地鐵配電變壓器負(fù)荷的計算

沈文杰

（北京市市政工程設(shè)計研究總院，北京 100082）

1 地鐵中負(fù)荷計算原則及方法

1.1 概述

負(fù)荷計算的方法有需要系數(shù)法、利用系數(shù)法、單位面積功率法等幾種。

（1）需要系數(shù)法：用設(shè)備功率乘以需要系數(shù)和同事系數(shù)，直接求出計算負(fù)荷。這種方法比較簡便，應(yīng)用廣泛，尤其適合于配、變電所的負(fù)荷計算。

（2）利用系數(shù)法：采用利用系數(shù)求出最大負(fù)荷班的平均負(fù)荷，再考慮設(shè)備臺數(shù)和功率差異的影響，乘以與有效臺數(shù)有關(guān)的最大系數(shù)得出計算負(fù)荷。這種方法的理論根據(jù)是概率論和數(shù)理統(tǒng)計，因而計算結(jié)果比較接近實際。適用于各種范圍的負(fù)荷計算，但計算過程稍繁。

（3）單位面積功率法：估算或按照某一指標(biāo)計算單位面積的功率，乘以總面積。此種方法誤差較大，適用于方案階段或初步設(shè)計階段的負(fù)荷計算。

（4）除以上方法外，還有二項式法以及今年國內(nèi)出現(xiàn)的ABC法、變值需要系數(shù)法等。這些方法有的已被其他方法代替，有的實用數(shù)據(jù)不多，尚未推廣，本文不再多做介紹。

1.2 確定設(shè)備功率

進(jìn)行負(fù)荷計算時，需將用電設(shè)備按其性質(zhì)分為不同的用電設(shè)備組，然后確定設(shè)備功率。用電設(shè)備的額定功率Pr或額定容量Sr是指銘牌上標(biāo)明的數(shù)據(jù)。對于不同負(fù)載持續(xù)率下的額定功率或額定容量，應(yīng)換算到統(tǒng)一負(fù)載持續(xù)率下的有功功率，即設(shè)備功率Pe。

（1）連續(xù)工作制電動機(jī)的設(shè)備功率等于額定功率。

（2）短時或周期工作制電動機(jī)的設(shè)備功率是指將額定功率換算為統(tǒng)一負(fù)載持續(xù)率下的有功功率。

（3）整流器的設(shè)備功率是指額定直流功率。

（4）成組用電設(shè)備的設(shè)備功率是指不包括備用設(shè)備在內(nèi)的所有單個用電設(shè)備的設(shè)備功率之和。

（5）白熾燈的設(shè)備功率為燈泡的額定功率。氣體放電燈的設(shè)備功率為燈管額定功率加上鎮(zhèn)流器的功率損耗。

1.3 負(fù)荷計算

目前地鐵中動力、照明設(shè)計時普遍采用的負(fù)荷計算方法為需要系數(shù)法，該方法簡便實用，準(zhǔn)確率較高。

低壓負(fù)荷部分計算見表1。

表1

地鐵中的用電負(fù)荷等級按照其重要程度分為三級。對于一級負(fù)荷應(yīng)由兩個電源供電，當(dāng)一個電源發(fā)生故障時，另一個電源不應(yīng)同時受到損壞。二級負(fù)荷的供電系統(tǒng)，宜由兩回線路供電。三級負(fù)荷可按約定供電。

按照需要系數(shù)法可以得出設(shè)備組的計算負(fù)荷：Pjs=KxPe。 將各設(shè)備組的計算負(fù)荷相加，變得到了變壓器所帶設(shè)備總計算負(fù)荷。對于單相負(fù)荷與三相復(fù)合同時存在時，應(yīng)將單相負(fù)荷換算為等效三相負(fù)荷，再與三相符合相加。

用電設(shè)備的需要系數(shù)、功率因數(shù)等可以從設(shè)計手冊中查得，此處不再贅述。

在負(fù)荷計算時，還要考慮如下幾點：

（1）同時系數(shù)。對于不同時使用的設(shè)備該設(shè)備容量不應(yīng)重復(fù)計算。

（2）季節(jié)性負(fù)荷。對于季節(jié)性負(fù)荷，應(yīng)充分考慮與該設(shè)備的運行工況，避免重復(fù)計算。比如地鐵中的冷水機(jī)組和電伴熱設(shè)備。冷水機(jī)組為夏季制冷時使用，而電伴熱設(shè)備為冬季時為保護(hù)設(shè)備管線等使用，兩種設(shè)備容量不應(yīng)累計。

（3）消防設(shè)備。當(dāng)消防設(shè)備的計算負(fù)荷大于火災(zāi)時切除的非消防設(shè)備的計算負(fù)荷時，應(yīng)按消防設(shè)備的計算負(fù)荷加上火災(zāi)時未切除的非消防設(shè)備的計算負(fù)荷進(jìn)行計算。當(dāng)消防設(shè)備的計算負(fù)荷小于火災(zāi)時切除的非消防設(shè)備的計算負(fù)荷時，可不計入消防負(fù)荷。

根據(jù)負(fù)荷計算表，即可計算出所需變壓器的容量，同時確定進(jìn)線開關(guān)的大小以及電容的大小。

表2為變壓器的選擇（僅列出一段母線變壓器計算方法）。

表3為電容器的選擇（僅列出一段母線電容器計算方法）。

表2

表3

一般正常工況下的變壓器負(fù)荷率在 70%~80%比較合適，故障情況下只要一臺變壓器能夠滿足全部一二級負(fù)荷即可。

2 負(fù)荷計算與實際變壓器負(fù)載率的差異

2.1 地鐵變壓器負(fù)載率現(xiàn)狀

從目前北京地鐵調(diào)查狀況來看，各車站配電變壓器的選擇偏大，正常運行時段的負(fù)載率較低，運行實測負(fù)荷情況遠(yuǎn)低于其設(shè)計計算負(fù)荷。各站配電變壓器在正常運行時段變壓器負(fù)載率均低于30%。地鐵二號線全線平均負(fù)載率為23%。在正常運行時段（6∶00~23∶30），80%以上的配電變壓器的負(fù)載率低于30%以下，只有不到20%的變壓器的負(fù)載率在30%~50%之間。此外，根據(jù)各車站半年的負(fù)荷統(tǒng)計計算得知，除個別車站的平均負(fù)載率略大于50%外，其他車站遠(yuǎn)低于我國目前干式變壓器 70%~80%效益最佳負(fù)載率的狀況。另外，根據(jù)調(diào)查其他城市的情況得知，廣州地鐵1號線在運行6年之后，除少數(shù)幾臺配電變壓器在正常運行時段負(fù)載率超過40%外，大多數(shù)都低于40%。經(jīng)了解，上海地鐵也同樣存在動力照明系統(tǒng)計算負(fù)荷嚴(yán)重偏大、配電變壓器負(fù)載率偏低的現(xiàn)象。

2.2 對負(fù)荷率現(xiàn)狀的分析

從上述現(xiàn)狀中可以看出，全國地鐵變壓器的負(fù)荷率都存在著偏低的現(xiàn)象，這個問題不僅增加了地鐵的一次性投資和運行成本，同時也給地鐵的運行帶來諸多不利的問題。為何計算與實際存在如此之大的偏差呢，主要從以下幾個方面考慮：

（1）在設(shè)計時，對地鐵車站內(nèi)的動力照明負(fù)荷系數(shù)的選用偏高。對于需要系數(shù)、同時系數(shù)等并沒有詳細(xì)的規(guī)定，都是設(shè)計人員根據(jù)以往的經(jīng)驗并參照設(shè)計手冊估算的。很多地鐵中使用的設(shè)備在手冊中并沒有或者使用工況不同。目前，各設(shè)計院仍采用工業(yè)和民用建筑的設(shè)計規(guī)范來進(jìn)行地鐵的負(fù)荷計算，導(dǎo)致計算負(fù)荷與實際負(fù)荷偏差較大。

（2）地鐵各設(shè)備專業(yè)在提出用電需求時，本身對用電量的估算是偏大的，比如通風(fēng)空調(diào)、通信信號等，它們自身專業(yè)的計算也是要比實際需求大很多的。在設(shè)計時還要考慮出預(yù)留部分，以防將來有設(shè)備的增加或用電量的增加。但這種預(yù)留究竟需要多少，各專業(yè)也是根據(jù)自己的經(jīng)驗估算的，規(guī)范上也沒有明確，因此在設(shè)計時普遍存在“大一點比少一點要安全”的理念。各專業(yè)只考慮自己預(yù)留多一些比較安全，但并不了解變壓器負(fù)荷率過低帶來的危害。

（3）對各專業(yè)負(fù)荷工況缺乏分析。下面對于可能造成負(fù)荷計算偏高的設(shè)備進(jìn)行分析：

對于消防負(fù)荷：上面說到不應(yīng)重復(fù)計算，因為在火災(zāi)情況下非消防負(fù)荷需要切除，變壓器只帶消防負(fù)荷。故不應(yīng)簡單的把消防負(fù)荷疊加到計算負(fù)荷中。

對于車站屏蔽門的負(fù)荷：根據(jù)實測，屏蔽門的負(fù)荷只是在開起與關(guān)閉期間，也只是在機(jī)車到站時的3s和離站前的3s期間屏蔽門電動機(jī)才消耗電能，其他關(guān)閉時間內(nèi)電動機(jī)基本上不消耗電能的。即便是按遠(yuǎn)期行車密度30對/h計算，屏蔽門的驅(qū)動設(shè)備的額定負(fù)載持續(xù)率也低于20%。對于此種短時工作制的電機(jī)設(shè)備，應(yīng)換算到統(tǒng)一負(fù)載持續(xù)率下的有功功率，不應(yīng)簡單的把設(shè)備負(fù)荷進(jìn)行疊加。各車站的污水泵、雨水泵、廢水泵等，其運行受天氣的影響很大，同樣也屬間歇性負(fù)荷，如按長期運行負(fù)荷計算也會高估負(fù)荷情況。

對于車站內(nèi)電扶梯的負(fù)荷：根據(jù)地鐵客流特性，扶梯下行客流為持續(xù)低流量客流，下行時扶梯處于低負(fù)荷和空載狀態(tài)。上行為間歇性客流，間歇時間與行車間隔有關(guān)，上行時處于短時周期性高負(fù)載率狀態(tài)。在無人情況下電扶梯是以50%的低速在運行，其耗能按理論計算僅為原來功率的1/8。因此，地鐵電扶梯的運行特點與其他民用和商用電扶梯相比具有自己的負(fù)荷特性，因此電扶梯組的需用系數(shù)與民用和工業(yè)設(shè)計也大不相同，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)降低。

對于隧道風(fēng)機(jī)的負(fù)荷：地下車站動力負(fù)荷較大的原因之一是各車站風(fēng)系統(tǒng)中4臺隧道風(fēng)機(jī)。根據(jù)隧道的不同情況，通常風(fēng)機(jī)的功率設(shè)計為90~110kW。隧道風(fēng)機(jī)只是在兩種情況下才啟動運行：一是在早、晚運行前后半小時各開起一次風(fēng)機(jī)，運行 30min，用于抽排隧道區(qū)間的廢氣；二是事故狀態(tài)（或火災(zāi)狀態(tài)）下機(jī)車阻塞在隧道區(qū)間內(nèi)，向區(qū)間內(nèi)送風(fēng)或者火災(zāi)事故排煙。在第一種情況下，風(fēng)機(jī)每天僅運行一或兩次，每次運行時間很短；而第二種情況（事故狀態(tài)）下的送風(fēng)和排煙的幾率更少。但是隧道風(fēng)機(jī)由于承擔(dān)了事故狀態(tài)下的防排煙功能，要列為一類負(fù)荷來計算，這樣4臺風(fēng)機(jī)的需用系數(shù)應(yīng)該如何考慮是值得研究的。

3 結(jié)論

變壓器的鐵損不隨負(fù)荷變化，而銅損則與通過電流的平方成正比。在變壓器運行中，我們通常以空載損耗和負(fù)載損耗作為衡量變壓器損耗的兩個重要參數(shù)。變壓器制造廠設(shè)計時負(fù)載率低于30% 的負(fù)載或輕載時變壓器經(jīng)濟(jì)性最差。50%的負(fù)載率不是節(jié)能的最佳狀態(tài)。考慮到初裝費、變壓器、低壓柜、土建投資及各項運行費用，又考慮變壓器在使用期間內(nèi)預(yù)留適當(dāng)?shù)娜萘浚儔浩髫?fù)載率在70%~80%之間較為合理，這樣既充分利用了變壓器又減少了其他投資。因此，我們在以后的變壓器負(fù)荷計算中，應(yīng)充分考慮變壓器負(fù)荷率的問題，了解各用電設(shè)備的各種工況，對需要系數(shù)、同時系數(shù)、功率因數(shù)的選取要盡量貼和實際，各用電專業(yè)在提用電需求時也應(yīng)以滿足功能需求為基礎(chǔ)，不要預(yù)留太多容量。

現(xiàn)在大力倡導(dǎo)節(jié)能，在地鐵設(shè)計中也應(yīng)遵循這一原則，變壓器是地鐵中耗能較大的一部分，在變壓器上可以節(jié)約的能源很多，我們應(yīng)當(dāng)充分認(rèn)識到這一點。盡量發(fā)揮變壓器的性能，使其經(jīng)濟(jì)性、可靠性、效率都達(dá)到一個較高的平衡點，使地鐵配電設(shè)計上升一個新臺階。

[1]地鐵設(shè)計規(guī)范.中國計劃出版社, GB/T 7260.3-2003主編單位:北京城建設(shè)計研究總院.

[2]供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范.中國計劃出版,GB50052-95主編單位:中華人民共和國機(jī)械工業(yè)部.

[3]10kV及以下變電所設(shè)計規(guī)范. 中國計劃出版社,GB50052-95. 主編單位:中華人民共和國機(jī)械工業(yè)部.