淺析地鐵主變電所理論計(jì)算容量與實(shí)際測量值的差異

張喜海

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251）

0 引言

近年來我國城市軌道交通發(fā)展迅速，國內(nèi)眾多城市已有開通線路。經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)營，一些城市地鐵運(yùn)營部門反映供電設(shè)備選型與系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行負(fù)載存在一定出入，其主要體現(xiàn)在主變壓器容量的負(fù)荷率低，即理論計(jì)算后的安裝容量與實(shí)際運(yùn)行表測數(shù)據(jù)存在較大差異，導(dǎo)致主變電所的空載損耗和電費(fèi)增加，無形中增加了地鐵公司的運(yùn)營成本。研究理論計(jì)算結(jié)果和供電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)間的聯(lián)系和規(guī)律，對調(diào)整計(jì)算策略，優(yōu)化供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重大意義。

1 深圳市軌道交通主變壓器現(xiàn)狀負(fù)荷率

負(fù)荷率是校驗(yàn)變壓器容量的重要數(shù)據(jù)，計(jì)算方式為：負(fù)荷率 = 實(shí)際負(fù)荷 / 變壓器安裝容量×100%，其中實(shí)際負(fù)荷為電表實(shí)際測量的用電負(fù)荷。目前，深圳市軌道交通路網(wǎng)已經(jīng)運(yùn)行的線路為 1 號、2 號、3 號、4 號、5 號、7 號、9 號、11 號線，共建設(shè)了 12 座 110 kV/35 kV主變電所。其中深圳市軌道交通 1 號線一期工程為深圳市早期開通線路，設(shè)置城市廣場、文化中心 2 座主變電所，列車采用 6 輛編組 A 型車，高峰小時(shí)發(fā)車對數(shù)已達(dá)到 30 對。圖 1 為深圳市軌道交通 1 號線一期工程城市廣場及文化中心 2 座主變電所安裝的 4 臺(tái)變壓器 2016 年每月負(fù)荷率。圖 2 為深圳市軌道交通運(yùn)營線路既有主變電所負(fù)荷率，其中 1#、2#代表變壓器編號。

圖1 深圳市軌道交通 1 號線一期工程 2016 年變壓器每月負(fù)荷率

由圖 1 可以看出，深圳市軌道交通 1 號線在近期發(fā)車對數(shù)已達(dá)到遠(yuǎn)期高峰小時(shí)運(yùn)能時(shí)，變壓器負(fù)荷率僅在 9 月份接近60%，其他大部分月份負(fù)荷率均低于 50%。由圖 2 可以看出，目前深圳市軌道交通運(yùn)營的各線主變電所的負(fù)荷率均相對較低，其中絕大部分主變電所負(fù)荷率不超過50%，基本維持在 40% 左右。經(jīng)調(diào)研，除北京、上海、廣州、深圳等高密度發(fā)車的城市，其他城市的負(fù)荷率均普遍偏低，東北部分城市負(fù)荷率甚至不足 20%，主變電所容量造成極大的浪費(fèi)。

2 主變電所容量構(gòu)成及主變壓器容量選擇原則

2.1 主變電所容量構(gòu)成

主變電所容量主要由牽引負(fù)荷計(jì)算容量和低壓負(fù)荷計(jì)算容量構(gòu)成，其中牽引負(fù)荷通過牽引供電模擬計(jì)算得出，牽引供電計(jì)算受運(yùn)營組織、線路條件、列車運(yùn)行方式、列車牽引和制動(dòng)曲線等影響[1]。低壓負(fù)荷主要分為照明負(fù)荷和動(dòng)力負(fù)荷，兩類用電負(fù)荷按其用電的具體位置又可分為車站和區(qū)間 2 個(gè)部分。其中車站照明分為車站公共區(qū)和附屬用房兩部分，地下區(qū)間照明分正常照明、應(yīng)急照明及區(qū)間疏散照明，地上區(qū)間只設(shè)正常照明，不設(shè)應(yīng)急照明。車站的動(dòng)力負(fù)荷主要有通信、信號、自動(dòng)售檢票、風(fēng)機(jī)、水泵、電扶梯、空調(diào)、維修電源等，區(qū)間的動(dòng)力負(fù)荷主要有區(qū)間消防設(shè)備、區(qū)間檢修設(shè)備以及區(qū)間通風(fēng)設(shè)備[2]。

2.2 主變電所主變壓器容量選擇原則

（1）主變壓器容量應(yīng)滿足正常運(yùn)行方式下高峰小時(shí)牽引負(fù)荷和全部動(dòng)力照明負(fù)荷的需求。

（2）主變壓器容量應(yīng)滿足 1 臺(tái)主變壓器解列、由另 1 臺(tái)主變壓器承擔(dān)本所供電范圍內(nèi)高峰小時(shí)牽引負(fù)荷和動(dòng)力照明 1 級、2 級負(fù)荷需求。

（3）主變壓器容量應(yīng)滿足相鄰主變電所解列、由本所支援供電承擔(dān)本所及支援供電區(qū)域供電范圍內(nèi)高峰小時(shí)牽引負(fù)荷和動(dòng)力照明 1 級、2 級負(fù)荷需求。

（4）主變壓器容量除考慮本工程負(fù)荷外，還應(yīng)結(jié)合共享線路建設(shè)年限及負(fù)荷需求考慮。

（5）主變壓器容量宜近遠(yuǎn)期分期實(shí)施。

3 構(gòu)成主變電所容量差異分析

3.1 牽引負(fù)荷差異性

3.1.1 牽引供電計(jì)算影響因素

在牽引負(fù)荷計(jì)算時(shí)，車輛的資料與實(shí)際車輛的參數(shù)肯定會(huì)存在一定的差異。目前牽引供電計(jì)算一般采用“運(yùn)行圖法”和“平均運(yùn)量法”，2 種算法均與實(shí)際運(yùn)行情況存在誤差。平均運(yùn)量法是以大量相容事件的統(tǒng)計(jì)和概率論為基礎(chǔ)的計(jì)算方法，由于受滿載率、行車組織等影響，其計(jì)算結(jié)果和實(shí)際運(yùn)行情況之間往往存在較大的誤差，有時(shí)可達(dá) 20%～30%[3]。運(yùn)行圖法是依據(jù)某個(gè)時(shí)間線路上正在運(yùn)行的所有列車的工況（受流、惰行或停站）建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，然后再對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，從而計(jì)算出各種系統(tǒng)電氣參數(shù)。受電氣模型搭建的影響，雖然模擬實(shí)際運(yùn)營時(shí)發(fā)車對數(shù)，但仍與實(shí)際運(yùn)行情況存在偏差。

3.1.2 整流機(jī)組容量選取

牽引供電計(jì)算完成后，根據(jù)計(jì)算結(jié)果選取容量，需考慮 1 套機(jī)組解列和高峰小時(shí)大雙邊故障時(shí)所需容量，因此，在考慮過負(fù)荷倍數(shù)的情況下，選擇較大的容量[4]。當(dāng)個(gè)別車站計(jì)算容量位于兩相鄰設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)容量等級臨界值時(shí)，考慮容量增加對設(shè)備投資增加影響不大，會(huì)選擇較高 1 檔；另外，為便于運(yùn)營統(tǒng)一容量規(guī)格或考慮遠(yuǎn)期線路延伸時(shí)，容量選取會(huì)較計(jì)算出的容量有1 級或 2 級的上浮。如車輛段、停車場及首末端牽引變壓器的容量計(jì)算結(jié)果較正線少1檔，則一般選取與正線一致。

3.2 動(dòng)力照明負(fù)荷差異性

動(dòng)力照明負(fù)荷理論計(jì)算的前提是底層設(shè)備專業(yè)提供詳盡的車站負(fù)荷資料，包括回路數(shù)量、用電負(fù)荷、功率因數(shù)、需要系數(shù)等。地鐵存在不同的運(yùn)行工況，比如高峰時(shí)段工況、夜間停運(yùn)工況等，相應(yīng)的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備在不同的運(yùn)行工況下用電量是不同的。在計(jì)算時(shí)，往往對設(shè)備實(shí)際運(yùn)行工況考慮不足，盲目放大余量，使得理論計(jì)算與實(shí)際差異較大。

3.2.1 各用電專業(yè)負(fù)荷資料不準(zhǔn)確

城市軌道交通工程中用電專業(yè)較多，包括通風(fēng)空調(diào)、給排水、通信、信號、自動(dòng)售檢票（AFC）系統(tǒng)等，多達(dá)十幾個(gè)專業(yè)。這些專業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，往往以相應(yīng)供貨商提供的用電設(shè)備銘牌功率為參考，再留出一定比例向動(dòng)力照明專業(yè)提出用電負(fù)荷。而設(shè)備銘牌功率表示的是該設(shè)備的產(chǎn)品設(shè)計(jì)負(fù)荷，該用電負(fù)荷本身包含了一定的余量。因此，在各專業(yè)向動(dòng)力照明提出用電負(fù)荷資料的過程中，考慮了兩重設(shè)計(jì)余量，這些余量是設(shè)計(jì)負(fù)荷與實(shí)際負(fù)荷出現(xiàn)差異的原因之一。

3.2.2 動(dòng)力照明專業(yè)負(fù)荷計(jì)算過程導(dǎo)致出現(xiàn)部分設(shè)計(jì)余量

動(dòng)力照明專業(yè)在進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算時(shí)，針對三相負(fù)荷和單相負(fù)荷有不同計(jì)算方法。對于三相負(fù)荷，可以直接進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算與統(tǒng)計(jì)[5]。對于單相負(fù)荷，例如照明、小功率水泵、風(fēng)機(jī)等，則需要進(jìn)行功率平衡與計(jì)算。當(dāng)某處配電箱僅有 1 個(gè)單相負(fù)荷時(shí)，該配電箱按照 3 倍的單相負(fù)荷折算為三相負(fù)荷。由于大部分單相負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間很短，在計(jì)算過程中，會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)荷差異。

3.2.3 配電變壓器負(fù)荷計(jì)算時(shí)產(chǎn)生的差異

配電變壓器負(fù)荷計(jì)算時(shí)，關(guān)鍵在于同期系數(shù)的選取，該系數(shù)來源于實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。在城市軌道交通行業(yè)中，沒有類似的參考經(jīng)驗(yàn)值。因此，在進(jìn)行配電變壓器負(fù)荷計(jì)算時(shí)，可能出現(xiàn)同期系數(shù)偏高帶來的負(fù)荷浪費(fèi)。

3.3 主變電所引起的差異性分析

3.3.1 主變電所運(yùn)行方式要求

地鐵每條線路至少設(shè)置 2 座主變電所，互為熱備用，以保證出現(xiàn)故障時(shí)（1 臺(tái)主變壓器解列或 1 座主變電所退出運(yùn)行），系統(tǒng)仍能夠穩(wěn)定運(yùn)行。主變壓器容量除滿足正常運(yùn)行情況下的負(fù)荷需求，還需具備 1 臺(tái)主變壓器和相鄰主變電所解列支援供電的能力。一般情況下主變壓器容量中約 60% 為備用容量，約 40% 為正常實(shí)際容量或負(fù)荷率。

3.3.2 滿足高峰小時(shí)運(yùn)營

主變壓器容量需保證各個(gè)運(yùn)行工況下列車按照既定運(yùn)行圖運(yùn)營，因此，主變壓器容量按高峰小時(shí)最大負(fù)荷確定。而列車運(yùn)行計(jì)劃只有早晨和晚上出現(xiàn)高峰小時(shí)，其他大部分時(shí)段均處于相對較低運(yùn)力情況，負(fù)荷率低于高峰小時(shí)負(fù)荷率。在動(dòng)力照明負(fù)荷波動(dòng)不大的情況下，以平峰 10 對/h 與高峰 24 對/h 對比為例，變壓器負(fù)荷率前者約為后者的 41.6%。

3.3.3 共享線路負(fù)荷考慮

當(dāng)主變電所為共享主變電所時(shí)，主變壓器容量需同時(shí)滿足共享線路高峰小時(shí)、解列運(yùn)行方式總負(fù)荷（只考慮共享線路中1座主變電所解列情況）需要。當(dāng)共享線路不同期運(yùn)營時(shí)，總?cè)萘績H被運(yùn)營線路負(fù)荷占用，負(fù)載率較線路全部投入成倍降低。如將正常負(fù)荷占主變電所容量比例計(jì)為 α、某時(shí)段負(fù)荷占高峰小時(shí)負(fù)荷比例計(jì)為 β、1 條線負(fù)荷占共享線路總負(fù)荷比例計(jì)為 γ 時(shí)，某時(shí)段主變壓器負(fù)荷率為 α、β、γ 三者的乘積關(guān)系，以上 3 個(gè)因子均小于 1。由于設(shè)計(jì)時(shí)給出的負(fù)荷數(shù)據(jù)基本上是支撐容量選取的數(shù)據(jù)，即綜合考慮了上述計(jì)算原則后的最大值，因此導(dǎo)致主變壓器容量選取偏大。

3.3.4 容量選取需求

目前市場生產(chǎn)的變壓器容量按照依次遞增，容量越大，相鄰等級容量差值越大。這種容量的不連續(xù)性也造成了理論計(jì)算與實(shí)際的差異，如計(jì)算容量為33 MVA，則容量可能選擇為 40 MVA 檔，即憑空產(chǎn)生了17.5% 的誤差。

4 總結(jié)與建議

通過以上分析可以看出，雖然目前開通線路主變電所負(fù)荷率普遍偏低，但因考慮城市軌道交通線路運(yùn)行的高可靠性和主變電所的資源共享及高峰小時(shí)用電需求，主變電所安裝容量中有 40% 左右為備用容量是合理的。建議客觀認(rèn)識(shí)主變壓器負(fù)荷率低的問題，在地鐵線路設(shè)計(jì)時(shí)，充分利用油浸式電力變壓器的過載能力，減小主變壓器容量；穩(wěn)定牽引供電計(jì)算和動(dòng)力照明負(fù)荷等外界條件，合理選取牽引變壓器及動(dòng)力配電變壓器容量。對于共享主變電所，應(yīng)綜合考慮主變壓器維修周期、使用壽命。若共享線路建設(shè)時(shí)間間隔相差 5 年以內(nèi)，主變壓器安裝容量可按 2 條線路近期需用容量安裝；若超過5 年且低于 10 年，主變壓器安裝容量可按照 1 條線路運(yùn)行至近期，共享線路運(yùn)行至初期所需容量進(jìn)行安裝；若建設(shè)時(shí)間間隔超過 10 年，主變壓器安裝容量可僅按 1 條線路近期用電負(fù)荷選擇，主變電所內(nèi)預(yù)留土建安裝條件即可。

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