí)負(fù)荷已做合并，可根據(jù)不同負(fù)荷運(yùn)行的特點(diǎn)選取需要系數(shù)［2］。根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》的需要系數(shù)法確定負(fù)荷的計(jì)算式為：

式中：

PC——計(jì)算容量；

K∑P——取0.9；

K∑q——取0.95；

KX——需要系數(shù)；

Pe——設(shè)備容量。

表1中的用電設(shè)備組計(jì)算負(fù)荷Sc1=1 437 kVA，故選取額定容量Se1=1 600 kVA的變壓器。龍洞莊站在初步設(shè)計(jì)階段正是選取了額定容量為1 600 kVA的變壓器。

表1 龍洞莊站一、二級(jí)負(fù)荷概況表

2.2 按實(shí)際運(yùn)行工況計(jì)算的方法

環(huán)控風(fēng)機(jī)為配電系統(tǒng)的主要設(shè)備，是地下車(chē)站的負(fù)荷大戶。本文從主要設(shè)備入手，闡述結(jié)合實(shí)際運(yùn)行工況的負(fù)荷計(jì)算方法。龍洞莊站通風(fēng)空調(diào)專業(yè)的隧道環(huán)控風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況為：平時(shí)用于隧道內(nèi)的排風(fēng)，僅在運(yùn)營(yíng)前0.5 h及運(yùn)營(yíng)后0.5 h開(kāi)啟；消防時(shí)根據(jù)所在區(qū)間的情況開(kāi)啟相關(guān)環(huán)控風(fēng)機(jī)?？梢?jiàn)，早上環(huán)控風(fēng)機(jī)開(kāi)啟時(shí)，站內(nèi)的大多數(shù)設(shè)備還沒(méi)有運(yùn)行；晚上環(huán)控風(fēng)機(jī)開(kāi)啟時(shí)站內(nèi)的大多數(shù)設(shè)備（如扶梯、屏蔽門(mén)、站廳站臺(tái)的正常照明等）已停止運(yùn)行。而且隧道環(huán)控風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，還可利用環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的模式控制來(lái)分組控制環(huán)控風(fēng)機(jī)的啟停，保證最多同時(shí)開(kāi)啟2臺(tái)隧道環(huán)控風(fēng)機(jī)。

由上述情況可知，運(yùn)營(yíng)結(jié)束后開(kāi)啟南北兩端各1臺(tái)一級(jí)環(huán)控風(fēng)機(jī)時(shí)的負(fù)荷為最大負(fù)荷。取表1中第 1、18、20、27、28、29、30、31、32、36、37、38 項(xiàng) 的 需要系數(shù)為0，取第2、19項(xiàng)的需要系數(shù)為1.0，其余項(xiàng)不變，K∑P取 0.9，K∑q取 0.95。經(jīng)計(jì)算，最大計(jì)算負(fù)荷Sc2=924 kVA。故按實(shí)際運(yùn)行工況計(jì)算的方法，應(yīng)選取額定容量Se2=1 000 kVA的變壓器。

2.3 按實(shí)際運(yùn)行工況計(jì)算方法的安全性優(yōu)化

配電變壓器不僅要保證正常運(yùn)營(yíng)時(shí)供電范圍內(nèi)所有電氣設(shè)備的運(yùn)行，還擔(dān)負(fù)著消防狀態(tài)時(shí)所有同時(shí)投入運(yùn)行的設(shè)備的供電。所以必須要根據(jù)消防安全性要求來(lái)對(duì)Se2進(jìn)行優(yōu)化。

GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》第28.1.4條規(guī)定：“一條線路、一座換乘車(chē)站及其相鄰區(qū)間的防火設(shè)計(jì)應(yīng)按同一時(shí)間發(fā)生一次火災(zāi)計(jì)”。根據(jù)通風(fēng)空調(diào)專業(yè)提供的最大火災(zāi)工況運(yùn)行條件，任何區(qū)間內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)4臺(tái)隧道風(fēng)機(jī)均有可能同時(shí)運(yùn)行。按任一區(qū)間內(nèi)發(fā)生火災(zāi)計(jì)算：表1中第20項(xiàng)“屏蔽門(mén)”為瞬時(shí)負(fù)荷，火災(zāi)情況下開(kāi)啟后便不再動(dòng)作，故此項(xiàng)的需要系數(shù)可調(diào)整為0；而1～26項(xiàng)中的其他負(fù)荷需要系數(shù)均取 1.0，K∑P=1.0、K∑q=1.0。經(jīng)計(jì)算，消防時(shí)的計(jì)算負(fù)荷Sc3=1 485 kVA。根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》第28.2.11條規(guī)定“車(chē)站站臺(tái)公共區(qū)的樓梯、自動(dòng)扶梯、出入口通道，應(yīng)滿足當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)在6 min內(nèi)將遠(yuǎn)期或客流控制期超高峰小時(shí)一列進(jìn)站列車(chē)所載的乘客及站臺(tái)上的候車(chē)人員全部撤離站臺(tái)到達(dá)安全區(qū)的要求”及28.2.4條對(duì)于疏散的規(guī)定，發(fā)生火災(zāi)時(shí)194 kW的電梯負(fù)荷僅能持續(xù)6 min，其他消防負(fù)荷持續(xù)的時(shí)間也不會(huì)太長(zhǎng)；因此在選取變壓器時(shí)完全可以按照1.2倍的過(guò)負(fù)荷能力來(lái)選?。?］。綜上所述，選取額定容量Se3=1 250 kVA的變壓器。

由于Se3＞Se2，所以最終確定龍洞莊站變壓器的額定容量為1 250 kVA。實(shí)際計(jì)算時(shí)，每站的負(fù)荷情況不同，所以校對(duì)結(jié)果可能也會(huì)不同。如果Se3＜Se2，則變壓器的容量需取為Se2。

通過(guò)以上計(jì)算可以看出，保守計(jì)算方法與按實(shí)際工況計(jì)算并優(yōu)化方法的計(jì)算結(jié)果存在差距。如果變壓器取Se1時(shí)的負(fù)載率僅為30%，則取Se3時(shí)的負(fù)載率便能達(dá)到38.4%，這樣變壓器就可以工作在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)。

城市軌道交通配電變壓器容量計(jì)算的目的是要在保證安全性的前提下做到節(jié)能最大化，所以，計(jì)算時(shí)既要考慮實(shí)際運(yùn)行情況，盡量降低同時(shí)需要系數(shù)，又必須根據(jù)消防安全的要求對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。

3 結(jié)語(yǔ)

進(jìn)行城市軌道交通配電變壓器容量負(fù)荷計(jì)算時(shí)，應(yīng)結(jié)合設(shè)備實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行計(jì)算，剔除不同時(shí)運(yùn)行的設(shè)備。對(duì)大容量設(shè)備必須考慮實(shí)際工況，或優(yōu)化實(shí)際工況，而且必須要根據(jù)消防要求來(lái)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，從而達(dá)到既安全又節(jié)能的目的。

城市軌道交通工程節(jié)能要求貫穿設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)營(yíng)環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)是源頭，只有在源頭把握好，才能在后面的環(huán)節(jié)中得到更好的執(zhí)行。按實(shí)際運(yùn)行工況計(jì)算并按安全性優(yōu)化方法的思路完全符合“低投入、節(jié)能環(huán)保、高效益、可持續(xù)發(fā)展”的要求，以及建設(shè)節(jié)約型城市軌道交通的發(fā)展方向。

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