城市軌道交通配電系統設計中的節能措施

文│北京市軌道交通設計研究院有限有公司 李曉寧 彭繼紅

1 引言

軌道交通在北京市公共交通工具中所占份額巨大，且具有安全舒適、快速環保、運能大和能源消耗少等特點。相對于其他出行工具，如小汽車、公交車，軌道交通本身就具有重要的節能減排意義。但是由于軌道交通總耗電量巨大，仍存在一定的節能潛力，城市軌道交通的節能減排工作依舊十分重要。

城市軌道交通屬于非常重要的公共設施，軌道交通中采取的節能措施應在充分滿足、完善軌道交通功能要求的前提下，減少能源消耗、提高能源的利用率，減少無謂消耗的能量，但決不能為了節能而降低其功能標準。本文從減少無謂消耗的能量方面入手，從軌道交通配電系統設計方面分析可采取的節能措施。

2 合理的進行負荷計算

在軌道交通中，通過負荷計算可合理選擇變壓器的容量，實現經濟運行，減少由于輕載運行造成的不必要電能損耗，通過減少變壓器的有功損耗，從而達到節能的目的。

2.1 有功損耗的計算

變壓器的有功損耗按下式計算：Δ Ρ=PO+Pk×β2，式中，Δ Ρ為變壓器的有功損耗(kW)；PO為變壓器的空載損耗（kW）；PK為變壓器的短路損耗（kW）；β為變壓器的負載率。

（1）變壓器的空載損耗：PO作為變壓器的空載損耗又稱鐵損，它是由鐵芯渦流損耗及漏磁損耗組成，其值與鐵芯材料及制造工藝有關，與負荷大小無關，所以在選用變壓器時最好選擇高效低能耗型變壓器，如S9、SL9、SCB9等。

（2）變壓器的短路損耗：Pk是變壓器額定負載傳輸的損耗又稱變壓器線損，它取決于變壓器繞組的電阻值及流過繞組電流的大小，并與負荷率平方成正比。因此在選擇變壓器時應選用阻值較小的繞組，如銅芯變壓器。選擇變壓器時，應盡量減少變壓器的臺數，選用適當的大容量變壓器。

2.2 提高變壓器的負載率

綜合初裝費，變壓器、高/低壓柜、土建投資及運行費用，還要使變壓器在使用期內預留適當余量，變壓器最經濟節能運行的負載率一般應在75%～85%之間。在這方面軌道交通配電系統設計大有潛力可挖，地鐵中配電變壓器的負荷率較低。計算時，應選用合理的計算系數，提高變壓器的負載率，使其經濟節能地運行。

地鐵內的負荷具有階段性的特點，季節性較強。對于地鐵內配電變壓器容量的選擇應滿足車站用電負荷的運行要求，即當一臺配電變壓器故障或檢修退出運行時，另一臺配電變壓器容量應能滿足全部的一、二級負荷用電。另外，除了考慮一般照明和動力負荷的用電之外，還需適當預留廣告照明及物業開發用電，為方便運營管理，可以對廣告照明及物業開發用電部分設置專用回路單獨計量。由于軌道交通相關設計規范沒有明確規定地鐵配電系統計算負荷的方式，而地鐵車站內各類用電負荷作為一種新型的負荷類型，其特點還沒有得到充分認識，導致計算過程中對重要負荷所需系數的選取差異較大。若參照工業和民用建筑的設計規范來進行地鐵的負荷計算，則會導致計算負荷與實際負荷嚴重不符。地鐵車站內的負荷往往是按照遠期考慮（30年后）來進行計算的，由于遠期動力照明負荷未比初期和近期增量成熟太多，而且還有樣板可以參照，規范上也沒有明確，又由于在設計時普遍存在“負荷計算大一點更安全”的理念，從而導致變壓器負荷率較低。通過合理的負荷計算研究，力求使軌道交通中配電變電器實際負荷接近最佳設計，同時還能滿足軌道交通遠期負荷要求，以達到變壓器的節能目的。由此可見，通過合理的負荷計算，選用高效低能耗的變壓器對于節能是非常重要的。

3 減少線路上的能量損耗

減少線路上的能量損耗也可以達到節能的目的。眾所周知，由于配電線路上存在電阻，所以在有電流通過時，就會產生有功功率損耗。軌道交通是一個綜合性的大工程，線路上的總有功損耗是相當可觀的，若減少線路上的能耗，那就必須在設計中予以重視。

3.1 減少線路電阻

線路上的電流是不能改變的，要減少線路損耗，只有減小線路電阻。線路電阻R＝P×L / S，即線路電阻與電阻率P成正比，與線路截面S成反比，與線路長度L成正比。因此減少線路的損耗應從以下幾方面入手：應選用電導率較小的材質做導線，而地鐵內一般選用銅芯電纜或者銅芯導線；可縮短導線長度，合理配置軌道交通車站建筑形式，使變配電所的位置位于負荷中心，合理設定配電電纜豎井的位置，使得變配電所的進/出線路由方便縮短電纜、母線的長度，減少線路損耗，盡可能減少回頭輸送電能的支線，從而達到節能的目的；還應增大導線截面，對于比較長的線路，除滿足滿載流量、熱穩定、動穩定、保護的配合及電壓損失所選定的截面，再加大一級導線截面，所增電纜購置費用可以在電纜使用年限中回收成本，這種方法主要適用于較大截面的電纜。

3.2 進行無功措施，減少線路電流

進行無功補償，可以采用集中無功自動補償和分散無功補償措施，來提高功率因數、降低線路損耗。有條件時，設備可進行就地補償，提供用電設備的功率因數，降低線路的運行電流。

有功功率是滿足設計功能所必須的且不可變的重要因素。系統中的用電設備，如電動機、變壓器、線路、氣體放電燈中的整流器等都具有電感，會產生滯后的無功，需要從系統中引入超前的無功功率相抵消，這樣超前的無功功率就會從系統經高、低壓線路傳輸到用電設備，在線路上產生有功功率損耗，而這部分損耗是可以通過提高設備的自然功率因數獲得的。熒光燈可采用高次諧波系數低于15%的電子鎮流器，自帶電容補償，如此就可以減少系統高、低壓線路傳輸的超前無功功率。由于感抗產生的是滯后的無功功率，可采用電容器補償，因為電容器產生的是超前的無功，兩者可以相互抵消，即Q＝Q L－QC，進行無功補償可以提高功率因數，因而也減小了無功的需求量。當有條件時，無功補償裝置應就地安裝，進行就地補償，這樣才能使線路上的無功傳輸減少，達到節能的目的。當然地鐵中還可以采用有源濾波設備，抑制諧波電流在線路中的含量，以達到降低線路損耗的目的。

4 照明設計中的節能措施

在軌道交通照明設計方面的選擇上，宜選擇高效、節能的光源、燈具以及選用新技術燈具來達到節能的目的。照明設計規范規定了各種場所的照度標準、視覺要求、照明功率密度等，所以照度標準是不可隨意降低的，也不宜隨便提高，若要有效地控制單位面積燈具安裝功率，在滿足照明質量的前提下，一般房間（場所）應優先采用高效發光的熒光燈（如T5、T8管）及緊湊型熒光燈，高架區間及高架車站的室外照明等宜采用高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等高效氣體放電光源。地鐵配電系統中照明節能設計中的節能措施，并不是降低節能照度要求以及照明質量，而是力求降低照明系統中的光能損失，提高燈具的發光效率，最大限度地利用好電能。

4.1 采用高效光源

由于白熾燈價格便宜，安裝、維護簡單，過去應用的最為廣泛，但它因其發光率太低容易被各種發光率高、光色好、顯色性能優異的新光源取代。眼下廣泛使用的是低能耗性能卓越的光源用電附件，如電子鎮流器、節能型電感鎮流器、電子觸發器以及電子變壓器等；公共建筑場所內的熒光燈宜選用帶有無功補償的燈具；緊湊型熒光燈應優先選用電子鎮流器；氣體放電燈宜采用電子觸發器。

4.2 選用新技術燈具

目前地鐵內部采用的節能熒光燈基本上取代白熾燈，并適時的引入了LED燈具，在軌道交通中的高架車站及區間選用新型能源燈具，如太陽能燈具，而軌道交通中的高架車站及高架區間應該充分利用自然采光。

4.3 合理的日常控制

在日常運營中，一般多通過對地鐵照明設備的合理控制來達到節能的目的，比如說，地鐵內公共區照明一般分為工作照明、節電照明、應急照明、廣告照明、景觀照明（主要為高架站），附屬用房區主要分為一般照明、應急照明。

公共區燈具可以采取高峰時段、非高峰時段兩種模式，在高峰時段公共區照明全開，非高峰時段公共區照明關掉一半，從而達到節能的目的，對于地鐵中附屬用房（包括設備機房和辦公用房）照明（包括附屬用房區域內的應急照明）宜設置就地控制開關，對于房間內的應急照明采用強啟開關模式，日常時可以關閉應急照明，發生火災時應急照明可以強制點亮，不影響應急照明的功能需求。另外，地鐵內可以采用比較成熟的智能照明控制系統，針對地鐵車站內、公共區內的功能以及每天不同時間的用途和場景，可對所設定區域內的燈具進行智能控制，滿足各種環境對照明的控制要求。其中機場線就采用了松下照明的智能控制系統，對公共區內的燈具進行調光，不同時間調整不同的亮度。站廳、站臺、出入口的公共區照明、標志照明、地面廳照明、廣告照明等可在車站綜控室由BAS控制，也可在照明配電室內進行控制。公共區的疏散照明為長明燈，不設控制。附屬用房的正常照明及應急照明均采用就地控制，應急照明采用雙控開關，火災時由FAS進行強啟。

5 選用先進節能的電機電氣設備

選用先進節能的電機電器設備。電扶梯及大型風機、水泵等采用變頻控制或采用軟起動器，節約設備用電。從運營管理上，當車站高峰過后，可以關閉部分公共照明設備，變頻電扶梯低速運行，這樣也可以達到節能的目的。

5.1 采用變頻器

采用具有變頻調速功能的公共交通重載荷型自動扶梯，其特點是當扶梯空駛一段時間后，會自動將速度由0.65m/s切換到0.13m/s的節能運行速度。當有人乘坐扶梯時，通過傳感器感知后，其內部變頻器將控制扶梯由0.13m/s平穩過渡到0.65m/s的正常運行速度，保證及時將乘客送至目的地。

由于地鐵中通風空調設備及給排水等系統電機設備都是成套的設備，節能措施只能貫徹在運行過程中，除了上述用就地補償電容器的方法減少線路因輸送超前無功而引起的有功損耗外，還應減少電機的輕載和空載運行。風機采用變頻器，通風空調系統的設備一般按遠期高峰小時運行情況進行配置，而系統負荷隨列車的對數、客流的變化而變化。在運行初期、近期客流及行車對數遠沒有達到設計水平，因此設備容量有較大的富裕量；同樣在非高峰時段的系統負荷與高峰時段相比也有較大的差距，并存在設備容量富裕的問題。若采用變頻調速器可使設備在負載下降時，自動調節轉速，使其與負載的變化相適應。采用這種方式，可提高電機在輕載時的效率，以達到節能的目的。

5.2 采用軟起動器

由于變頻設備的價格仍偏高，因此在應用中會受到一定的限制。另一種節能方式是采用軟起動器，該設備通過按起動時間逐步調節可控硅的導通角，控制電壓的變化。由于電壓可連續調節，因此起動平穩，起動完畢后則全壓投入運行。此設備也可采用測速反饋、電壓負反饋或電流正反饋，利用反饋信息控制可控硅導通角，以達到速度隨負載的變化而變化。它可用于電動機容量較大，又需要頻繁啟動的設備，以及附近用電設備對電壓的穩定要求較高的場合。因為它從啟動到運行，其電流變化不超過三倍，可保證電網電壓的波動保持在所要求的范圍內。但它是采用可控硅調壓，正弦波未導通部分的電能將全部消耗在可控硅上，不會返回電網。軟起動器價格比變頻器便宜，適宜在水泵系統大容量電動機的控制設備中應用。

5.3 采用先進的綜合監控系統

采用綜合監控系統對全線各車站內的變配電系統設備、通風空調系統設備、給排水系統設備、電梯系統設備、照明系統設備進行綜合性的監控與調度管理。可以對全線變電所系統的基礎設備進行集中管理，并根據不同季節、各車站不同的客流情況、室內外的環境情況，通過綜合監控系統程序的合理設計，對運營調度人員進行合理組織，減少能耗損失。

6 建議

加快開發高效、低耗的新型設備，改善設備系統對目前城市軌道交通能耗大、能源利用效率較低的現狀。

建立城市軌道交通設計節能標準。目前國內尚沒有相關城市軌道交通設計節能標準。城市軌道交通應根據不同地區的氣候特點，逐步建立完善出各種能耗標準，來指導與考核工程節能設計，并以此作為項目審批的首要條件。

提高城市軌道交通裝備節能標準。目前，城市軌道交通尚沒有專用的節能標準，通常只是套用一般樓宇建筑設備的節能標準。考慮到軌道交通的特殊性與影響性，其標準應高于一般樓宇建筑設備的標準，應對城市軌道交通裝備的能耗標準進行嚴格規定，以便在設計選型、設備采購時有據可依。

鼓勵城市軌道交通采用新型能源。隨著科學技術的發展，太陽能、地熱能源、海洋能源、風能等新型能源已開始應用于眾多行業，對于城市軌道交通來說，屬于城市公共交通，耗能量巨大，若能合理使用這些新型能源，會產生很好的經濟和社會效益。所以在設計中應緊密跟蹤各種新型能源的發展狀態，適時的將太陽能、風能等引入城市軌道交通建設。

加強城市軌道交通運營節能管理，城市軌道交通的能耗水平除了與設施是否先進有關，還與運營節能管理是否到位密切相關。運營部門應充分了解設備系統的節能設計思想，按照設計模式進行系統控制，并根據具體情況進行優化。

節能涉及到多項專業技術，應以消耗有限的能源來取得最大的經濟利益為目標，充分調動各方面積極因素，把節能分析、節能設計、節能管理緊密結合起來，保證各種節能設施的正常運轉，并將節能作為建設決策的重要標準，達到降低綜合能耗指標的目的。

7 結束語

綜上所述，城市軌道交通配電系統的節能潛力非常大，應在設計過程中通盤考慮。但是在選用節能的新設備時，應在具體了解其原理、性能、效果，并從技術、經濟方面進行分析比較后，再做出決定，從真正意義上實現節能的目的。

【1】 GB/T 7260.3-2003 《地鐵設計規范》.北京城建設計研究總院.中國計劃出版社.

【2】 GB 50052-95 《供配電系統設計規范》.中華人民共和國機械工業部.中國計劃出版社.

【3】 GB 50053-94 《10kV及以下變電所設計規范》.中華人民共和國機械工業部.中國計劃出版社.

【4】 ISBN 7-5083-3034-X 2005 《工業與民用配電設計手冊》.中國電力出版社.

【5】 ISBN 7-80177-169-9 2003.2 《全國民用建筑工程設計技術措施——電氣》.建設部工程質量安全監督與行業發展司，中國建筑標準設計研究所.中國計劃出版社.