城市軌道交通非牽引負荷配電變壓器容量計算方法

楊瑞青

（濟南舜達軌道交通設計有限公司，250003，濟南//高級工程師）

城市軌道交通是以消耗電能為主的運輸方式，相對于其他的交通工具而言，具有運能大、快速、環保和能源消耗少等優點。按同等運能比較，城市軌道交通的能耗只相當于小汽車的1/9、道路公交的1/2［1］。城市軌道交通盡管能耗低，但其運營成本卻居高不下，這主要是城市軌道交通電能損耗太大導致的。

除了必須的牽引用電外，非牽引負荷的配電變壓器的能耗也占很大的比重。非牽引負荷的變壓器安裝容量大，但實際同時運行負荷小，故配電變壓器的負載率低，尤其是地下車站的非牽引負荷配電變壓器的一般日負荷率僅為10%～30%［2］。過低的負載率不但導致變壓器的無功損耗很大，而且占用系統容量資源，使運營費用高企。本文針對非牽引負荷配電變壓器進行分析。

1 城市軌道交通配電現狀

1.1 三級負荷比例低

城市軌道交通非牽引負荷配電設備的組成分類如圖1所示。由圖1可見，一、二級負荷較多，而三級負荷僅分布在冷凍機組及商業照明等領域。故三級負荷的比重較小。根據文獻［2］,在總配電負荷中，一、二級負荷所占比例高達70%以上，而三級負荷所占比例不足30%。這就決定了城市軌道交通配電變壓器正常運營時的負載率不可能很高。

1.2 變壓器負載率要求

根據GB/T 13462—2008《電力變壓器經濟運行》，雙繞組變壓器綜合功率損耗率ΔPz與變壓器平均負載系數β的關系曲線如圖2所示。由圖2可見，負載率β的臨界點為βjz。當β＜βjz時，β越低，變壓器綜合功率損耗率ΔPz越大。如變壓器長期不合理輕載運行，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會有明顯的降低，故節電措施規定變壓器的負載率不應小于30%。根據△Pz，將變壓器△Pz與β關系的運行曲線劃分為經濟運行區與非經濟運行區，并特別劃出最佳經濟運行區。相應的，經濟運行區為β2jz≤β≤1，其中最佳經濟運行區為 1.33 β2jz≤β≤0.75，非經濟運行區 0≤β≤β2jz。

圖1 城市軌道交通非牽引用電負荷組成分類（一側）

圖2 ΔPz與β的關系曲線及經濟運行區劃分

2 不同負荷計算方法比較

一般建筑工程負荷計算采用需要系數法。城市軌道交通工程負荷計算時由于缺乏用電設備組有依據的需要系數，所以大多采用保守計算的方法。這就導致計算負荷與實際運營負荷差距太大。而城市軌道交通設備的運行有其特殊性，故不能完全參照《工業與民用配電手冊》中的需要系數來計算。

GB 50157—2013《地鐵設計規范》規定：“配電變壓器的容量選擇應滿足一臺配電變壓器退出運行時另一臺配電變壓器能負擔供電范圍內的一、二級負荷”。配電變壓器容量主要根據該規定及GB 50053—2013《20 kV及以下變電所設計規范》來選取。

根據一、二級負荷的性質，城市軌道交通車站變電所一般需設置2臺變壓器，采用單母線分段接線形式。

本文以濟南軌道交通R3線（以下簡為“R3線”）龍洞莊站為例進行計算分析。R3線共設12座車站，均為地下站，平均站間距約為1.778 km。龍洞莊站為R3線的南起點站。

2.1 保守計算方法

表1是龍洞莊站所有一、二級負荷分類表。

由于負荷較多，表中部分一、二級負荷已做合并，可根據不同負荷運行的特點選取需要系數［2］。根據《工業與民用配電設計手冊》的需要系數法確定負荷的計算式為：

式中：

PC——計算容量；

K∑P——取0.9；

K∑q——取0.95；

KX——需要系數；

Pe——設備容量。

表1中的用電設備組計算負荷Sc1=1 437 kVA，故選取額定容量Se1=1 600 kVA的變壓器。龍洞莊站在初步設計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、二級負荷概況表

2.2 按實際運行工況計算的方法

環控風機為配電系統的主要設備，是地下車站的負荷大戶。本文從主要設備入手，闡述結合實際運行工況的負荷計算方法。龍洞莊站通風空調專業的隧道環控風機運行工況為：平時用于隧道內的排風，僅在運營前0.5 h及運營后0.5 h開啟；消防時根據所在區間的情況開啟相關環控風機。可見，早上環控風機開啟時，站內的大多數設備還沒有運行；晚上環控風機開啟時站內的大多數設備（如扶梯、屏蔽門、站廳站臺的正常照明等）已停止運行。而且隧道環控風機運行時，還可利用環境與設備監控系統的模式控制來分組控制環控風機的啟停，保證最多同時開啟2臺隧道環控風機。

由上述情況可知，運營結束后開啟南北兩端各1臺一級環控風機時的負荷為最大負荷。取表1中第 1、18、20、27、28、29、30、31、32、36、37、38 項 的 需要系數為0，取第2、19項的需要系數為1.0，其余項不變，K∑P取 0.9，K∑q取 0.95。經計算，最大計算負荷Sc2=924 kVA。故按實際運行工況計算的方法，應選取額定容量Se2=1 000 kVA的變壓器。

2.3 按實際運行工況計算方法的安全性優化

配電變壓器不僅要保證正常運營時供電范圍內所有電氣設備的運行，還擔負著消防狀態時所有同時投入運行的設備的供電。所以必須要根據消防安全性要求來對Se2進行優化。

GB 50157—2013《地鐵設計規范》第28.1.4條規定：“一條線路、一座換乘車站及其相鄰區間的防火設計應按同一時間發生一次火災計”。根據通風空調專業提供的最大火災工況運行條件，任何區間內發生火災時4臺隧道風機均有可能同時運行。按任一區間內發生火災計算：表1中第20項“屏蔽門”為瞬時負荷，火災情況下開啟后便不再動作，故此項的需要系數可調整為0；而1～26項中的其他負荷需要系數均取 1.0，K∑P=1.0、K∑q=1.0。經計算，消防時的計算負荷Sc3=1 485 kVA。根據GB 50157—2013《地鐵設計規范》第28.2.11條規定“車站站臺公共區的樓梯、自動扶梯、出入口通道，應滿足當發生火災時在6 min內將遠期或客流控制期超高峰小時一列進站列車所載的乘客及站臺上的候車人員全部撤離站臺到達安全區的要求”及28.2.4條對于疏散的規定，發生火災時194 kW的電梯負荷僅能持續6 min，其他消防負荷持續的時間也不會太長；因此在選取變壓器時完全可以按照1.2倍的過負荷能力來選取［2］。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。實際計算時，每站的負荷情況不同，所以校對結果可能也會不同。如果Se3＜Se2，則變壓器的容量需取為Se2。

通過以上計算可以看出，保守計算方法與按實際工況計算并優化方法的計算結果存在差距。如果變壓器取Se1時的負載率僅為30%，則取Se3時的負載率便能達到38.4%，這樣變壓器就可以工作在經濟運行區。

城市軌道交通配電變壓器容量計算的目的是要在保證安全性的前提下做到節能最大化，所以，計算時既要考慮實際運行情況，盡量降低同時需要系數，又必須根據消防安全的要求對計算結果進行優化。

3 結語

進行城市軌道交通配電變壓器容量負荷計算時，應結合設備實際運行工況進行計算，剔除不同時運行的設備。對大容量設備必須考慮實際工況，或優化實際工況，而且必須要根據消防要求來優化計算結果，從而達到既安全又節能的目的。

城市軌道交通工程節能要求貫穿設計、建設及運營環節。設計是源頭，只有在源頭把握好，才能在后面的環節中得到更好的執行。按實際運行工況計算并按安全性優化方法的思路完全符合“低投入、節能環保、高效益、可持續發展”的要求，以及建設節約型城市軌道交通的發展方向。

［1］ 宋敏華.城市軌道交通節能技術發展趨勢研究［J］.工程建設與設計,2009（1）：15.

［2］ 何治新.提高城市軌道交通車站配電變壓器負荷率措施［J］.建筑電氣,2013（6）：22.

［3］ 沈文杰.地鐵配電變壓器負荷的計算［J］.電氣技術,2010（2）：76.

［4］ 李超.地鐵用電系統節能設計淺析［J］.鐵道建筑技術,2010（S2）：148.

［5］ 王紹勇.地鐵車站配電變壓器經濟容量選擇［J］.都市快軌交通,2009,22（1）：85.

［6］ 中國航空工業規劃設計研究院.工業與民用配電設計手冊［M］.第 3版.北京：中國電力出版社，2005.

［7］ 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.電力變壓器經濟運行：GB/T 13462—2008［S］.北京：中國標準出版社，2008.

［8］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.地鐵設計規范：GB 50157—2013［S］.北京：中國建筑工業出版社，2013：50．

［9］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.20 kV及以下變電所設計規范：GB 50053—2013［S］.北京：中國計劃出版社，2013.