軌道交通車站用電負荷計算探討

譚瓊亮

軌道交通車站用電負荷計算探討

譚瓊亮

分析了軌道交通車站用電負荷的構成和車站各用電設備組的運行特性，結合以往運營經驗，確定了各用電設備組需要系數的選取。

低壓配電；需要系數；用電負荷計算

0 引言

軌道交通用電負荷分為運營車輛及其輔助設備所消耗的牽引負荷和車站與區間的動力照明負荷。牽引負荷與車輛用電特性、客流、線路、列車編組、運行圖、信號方式等因素密切相關。動力照明負荷主要由通信、信號、通風與空調、給排水、扶梯等負荷構成，旨在保證軌道交通安全運行和為乘客提供舒適的環境，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。

牽引系統的運行模式相對單一，經過直流牽引供電系統仿真，牽引負荷可以相對準確地估計。動力照明負荷的計算相對復雜，與軌道交通機電系統的運行模式密切相關。本文將重點分析車站動力照明負荷的構成及其負荷計算，有助于確定各用電設備組的需要系數，合理選擇配電變壓器容量。

1 車站負荷構成

軌道交通車站負荷根據其變化性可以分為2大類。一類屬于系統性負荷，它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，全線基本一致，該類負荷主要由電子與計算機類負荷構成。另一類負荷根據車站的規模和功能定位，以及通風與空調系統的設置（集中供冷、分散供冷），變化比較大。該類負荷主要由照明類和電動機類負荷構成。具體負荷分類[1]詳見表1。

表1 軌道交通車站機電設備用電負荷劃分一覽表

2 各系統用電負荷計算

2.1 通風與空調系統設備組

通過分別對車站通風與空調系統處于早/晚運行模式下、正常運營時在全新風空調模式下、發生區間阻塞同時車站處于全新風空調模式下、區間發生不明火災時車站通風空調系統的最大計算負荷進行計算和分析，通風與空調系統的最大負荷出現在當車站在全新風空調模式運行，區間發生阻塞，車站其他系統不降級運行，區間隧道通風系統（4臺）投入運行時段。由于阻塞運行的時間可能超過0.5 h，因此在進行車站35 kV變電所負荷計算時，宜按照區間阻塞時的最大需要功率進行計算。

筆者通過對多個典型車站的通風與空調系統設備組的需要系數進行分析計算后認為，地下車站通風與空調系統設備組的需要系數可以取0.6～0.8；對于分散供冷的中大規模車站，通風與空調系統設備組的需要系數可以取0.6～0.65；對于集中供冷的中等規模車站，通風與空調系統設備組的需要系數可以取0.7～0.75；當防排煙設備基本獨立設置時，設備組的需要系數可以取0.7；當防排煙設備大部分合并設置時，設備組的需要系數可以取0.75；對于小規模的集中供冷車站，設備組的需要系數可以取0.8；對于高架車站，除了防排煙設備，在最大負荷時所有風機設備均有可能同時達到額定負荷，因此高架車站通風與空調設備組的需要系數主要為設備的需要系數，一般取0.8。

2.2 給排水與消防系統設備組

車站給排水系統由污水泵、廢水泵、風亭/出入口雨水泵組成，該系統的運行受天氣影響較大，具有一定的隨機性，屬于間歇式的運行模式。除非發生特大暴雨或者漏水事件，排水系統的所有設備投入使用，處于最大負荷運行；根據現在的設計方案，平時最多只有一半的設備投入使用。結合《民用建筑電氣設計手冊》提供的設計經驗，車站給排水用電設備的需要系數為0.6～0.7。

2.3 扶梯、屏蔽門、防淹門系統設備組

2.3.1 扶梯

（1）扶梯設備的運行特性分析。根據軌道交通車站客流特性：扶梯下行客流為持續低流量客流，扶梯上行客流與行車間隔密切相關，為間斷性的高密度客流。因此，下行扶梯一般處于低負荷率狀態或者接近空載狀態；上行扶梯一般處于短時周期性的高負荷率（接近75%）狀態。

空載時扶梯的上行功率和下行功率基本接近，空載電流約為25 A，空載功率約占額定功率的41.6%，功率因數約為0.64。上行扶梯接近75%負載率時的最大電流為39 A，此時的負載功率約占額定功率的65%。扶梯下行時，乘客的重力勢能轉化為動能，用以克服扶梯的下行運行阻力；下行扶梯的負載率越高，扶梯的耗電量越低。因此下行扶梯的空載耗電功率為下行扶梯的最大耗電功率。

（2）扶梯設備組需要系數。根據自動扶梯運行特性，扶梯設備組的需要系數可按式（1）計算：

式中，?0為自動扶梯空載負載率；?N為自動扶梯滿載運行時的負載率，0.75～1；ΣPN為自動扶梯設備組的裝機容量；Kt為設備組中的上行扶梯同時達到接近滿載運行的概率；η為扶梯電動機運行效率。

根據經驗自動扶梯空載負載率?0為41%，基本假設?N= 0.75，Kt= 1，由式（1）算得車站自動扶梯設備組的需要系數為0.60，功率因素為0.7。

2.3.2 屏蔽門

屏蔽門驅動負荷主要為直流電動機和PLC等控制設備；屏蔽門光帶為日光燈（常明）。屏蔽門開/關列車車門的開關同步運作，開門/關門的頻率由行車密度決定。在0.5 h內，左線和右線的車輛同步到站、同步離站屬于小概率事件，而且持續時間很短，一般為22.5 s，由此引起的對變壓器的沖擊可以忽略不計。

屏蔽門驅動系統屬于周期工作制的電動機負荷。按照遠期行車密度30對/h計算，屏蔽門驅動設備的額定負載持續率εr= 18.75%。屏蔽門驅動負荷的設備功率為

式中，Pm為屏蔽門驅動設備額定容量。

根據屏蔽門系統的運行規律，屏蔽門系統的需要系數可按式（3）計算：

式中，Pm為屏蔽門系統驅動負荷額定容量，PL為屏蔽門光帶負荷額定容量，η為屏蔽門系統內部電能轉化效率（主要為UPS逆變器轉化效率），取0.9。

建議屏蔽門系統的需要系數取0.65，功率因數為0.90。

2.3.3 電梯與防淹門

電梯與防淹門具有相同的運行模式，例如電梯和樓梯升降機，主要供殘疾人士或者行走不方便的旅客使用，平時多處于停機狀態，不消耗電能；防淹門設置于隧道進出水域的兩端，平時處于待機狀態，僅有檢測信號，基本不消耗電能。依據《工業與民用配電設計手冊》提供的經驗數據，軌道交通用電梯、樓梯升降機、防淹門等用電設備的需要系數可取0.18～0.22，功率因數為0.55。

2.4 照明設備組

軌道交通車站照明一般分為站廳/站臺公共區照明、車站設備區照明、廣告照明和應急照明。公共區照明按照工作方式又可分為事故照明、工作照明和節電照明。公共區照明、廣告照明和應急照明屬于常明燈；設備區照明根據工作需要決定，如車控室、站長室、站務室、警務室等房間一般常明，環控電控室、環控機房、通信電源室、信號電源室等房間僅在設備巡檢、檢修時開啟。參照《民用建筑電氣設計手冊》，站廳/站臺公共區照明、廣告照明和應急照明的需要系數取1，設備區照明的需要系數可以取0.7。

軌道交通車站中的光源設備一般為自帶補償型熒光燈，功率因數一般可達0.9以上。

2.5 其他系統設備組

通信、信號、民用通訊、警務室、主控系統、BAS、AFC、門禁系統、FAS系統等重要的計算機電子類系統一般自帶UPS電源。各個專業提供的負荷數據一般為UPS的額定容量。為了確保UPS的效率，盡可能延長UPS的使用壽命，一般推薦用戶的負載僅占UPS輸出功率的60%～70%。UPS容量一般可按式（4）計算：

式中，Sc，Pc為UPS計算容量，kV·A；PΣ為全部負荷的計算功率，kW；cos?為負載功率因數；Krel為計及環境溫度，直流電壓下降系數，設備老化系數及設計裕度的可靠系數，一般取1.33～1.53。

由式（4）可得，該類系統設備組的需要系數

式中，η為UPS系統的效率，取0.9。

由式（5）可得，需要系數為0.73～0.83，結合目前軌道交通設計的實際情況（一般按照設備最大消耗功率提供UPS的額定容量），并參照《工業與民用配電設計手冊》，軌道交通車站該類系統的需要系數可取0.75。根據蘇州軌道交通三號線UPS產品的招標資料，UPS的輸入功率因數一般大于0.9，因此該類系統設備組的功率因數通常取0.9。

3 對軌道交通降壓變電所負荷計算的建議

通過上述對車站主要機電系統的設備構成和運行方式的分析，并結合工程實際經驗，得出對軌道交通車站35 kV降壓變電所變壓器計算負荷系數選取的建議，具體詳見表2。

表2 車站變電所動照負荷計算表

表2中通風與空調系統設備組需要系數的選取范圍較大，主要與車站規模、供冷方式，系統結構及運行模式和設備配置有關，具體詳見2.1節中所述。另外，表中的二、三級小動力主要包括軌道交通車站資源開發用電的備用電源（僅占小部分）、車站保潔用電和臨時用電。

該類負荷一般在車站負荷低谷時段或者正常運營停止之后使用，根據經驗二、三級小動力用電負荷的需要系數取為0.4。商鋪、銀行用電負荷的需要系數參照《民用建筑電氣設計手冊》取為0.8。

4 結語

目前，國內軌道交通配電變壓器的容量選取普遍偏大，實際負載率偏低，造成一定的經濟浪費，本文通過對車站各用電設備組需要系數選取的分析，可讓變壓器的負荷計算更加經濟科學，為后續線路低壓負荷計算和變壓器容量選擇提供指導。

[1] GB50157-2003 地鐵設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[2] 工業與民用配電設計手冊[M]. 北京：中國電力出版社，2005.

[3] 民用建筑電氣設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

This paper analysis of the rail transit station load structure and the operation characteristics of electric equipment for the station group, combined with previous operating experience, the selection of equipment for group required coefficient of power.

low-voltage distribution; required coefficient of power; calculation of power load

U231.8

B

1007-936X(2014)04-0039-03

2014-01-20

譚瓊亮.蘇州軌道交通集團有限公司，工程師，電話：13814858514。