高鐵客運站房供配電系統設計探討

胡 峻, 劉 閔

(中信建筑設計研究總院有限公司,武漢 430014)

0 引言

近年來,隨著我國高速鐵路客運專網的規劃與建設,沿線各級城市鐵路客運樞紐的新建、改建數量不斷快速增加。 根據國家發改委《鐵路“十三五”發展規劃》,將全面貫通“四縱四橫”,推進“八縱八橫”主通道建設,高鐵站房的建設仍然方興未艾。

1 高鐵客運站房供配電系統特點分析

總體來說,高特客運站房屬于人員高度密集的公共建筑,其站房形式多變,多具有高大空間、站房內機電系統工藝復雜、接口眾多的特點。 圖1 是某高鐵客運專線的整體供電架構圖,由圖1 可以看出,高鐵客運站房供配電系統作為整個鐵路供電系統的一個組成部分,與鐵路專用的電力系統相對獨立,但又相互聯系。

鐵路客運站房的建筑規模按照高峰小時發送量人數分為特大型、大型、中型和小型站房,其供電可以引接自鐵路專用電源,也可以引接自地方電源,現對其供電系統主要特征分析如下。

圖1 某高鐵客運專線的整體供電架構圖

1.1 高鐵站房的電壓等級

高鐵站房的供電電壓等級可以是10kV、35kV或更高電壓等級,與所在地的供電電源條件、當地允許的單路最大供電容量、站房的總裝機容量等有關,表1 統計了國內幾個特大型高鐵客運站房的供電電壓等級。

國內幾個特大型站的供電電壓等級 表1

通常來說,總供電容量20 000kVA 及以下宜采用10kV 供電,大于20 000kVA 可根據經濟性比較,選擇35kVA 及以上電壓等級或采用多路10kV 電源供電。

1.2 鐵站客運站房的負荷分級

鐵路客運站房根據其規模,其主要負荷分級如表2 所示。

客運站房負荷等級 表2

由表2 可以看出,與鐵路調度安全相關的通信、信號用電供電可靠性要求最高,這類負荷通常由鐵路通信信號專用變電所供電,亦有部分中小型站根據供電條件直接引接自站房變電所;滿足鐵路運營業務需要的客運信息類用電及照明用電等級比調度安全相關的負荷低一個級別以上。

1.3 高鐵客運站房的裝機容量

高鐵客運站房由于地域、站場規模和站房形態的不同,其裝機容量指標差異很大,表3 列出了國內部分高鐵客運站房裝機容量的統計指標。

部分高鐵客運站房裝機容量及單位指標 表3

根據表3 中單位面積裝機指標可以看出,除去指標偏離比較大的中小型站房,大型以上站房總面積裝機指標多在70～130VA/m2,建筑面積裝機指標多在150～260VA/m2,整體區間跨度比其他類的建筑都要大,造成負荷指標差異的主要原因有以下幾點。

(1)站場規模及站房形態差異

高鐵客運站房總面積還包括除站房計容面積以外的高架平臺、站臺雨棚、人行通道等,各站房的站場規模及形態差異較大,而這些不同的組成部分其用電指標差距也很大,導致了單位面積裝機指標的差異較大。

(2)地域氣候差異

地域氣候差異導致空調采暖負荷差別較大,且一些地區具有市政冷熱源條件,對用電負荷造成較大影響。

(3)商業占比差異

高鐵站房內通常會配套建有商業設施,由于商業用電特別是餐飲類商業用電容量較大,故商業面積占比對站房總體單位面積裝機容量影響較大。

2 高鐵客運站房供配電系統方案比選

在高鐵客運站房供配電系統前期方案設計中,應根據項目的具體情況,進行必要的技術方案比選,以確定更優方案,主要包括以下幾個方面。

2.1 電源方案比選

電源方案首先取決于所在地的市政條件及單路電源允許的最大供電能力要求,以10kV 供電電壓等級為例,如當地單路10kV 最大允許供電容量10 000kVA,在不同電源回路及運行方式下,系統的最大可供容量如表4 所示。 其典型接線形式如圖2所示。

高鐵客運站房電源數量及運行方式比選 表4

因此,結合站房項目的總用電負荷估算、當地允許的最大單路供電能力、系統的可靠性要求等,可以選取相對較為經濟可靠的電源方案。

2.2 供配電系統架構比選

客運站房供配電系統的架構對于整個系統的可靠性、經濟性影響較大,對于高壓供電系統來說,其配電級數不宜超過二級,對于高鐵客運站房建筑,常用的系統架構主要分為主分直配式和二級配電式,二種方案的比選如表5 所示。 二種供電系統架構的簡要示意圖如圖3。

鐵路客運站房供配電系統架構比選 表5

當站房規模相對不大時,宜優先采用主分直配式;站房規模較大,且有多業態管理需求時,可采用二級配電式,亦可根據實際需求采用主分直配和二級配電架構混合組網的方式。

2.3 變配電所設置方案比選

高鐵客運站房變配電所的設置方案包括變電所的布局、變壓器分組及臺數的選擇等,應結合客運車站的建筑形態、功能業態、負荷容量、建筑及管線敷設條件來綜合確定,通常要注意以下要點。

(1)變電所的布局宜與車站建筑的形態相匹配,如大型或特大型車站站房多采用線側平式與線正上式混合式,有的位于站場兩端,有的呈規則的四邊形形態,變電所的布置亦可相應按照該形態相對集中布置。

(2)站房成組的兩臺變壓器,每臺應能承擔全部一、二級負荷,變壓器長期工作負荷率宜為60%～75%。

(3)特大型、大型站房空調等季節性負荷、商業負荷宜單獨設置變壓器。

(4)北方站房應考慮屋面天溝融雪、管道電伴熱、電熱風幕機等用電負荷的影響,冬季負荷宜與夏季空調負荷共用變壓器,以提高變壓器的利用率,減少變壓器的配置。

2.4 自備應急電源方案比選

根據JGJ 243-2011《交通建筑電氣設計規范》,高鐵客運站房內的各類負荷對應急電源的切換要求如表6 所示。

高鐵站房應急電源的分級及切換時間要求 表6

對于應急電源選擇要點:(1)特大型站房,應設置發電機,大型站房宜設置柴油發電機,發電機容量應保證一級負荷中特別重要負荷用電,宜保證一級負荷的用電;(2)客運信息機房設備、售檢票設備、通信、信號用電設備應配置UPS 不間斷電源供電,配合發電機組使用,以滿足電源切換及持續供電時間要求;(3)車站公共區域屬于一級負荷的一般照明,宜采用兩路電源交叉供電方式,當設有柴油發電機時,其中一路宜引接自柴油發電機備用母線段。

3 高鐵客運站房供配電系統節能設計

高鐵客運站房是能耗大戶,供配電系統節能是電氣節能設計的核心,設計應從前期電氣方案策劃到施工圖設計將供配電系統節能理念貫穿始終,重點關注以下幾個方面。

3.1 合理配置裝機容量

通過與同等規模客運站房數據對比合理選取計算參數,精確計算,使裝機容量既滿足車站的使用要求及發展需要,又避免盲目加大裝機容量,增加不必要的一次投資及運行能耗。

3.2 優化供配電系統架構

高低壓供電系統均應力求簡單,減少配電級數及保護級數,既可以降低中間設備損耗,又可以帶來系統可靠性的提升。

3.3 按經濟性、電壓損失、設備運輸及維護等原則合理設置變配電所

根據鐵路站房建筑形態及用電負荷分布,在合適位置設置變配電所,兼顧站房與站場用電負荷的供電半徑要求,提高經濟性,降低運行能耗。

3.4 電能質量的監測及治理

隨著新型節能設備如LED 燈具、變頻設備的推廣及各類電源設備(UPS、充電樁設施)的增多,高鐵站房內存諧波源逐年呈上升趨勢,主要諧波源諧波含量如表7 所示。

高鐵客運站房主要諧波源 表7

根據規范要求,大中型交通建筑電壓諧波總畸變率不應大于5%,綜合樞紐、特大型不宜大于3%,因此其供配電系統應設置較完善的電能質量監測及治理設施,主要技術措施:(1)客運站房LED 大屏、夜景照明、氣體放電燈回路照明線路3 次諧波電流超過基波電流33%時,應按中性線電流選擇電纜。 (2)站房非線性負載容量占比較大,應在變壓器低壓側配電母線上集中裝設有源濾波裝置。 (3)信息設備顯示屏一般分區域供電,宜考慮在其專用配電柜(箱)母線裝設有源濾波裝置。 (4)大型空調變頻器宜考慮在諧波源處就地裝設無源濾波裝置。

3.5 高鐵站房智能配電技術的應用及展望

高鐵站房電力監控系統需要考慮預留與鐵路調度SCADA 系統的接口,目前建成或在建的高鐵客運站房供配電系統大多仍然以較傳統的繼電保護加電力儀表采集參數的電力監控系統為主,如圖4 所示。

圖4 高鐵客運站房電力監控系統

近年來,智能配電技術的發展已經進入了快車道,其發展及應用趨勢是智能配電一體化技術,高鐵客運站房供配電系統亦應將智能配電技術的應用作為重點,通過強弱電一體化數據采集及分析技術,實現更可靠的保護及更精細化的節能控制,結合網絡信息安全技術、智能平臺管理技術等多種技術實現智慧級管理。

4 結束語

高鐵客運站房供配電系統是整個電氣系統的核心,應將供電安全、消防安全、經濟節能作為設計目標及重點,通過同類項目調研及技術指標分析、方案比選,控制負荷指標及裝機容量整體指標,確定電源數量、運行方式及應急電源方案,樹立系統架構、穩定設備用房布局,同時將節能設計貫穿始終,才能實現供配電系統的更優方案,最大限度地實現其在解決用電安全、節能運行、管理維護方面的潛能。