城市軌道交通車站低壓負荷需要系數研究

王德發， 盧光明

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 武漢 430063)

城市軌道交通車站低壓負荷需要系數研究

王德發， 盧光明

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 武漢 430063)

針對城市軌道交通車站變壓器容量選擇過大、負荷率低的問題，通過分析車站用電負荷計算過程，得知需要系數Kx與多種因素有關。基于武漢地鐵秋季和夏季用電負荷實測數據，并結合設計手冊中各設備需要系數的取值，通過研究螃蟹岬站實際用電情況，給出軌道交通不同類型用電設備的需要系數取值或范圍。同時也提出，考慮到大功率風機的啟動情況，地下車站變壓器容量不宜小于800 kVA。該結果對于城市軌道交通車站負荷計算和變壓器容量選擇具有指導意義。

城市軌道交通； 低壓配電； 負荷計算； 需要系數； 變壓器容量

1 研究背景

城市軌道交通低壓配電變壓器承擔的負荷種類復雜，相應的容量選擇難度也較大。在選擇配電變壓器容量前一般根據車站各系統設備專業提交的負荷來統計車站的負荷，由于各系統設備提交的負荷容量裕度一般較大，且設計人員對軌道交通的負荷特性認識不夠深入，故國內軌道交通配電變壓器的容量選擇普遍存在偏大的情況。經對廣州地鐵、蘇州地鐵1號線、武漢地鐵2號線的調查，降壓變電所35/0.4 kV變壓器的負荷率平均為20%左右，例如對蘇州地鐵1號線全線車站實測數據表明，在夏季的空調季節，變壓器最大負荷率出現在中央公園站，僅為29%；最小負荷率出現在養育巷站，為6.3%。變壓器容量選擇偏大，不僅增加建設成本，而且增加電能損耗，不符合國家節能減排的要求：因此，合理選擇配電變壓器的容量顯得尤為重要。

城市軌道交通低壓配電系統用電負荷分析研究的難點在于準確把握各類負荷的實際運行情況和實際用電量：因此，需要對已運營的線路進行大量基礎數據的調查、分析，并在此基礎上，以工業與民用配電設計的基本理論為依據，分析、研究出較為準確的低壓配電系統需要系數的選取方法，同時對造成變壓器取值過大的其他原因進行分析，合理選擇變壓器容量。

城市軌道交通線路以地下車站的負荷最為復雜，因此，本文以武漢地鐵2號線螃蟹岬站為研究對象，對該站35/0.4 kV降壓變壓器二次側的低壓饋出線進行現場實測，得到了各饋出回路在秋季、夏季的實際負荷情況，并參考廣州地鐵大石站和昆明地鐵福德站的負荷統計情況進行分析。由于各地鐵車站的負荷性質、用電使用情況基本相同，因此對某一座車站的實測數據進行分析具有普遍性意義。

2 負荷計算的理論與方法

負荷計算的方法有需要系數法、利用系數法、單位指標法等[1-2]。

城市軌道交通低壓配電變壓器的負荷計算一般采用需要系數法。用此方法進行負荷計算時，將變電所配電干線范圍內的用電設備按照類型統一分組，配電干線的計算負荷為各用電設備組的計算負荷之和再乘以同時系數，變電所的計算負荷為各配電干線計算負荷之和再乘以同時系數[3-4]。用電設備組的計算負荷為：

Pc=Kx×Pe

式中：Pc為用電設備組的計算負荷；

Pe為用電設備組的設備功率；

Kx為需要系數，由下式確定

Kx=Kt×Kh/(Ns×Nt)

式中：Kt為設備同時運行系數：用電設備組的全部設備并不同時運行，Kt即設備組在最大負荷時運行的設備容量與總容量之比。

Kh為設備組的負荷系數：用電設備不一定滿載工作，Kh即設備組在最大負荷時的輸出功率與總功率之比。

Ns為設備組的平均效率:設備的輸出容量與輸入容量之間存在效率，Ns即設備組在最大負荷時的輸出功率與取用功率之比。

Nt為配電線路的平均效率:向用電設備供電的線路有損耗，存在線路效率，Nt即配電線路在最大負荷時末端功率(設備組的取用功率)與前端功率(計算功率)之比。

計算負荷的確定，關鍵是需要系數Kx的確定，而對設計工作者來說上述的Kt、Kh、Ns、Nt系數是較難確定的，僅能通過查閱設計手冊來大致確定Kx。

3 地鐵站低壓配電負荷分類及構成

3.1負荷分類

地下車站低壓配電負荷主要由通信、信號、通風空調、給排水、電扶梯、照明等負荷構成，旨在保證軌道交通安全運行，并為乘客候車提供舒適的環境。它與車站的規模和結構以及環控系統的設計模式密切相關。

根據《地鐵設計規范》(GB50157—2013)要求，地鐵用電負荷按其不同的用途和重要性分為三級[5]，而地下車站用電負荷以一、二級負荷為主，占總負荷的70%～80%。根據用電設備的類型可將車站設備分為照明類、電動機類和電子與計算機類(弱電類)。

3.2負荷構成

城市軌道交通車站負荷根據其特性可以分為兩大類：一類屬于系統性負荷，是根據車站的功能必須設置的，與車站的規模和結構基本無關，全線負荷基本一致，這一類負荷主要由電子與計算機類負荷構成，包含通信、信號、AFC(自動售檢票)、FAS(火災報警系統)、BAS(環境與設備監控系統)、ISCS(綜合監控系統)、安全門、氣體滅火等系統負荷；另一類負荷根據車站的規模和功能定位設置，主要包含通風空調、給排水、電扶梯、照明、二三級負荷小動力、站內小商業等[6]。

4 地鐵站負荷實測結果

采用需要系數法進行負荷計算時，需要確定Kx，城市軌道交通中Kx取值不僅與設備的負荷率、效率、臺數、工作情況及線路損耗有關，而且與維護管理水平等因素有關。Kx的取值是否準確只能通過現場實測的方法檢驗，因此，在無法取得Kt、Kh、Ns、Nt等系數的前提下，通過實際測量現場負荷的大小，并與設備容量進行比較來大致確定需要系數Kx，是具有現實意義的。

4.1現場負荷實測情況

筆者聯合武漢地鐵運營部門對武漢地鐵2號線螃蟹岬站的負荷進行了現場實測，實測時間分別選取在秋季和夏季。由于目前國內大部分地鐵未采用電采暖設備，選取秋、夏季進行實測，可以涵蓋地下車站的平時負荷和最大負荷。

螃蟹岬站為武漢地鐵2號線的一座標準2層站，車站設35/0.4kV變電所1座，變壓器容量為2×1000kVA，未設置電容補償柜。現場實測從10月9日開始至10月31日結束，共23天，因篇幅關系，本文僅截取其中部分典型數據，見表1。從實測的數據來看，各系統負荷變化不大。

表2為螃蟹岬站夏季現場實測負荷，現場實測共進行了3天，主要對夏季用電量較大的設備，如冷水機組電源、環控電源(通風空調負荷)，以及一些動力、照明負荷全開狀態下的回路進行了實測。因篇幅關系，本文僅截取其中部分典型數據。

表1 螃蟹岬站秋季負荷實測值

表2 螃蟹岬站夏季負荷實測值

續表

4.2實測負荷與設計負荷的比較

取螃蟹岬站各設備或系統用電負荷實測的最大值,并與設計值做比較,得到表3所示結果。

負表3 螃蟹岬站設計與實測負荷比較Tab.3 ComparisionbetweentheplannedloadandtherealloadbytestingofPangxiejiastation回路/負荷名稱設 計實 測設備總容量/kW需要系數計算容量/kW功率因數實測最大電流/A實測負荷/kVA實測負荷/設備容量I段進線1000kVA 393258.70.26II段進線1000kVA 155.6102.40.10通風空調類合計877.70.8702.20.8384.50.44冷水機組合計4340.8 347.20.8 105.70.24水泵類合計660.8570.7～0.87.90.12站臺門、扶梯、電梯類合計2900.82310.6～0.8400.14電子計算機類合計193.50.8～1170.50.834.80.18其他動力類合計2800.8～12360.854.80.2照明類合計21612160.91040.48

從表3 可看出,該站1# 變壓器的負載率僅26%;2# 變壓器的負載率僅10%,且各回路實際負荷遠小于設計負荷,但如果僅按照實際負荷與設計負荷的比值作為需要系數的取值依據,也是不盡合理的。另外,由于設計負荷不一定為設備的額定容量,如照明類、小動力類負荷往往為估算值,因此,應具體分析造成各類設計負荷值與實測值相差較大的原因，以確定需要系數的取值。

5 地鐵站用電負荷需要系數分析

5.1通風空調類負荷需要系數

地下車站的通風空調類負荷占車站負荷的比重最大，其需要系數的取值直接影響變壓器容量的計算。但車站通風空調類負荷的設備容量遠大于實際測量值，分析其原因為：1) 環控設備實際是按模式運行的，即不是所有設備均同時運行；2) 部分大功率通風設備(如隧道風機)僅在早晚通風時開啟，實測數據中未包含這個時段的數據；3) 對于冷水機組電源來說，車站一般按遠期最大負荷設置2臺等容量大小的冷水機組，并根據運行模式由隨機組設置的電腦控制運行，根據武漢地鐵2號線的運行情況，2臺冷水機組同時運行的情況十分少見。

將現場實測最大負荷值與通風空調模式表(根據所在地區確定)的最大負荷值進行比較，得出通風空調系統的需要系數為0.51；空調水系統設置變頻器時的需要系數為0.56，其值較準確地反映了設備實際使用情況。為保守起見，通風空調類設備的需要系數可取0.6[7]；冷水機組類設備設置變頻器時的需要系數可取0.65，不設變頻器時可取0.85。

設置在配線、隧道口部的多臺射流風機并不同時運行，計算變壓器容量時應根據隧道通風系統運行模式表確定其是否計入變壓器容量。

5.2水泵類負荷需要系數

由于消防泵為消防負荷，現場無法取得實測值，在變壓器容量計算時不應該計入這部分負荷。主廢水泵平時僅間歇性地參與區間排水，其需要系數可按0.6考慮；從對出入口雨水泵回路的實測數據來看，這類水泵(含污水泵)負荷的需要系數取值0.8是合理的。

5.3站臺門、電扶梯類負荷需要系數

從現場實測數據與設備容量的比較來看，扶梯、電梯類的需要系數約為0.2，安全門的需要系數約為0.06，且昆明地鐵福德站的數據與之基本相同，但廣州地鐵大石站電梯、扶梯類的負荷比值卻為0.5、安全門負荷的比值約為0.2，造成數據差異較大的原因是由于廣州地鐵大石站的客流較大。綜合考慮此類負荷的情況，扶梯、電梯類負荷的需要系數可取0.6[8]；站臺門負荷的需要系數可取0.3。

5.4電子計算機類負荷需要系數

根據現場實測數據，車控室FAS電源、BAS電源、氣體滅火電源等電子類設備的需要系數按保守估算，可取值0.4～0.7。

通信、信號、ISCS等系統實測負荷率約0.2，其中公安通信負荷率僅為0.09，但考慮到通信設備的實測容量值不一定反映其最大負荷，結合昆明地鐵、廣州地鐵的實測數據，對通信類負荷的需要系數可保守取值0.5～0.6。

5.5小動力類負荷需要系數

此類負荷是為車站一些不確定的小動力設備所預留，設計考慮的設備容量較大，在車站運營后，實際使用此類小動力電源箱的情況較少，即設計負荷不是真實的設備容量，從現場實測來看，有些回路的測量值是0，最大的也僅是設計負荷的0.5倍。因此，對這類負荷的需要系數保守取值0.5。

5.6照明類負荷需要系數

經過實測此類負荷，實測值與設計值的比值在0.12～0.79，比較昆明地鐵、廣州地鐵的數據也基本相同，造成比值較大的原因是由于供變電與低壓配電設計不同步，低壓配電需要估算照明負荷提供給供變電專業，即設計負荷不是真實的設備容量：因此，計算變壓器容量時，對照明類負荷應根據所提供資料的情況，取適當的需要系數。如果低壓提供的資料為實際的設備容量，則需要系數可按照設計手冊的0.7～1取值；如果低壓提供的資料僅為估算值，則需要系數可按0.4～0.8取值。

6 結語

在城市軌道交通的設計中，由于各專業的設計裕度相對較大，且設備招標選型時在容量的套用上就高不就低，如果僅按設計手冊套用電氣設備的需要系數計算變壓器的容量，選出的變壓器容量顯然是偏大的。

變壓器容量的計算不應包括車站專用的消防風機、消防水泵等消防設備的容量；設置配線、隧道口部的多臺射流風機，并不同時運行，計算變壓器容量時應根據隧道通風系統運行模式表確定其是否計入變壓器容量。

對其他專業提供的設備負荷，應根據工藝要求準確分析其最大負荷；對小動力類、照明類負荷的估算，應盡量根據實際配置的設備容量計算。

變壓器容量的選擇除了通過負荷計算確定外，還應按照主接線的運行方式確定一臺變壓器退出運行時，另一臺變壓器的容量是否滿足所帶的所有負荷容量，且應校核變壓器的容量是否滿足最大電動機啟動電流的需求。按照地下車站一般設置4臺90 kW的隧道風機考慮，車站變壓器容量不宜小于2×800 kVA。

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Demand Coefficient of Low-Voltage Load for Urban Rail Transit Station

WANG Defa，LU Guangming

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063)

The urban rail transit station often has the problems of high transformer capacity and low load rate. Through analy-zing the process of load calculation, we make a conclusion that the demand coefficientKxhas relation with many factors. Based on the actual measured power load of Wuhan subway in autumn and in summer, we research the actual electricity load of Pang-xiejia station and obtain the optimized value or range of demand coefficient for different types of electrical equipment in urban rail transit, referencing the rated value of demand coefficient in design regulations. Besides, considering the start situation of large-power wind turbine, the transformer capacity of the underground station should be larger than 800kVA. This result is of significance for the calculation of power load and selection of transformer capacity for urban rail transit station.

urban rail transit; low-voltage distribution; calculation of power load; demand coefficient; transformer capacity

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.05.017

2016-11-05

2016-12-19

王德發，男，高級工程師，電化處副總工程師，主要從事軌道交通低壓配電、FAS、BAS、ACS的設計與研究工作，94391813@qq.com

U231

A

1672-6073(2017)05-0093-06

(編輯：王艷菊)