地鐵車站負荷計算方法的探討

李家旭

摘 要：目前國內地鐵車站動力照明系統的配電變壓器負載率普遍偏低，大多在30%以下。文章通過分析現有負荷計算方法在地鐵工程中存在的問題，結合地鐵車站的運行模式，探討符合地鐵車站特性的負荷統計思路和方法。

關鍵詞：地鐵車站；負荷；負載率；模式

中圖分類號：U231 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）20-0077-02

B1 現行的負荷計算方法

計算負荷也稱最大負荷，是一個假想的持續負荷，其熱效應與同一時段內變動負荷所產生的最大熱效應相等。需要系數法源于對負荷曲線的分析，是一種經驗法，尤其適用于配變電所以及長期平穩運行的負載。需要系數法因簡便、權威，在工民建設計中被廣泛使用，是低壓配電設計主流的負荷計算方法。因而在地鐵車站的配電設計中，也被廣泛采用。

需要系數法的計算過程為：用電設備功率乘上需要系數得出設備組的計算功率（需要功率），然后多個設備組的計算功率加和再乘上同時系數。即：

需要系數法的準確性源于對大量的工民建設備負荷的統計和分析，各設備的需要系數的確定與其運行特點密切相關。而地鐵車站與一般工民建不同，其自有一套獨特的運行模式，如果直接套用需要系數法，計算結果與實際運行將會有很大差別。表1為國內某線地鐵車站動力照明系統設計時所選用的需要系數。

根據以上系數計算，一般地下兩層標準站的計算有功功率多在1600kW以上，考慮到規范要求長期工作負載率不宜大于85%，故變壓器容量多選2×1000kVA或2×1250kVA。

2 地鐵車站設備的運行模式

地鐵車站內主要的設備類別有：通風空調設備、給排水設備、站臺門、電扶梯、照明、以及通信、信號以及綜合監控等弱電系統設備。要準確計算出車站的計算負荷，就需要掌握各類負荷的運行模式，不能對負荷進行簡單的加和再乘系數。圖1為廣州某站各系統夏季實際能耗與提資額定功率的比例。

由圖1可知各系統設備的實際運行負荷遠低于向動照（低壓配電）專業提資的容量需求。造成以上原因有二，一是考慮裕量備用，二是對于系統內及系統間的配合及模式不了解。

2.1 通風空調及給排水設備

通風空調設備負荷占到車站總負荷的一半以上；其一般分隧道通風系統（隧道風機、軌排風機）、大系統（公共區空調與風機）、小系統（設備區空調與風機）、水系統（為空調設備提供冷源）以及備用系統（設備區重要房間的備用空調）。隧道風機理論上只在車站運營時段外早晚開啟各半個小時，或在站臺以及區間火災時才會開啟。軌排風機一般為列車進站時開啟，離站后關閉。大系統的空調與風機一般采用變頻調控，在夏季早晚高峰時間才會全功率運行，其他時段運行功率約在額定功率的0.3～0.6之間。水系統設備與大系統類似，只是平峰時期還要為小系統提供冷源，所以負載持續率略高約在0.5～0.8之間。小系統設備在運營時段一般設計全功率運行，但需注意的是備用系統與小系統某些設備在功能上重合，兩者不同時運行，在計算時不可疊加。按此計算，一般地下兩層標準站夏季最高通風空調負荷約為450kW。

給排水設備主要有消防泵、主廢水泵、出入口集水泵、敞口風亭雨水泵、污水泵等。消防泵為消防專用設備。排水排污泵屬于短時工作制負荷，多采用液位控制，啟泵后半個小時內一般即可將坑內水抽排到停泵水位以下。

2.2 站臺門及電扶梯設備

站臺門屬于周期工作制負荷，只在開啟和關閉的過程才會有電能消耗，此開、關過程耗時一般不超過10s，按照遠期行車密度（多為全程+區間）30對/小時計算，負載持續率約在18%。

電扶梯的功率與提升高度有關，滿載額定功率按每節梯階站兩人計算；現多采用變頻控制，在無人時以低速運行，理論能耗為額定功率的1/8左右。一般地下站，從站臺到站廳以及出入口通道到地面皆設有電扶梯，當人員從站廳扶梯上踏步出閘走到出入口扶梯下踏步的時間，站臺人員基本可以全部從站臺上到站廳；即可以認為站內扶梯與出入口扶梯錯峰運行。

2.3 照明及通號等弱電系統

車站照明分公共區和設備區照明，（一般地下車站）公共區照明不設就地控制，在早晚高峰時全部打開，平峰時間通過節電措施，關閉或者降功率運行；設備區照明一般設就地面板開關，除車控室等有人值守房間，其余房間燈具一般處于關閉狀態。

通信、信號、綜合監控、自動售檢票等系統專業設備因此往往自成系統，低壓配電專業對其內部各小系統及模塊負荷分配情況難以掌握。但是按照以上弱電系統提資及實際功耗對比，可知其所提的用電容量需求往往為各子系統及模塊額定功率總的和值。

3 地鐵車站的負荷計算

負荷計算的目的是求得最接近實際的同時運行的最大負荷。與工民建設計不同，地鐵車站各系統的運行模式是確定、往復的。下面就消防與非消防時各自最大模式進行探討。

3.1 消防模式

根據《地鐵設計規范》，一條地鐵線一時間段內僅考慮一處火災，并規定的車站消防疏散時間為6分鐘。當火災發生在車站時，所有非消防二三級負荷會被切除，與消防以及行車安全等無關的一級負荷也會被切除（視設備情況立即或延時切除），并由FAS系統及BAS系統聯動相關消防設備。

車站參與消防的主要有隧道風機、軌排風機、大小系統排煙風機、補風風機、消防泵、氣滅裝置等等。由于僅考慮一處火災，著火點位置不同，聯動的設備也不同（主要為通風空調設備不同）。根據通風空調的運行模式表，其系統最大設備功率發生在站臺層公共區火災時。此時要啟動的設備一般有隧道風機、軌排風機、大系統排煙風機、疏散樓梯及車控室補風加壓風機，此類設備總功率約在350kW。

消防泵及消火栓在火災初期時為站內人員自救用，按照規范僅考慮2處消火栓同時使用，當消火栓噴出來的水流到主廢水泵房，并達到啟泵水位時，站臺門已經開啟到位，站臺乘客也基本疏散到站廳或地面；即廢水泵與站內電扶梯可按非同時使用負荷考慮。

即火災初期：P總=P弱電（除AFC、PIS）+P通風排煙+P照明+P站內扶梯+P消防泵。

6分鐘后人員疏散完畢，站內扶梯可以停運，此時公共區照明以及民用通信等亦可以被切除（以保障消防人員進場后不會因噴水而加大觸電風險），此時有：

P總=P弱電（除AFC、PIS、民用通信等）+P通風排煙+P應急照明+P廢水泵+P消防泵。

3.2 非消防模式

非消防模式，即平時正常運行情況。據第2節的運行模式分析，車站用電設備最大運行負荷應該為夏季的早晚高峰，此時通風空調設備功率最大。此時有：

P總=P弱電+P通風空調+P照明+P扶梯+P水泵+P站臺門+P水泵+P檢修及生活用電。與消防模式相比非消防模式最大負荷明顯大于消防模式。

3.3 基于地鐵運行模式的需要系數法

經前文的闡述和比較，可以得出車站負荷計算主要考慮非消防時夏季早晚高峰運行的負荷。在知曉了各系統設備的運行狀況后，可以結合需要系數法對各類設備進行分組負荷計算。

3.3.1 弱電系統

由圖1可知弱電系統負荷的“水分”還比較多，可以通過需要系數及同時系數進行約束，可令P弱電=K∑p×∑（Kd×Pr），式中K∑p及Kd可分別取0.6。

3.3.2 車站照明

車站公共區照明負荷應據實統計，并以規范的推薦功率密度值進行復核。設備區照明設備應考慮同時系數，因為大部分設備房平時并不需要照明，僅在房間內需要巡視、檢修時候才打開，即：P照明=P公共區+K∑p×P設備區。

3.3.3通風空調

如前文所述，通風空調系統負荷在高峰時間由各個滿功率運行的設備相加而得，此時不需要乘需要系數。

3.3.4 站臺門和扶梯

如前文所述，站臺門和電扶梯都屬于周期工作制，故在計算時，需將功率轉換成連續工作制下的功率：Pe=Pr×■。站臺門持續負載率取0.18；一般車站出入口扶梯總數量比站內多，即滿載運行時間較站內扶梯短，故站內扶梯ε值可取0.5；站外扶梯ε值可取0.25。由于站內外扶梯錯峰運行，故計算扶梯設備組時需要乘上同時系數：Pc=K∑p×∑（Pe內+Pe外）；同時系數K∑p可取0.4～0.5。

3.3.5 水泵

車站水泵為短時工作制，啟泵后一般在半個小時內可以將水排至停泵水位以下，故將設備功率轉換成連續工作制時，根據配電手冊，ε值可取0.15，即Pe=Pr≈0.39Pr。此外由于風亭、出入口的排水泵直接降水排往市政管網，不匯集到站內主廢水泵，故各個水泵間還需乘同時系數。

3.3.6 檢修電源及插座等

車站機房及區間都設有檢修電源箱，而區間檢修電源箱一般在晚上使用，可忽略。車站機房檢修電源箱只考慮一處使用，且多是在設備故障停運后才會使用，故此亦可以忽略。至于插座，公共區插座一般為自動售貨或自助查詢用，設備功率較小。設備區插座亦多為運營人員充電或者其他零散小負荷用，小動力箱計算時需要系數取0.2基本可以包住。

3.3.7 最大運行負荷

上述系統、設備在夏季高峰時期可能同時運行，將各設備組及其他零散負荷（乘需要系數后）的計算功率直接相加，即可得車站用電設備的最大運行負荷，即計算負荷。但需注意的是，車站用電高峰持續的時間每天約4小時。如果以此值作為全天穩定的計算負荷，按80%負載率選取變壓器，則在平峰時間，變壓器負載率又會有所降低。

4 結束語

地鐵車站配電變壓器負載率低下，一直為大家所詬病。追本溯源，還是各專業所提用電需求裕量太大，且沒有很貼合地鐵工程的負荷計算方法，缺乏統一標準。從地鐵運營模式出發，通過對運營線路各專業設備用電量實測值的分析，修整需要系數的取值，是為行之有效的方法。

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