地鐵區間射流風機起動方式的經濟效益分析

靳 凱

(上海市隧道工程軌道交通設計研究院， 200235， 上海∥工程師)

地鐵區間射流風機主要用于運營前通風換氣、區間阻塞或火災工況排煙。因隧道洞口氣流組織困難，射流風機(如圖1中FJ1-FJ8)多設置在出入段線隧道洞口或車站岔線區，距離車站變電所較遠。

根據風機容量和配電距離的不同，區間射流風機一般有全壓起動和軟起動2種配電方案。其中：全壓起動的優點是設備簡單、操作維護方便，缺點是起動電流較大，需要通過增大電纜截面來減少對配電系統電壓的沖擊；軟起動由于增加了軟起動控制柜，其起動電流較小，對配電系統影響也較小，缺點則是設備相對復雜、投資較高。

圖1 射流風機平面布置示意圖

1 相關規范要求

對于風機的起動問題，GB 50055—2011《通用用電設備配電設計規范》、GB 50052—2009《供配電系統設計規范》等規范對風機起動時母線電壓降、電動機端子電壓降、起動轉矩等方面作了如下明確要求：① 電動機不頻繁起動(起動次數<10次/h)時，配電母線上的電壓不宜低于額定電壓的85%[1]；② 電動機起動時，其端子電壓應能保證機械要求的起動轉矩，且在配電系統中引起的電壓波動不應妨礙其他用電設備的工作[1]；③ 電動機類用電設備端子處電壓偏差允許值宜符合±5%額定電壓的要求[2]；④ 對于低壓電動機，應保證接觸器線圈的電壓不低于釋放電壓[1]，單獨使用或裝在起動器中使用的電磁式接觸器，在其額定控制電源電壓Un的85%～110%之間取任何值時均應可靠閉合[3]。

2 計算公式

根據《工業與民用供配電設計手冊(第四版)》[4](以下簡稱“配電手冊”)，相關計算公式如下。

2.1 電纜載流量

Iz≥I/K

(1)

式中：

Iz——電纜載流量；

I——負荷計算電流；

K——載流量校正系數。

2.2 三相平衡負荷線路的電壓損失

Δu=ΔuaIl

(2)

式中：

Δu——線路電壓損失百分數，%；

Δua——三相線路每1 A·km的電壓損失百分數，%/(A·km)；

l——線路長度，km。

2.3 鼠籠式電動機起動時的母線電壓相對值

UstB=1.05SscB/(SscB+QL+Sst)

(3)

SscB=SrT/(xT+SrT/Sk)

(4)

QL=0.6(SrT-0.75SrM)

(5)

Sst=1/(1/SstM+X1/Uav2)

(6)

式中：

UstB——電動機起動時母線電壓相對值；

SscB——母線短路容量，MVA；

QL——預接負荷的無功功率，Mvar；

Sst——電動機起動時起動回路的計算容量，MVA；

SrT——變壓器額定容量，MVA；

xT——變壓器短路阻抗，Ω；

Sk——變壓器一次側短路容量，MVA；

SrM——電動機額定容量，MVA；

SstM——電動機額定起動容量，MVA；

Uav——系統平均電壓，kV；

X1——線路阻抗，Ω。

設S為銅芯電纜截面，當S>150 mm2時，X1=(0.08+6.1/S)l；當S≤150 mm2時，X1=18.3l/S。

2.4 電動機端子電壓要求

鼠籠式電動機起動時，電動機端子電壓相對值UstM為：

UstM=UstBSst/SstM

(7)

電動機起動時，為保證傳動機械要求的起動轉矩，UstM應滿足：

(8)

式中：

ms——電動機傳動機械的靜阻轉矩相對值；

mstM——電動機起動轉矩相對值，即起動轉矩與額定轉矩的比值。

3 供電系統主要參數

3.1 系統參數

本文以某軌道交通工程為例進行研究。該工程供電系統采用110 kV/35 kV二級電壓供電方式，其中，35 kV側短路容量SK為250 MVA。車站配電變壓器選用環氧樹脂絕緣干式變壓器SCB10-1250 kVA-35/0.4 kV，其額定容量SrT為1.25 MVA，變壓器阻抗電壓uK為6%，母線短路容量SscB為19.23 MVA。

3.2 電纜參數

依據配電手冊第838頁的表9.3-24、第875頁的表9.4-19，得到電纜參數如表1所示。

表1 交聯聚乙烯絕緣電力電纜參數Tab.1 Parameters of cross-linked polyethylene insulated power cable

3.3 射流風機參數

地鐵區間射流風機的電動機轉速一般為1 450 r/min，常用功率為30 kW、45 kW、55 kW，額定電壓380 V，頻率50 Hz。選用某廠家YE3-4系列鼠籠型射流風機，其參數如表2所示。

3.4 其他參數

1) 軟起動器：選用某廠家PSS系列軟起動器，起動變流倍數為4，起動時間為10 s。

2) 軟起動柜：約為6萬元/臺(詢價)。

表2 某廠家鼠籠型射流風機參數Tab.2 Squirrel cage type jet fan parameters from certain manufacturer

3) 全壓起動控制箱：約為0.5萬元/只(詢價)。

4 全壓起動和軟起動2種起動方式下的計算

以2臺45 kW射流風機為例進行計算，根據表2，選擇YE3-225M-4型號的射流風機。采用全壓起動時，如圖2 a)所示，雙電源切換箱AT1兩路電源分別引自A站降壓變電所I、II段母線，雙電源切換后饋線分別引至射流風機FJ1、FJ2的全壓起動控制箱，控制箱再引至射流風機接線端子處；采用軟起動時，如圖2 b)所示，取消了全壓起動的控制箱1、控制箱2，新增軟起動柜1、軟起動柜2。

a) 全壓起動

b) 軟起動圖2 2種起動方式下射流風機配電方案對比Fig.2 Comparison of jet fan power distribution schemes under 2 types of starting modes

本文僅做近似估算，由于AT1和控制箱/柜、控制箱/柜和射流風機之間的距離都很小，因此忽略AT1至控制箱/柜、控制箱/柜至射流風機的電纜阻抗值，同時忽略變壓器到變電所低壓開關柜的銅母線阻抗值，僅計入低壓開關柜至AT1的線路阻抗值。

4.1 采用全壓起動方式

最大運行工況為2臺射流風機同時運行，AT1的功率P為90 kW，電流I為168 A，額定容量SrM為0.111 MVA；最大起動工況為1臺射流風機正在運行時另1臺射流風機起動，此時起動電流Iq為705.6 A，額定起動容量SstM為0.464 MVA。比對上文的規范要求，計算及校驗步驟如下：

1) 步驟1，根據載流量選擇電纜。AT1的2路進線電纜沿區間電纜支架敷設，取K為0.78[4]，根據式(1)可得到Iz≥215.38 A；根據表1，選擇交聯聚乙烯絕緣電力電纜規格為WDZBN-YJY23-3×70+2×35。

2) 步驟2，通過最大運行工況下電動機端子電壓降確定最遠供電距離Lm。根據式(2)及要求③，當電纜選用WDZBN-YJY23-3×70+2×35且Δu≤5%時，Lm可達到235 m。

3) 步驟3，最大起動工況下的母線電壓降校驗。當電纜選用WDZBN-YJY23-3×70+2×35、供電距離為235 m時，X1為0.06 Ω，根據式(3)可得UstB為99.36%，滿足要求①。

4) 步驟4，最大起動工況下的電動機端子電壓降校驗。根據式(7)可得UstM為82.92%。根據式(8)，為保證起動轉矩要求，則UstM>38.73%，滿足要求②，但由于UstM<85%，不滿足要求④中接觸器線圈釋放電壓的要求。如需滿足UstM≥85%，則反算出Lm為199 m。

重復步驟3和步驟4，當Lm為199 m時，UstB為99.31%，母線壓降校驗通過。此時UstM為85.02%，大于38.73%，起動轉矩校驗通過；UstM在85%～110%的范圍內，接觸器線圈釋放電壓校驗通過。

綜上分析，射流風機FJ1(45 kW)、FJ2(45 kW)按照上述條件采用全壓起動時，在0～199 m的供電范圍內，選擇交聯聚乙烯絕緣電力電纜WDZBN-YJY23-3×70+2×35，可滿足載流量、運行時電壓降、起動時母線電壓降、起動時電動機端子電壓降、起動轉矩、接觸器線圈釋放電壓等各項要求。

4.2 采用軟起動方式

采用軟起動方式時，選用某廠家PSS系列軟起動器，起動電流倍數為4，其余條件與全壓起動方式相同。此時，最大運行工況同全壓起動方式；最大起動工況為1臺射流風機運行時另1臺射流風機起動，此時起動電流Iq為420 A，額定起動容量SstM為0.276 MVA。

計算及校驗步驟如下：

1) 步驟1，根據載流量選擇電纜。同全壓起動方式，選擇交聯聚乙烯絕緣電力電纜WDZBN-YJY23-3×70+2×35。

2) 步驟2，通過最大運行工況下電動機端子電壓降確定Lm。同全壓起動方式，Lm為235 m。

3) 步驟3，最大起動工況下的母線電壓降校驗。計算方法同全壓起動方式，得到UstB≥85%，滿足要求①。

4) 步驟4，最大起動工況下的電動機端子電壓降校驗。計算方法同全壓起動方式，得到UstM為89.49%，其大于起動轉矩要求的電動機端子電壓降38.73%，校驗通過，滿足要求②；UstM在85%～110%的范圍內，滿足要求④。

綜上分析，在其余條件不變的情況下，當起動方式改為軟起動時，Lm可達235 m。

5 全壓起動與軟起動的方案比選

5.1 供電距離比較

按照上述計算方法，可得出2臺45 kW的射流風機共用1個AT1時進線電纜規格與供電距離的關系，如表3所示。

表3 進線電纜規格與供電距離的關系Tab.3 Relationship between incoming cable specifications and power supply distance

5.2 費用對比

本文只考慮變電所低壓開關柜至區間射流風機之間的費用，其主要由3個部分內容組成：

C=C1+C2+C3

(9)

式中：

C——總費用；

C1——設備費用；

C2——電纜費用；

C3——其他費用。

計算時，忽略了C1因容量不同帶來的價格差異；C2的電纜由低壓開關柜至AT1、AT1至控制箱/柜(距離按20 m考慮)、控制箱/柜至射流風機(距離按20 m考慮)等3部分組成；計算C3時，忽略不同起動方式下的差異，近似認為2種起動方式下其他費用相等。

根據表1和表3，則可得到2臺45 kW射流風機在不同起動方式下的費用C與供電距離L的關系，如圖3所示。可以看出：

1) 當射流風機與變電所的距離小于461 m時，采用全壓起動更為合理。這是因為對于容量確定的風機，供電距離較小時，進線電纜的截面主要取決于正常運行時末端電纜電壓降Δu≤5%的要求，2種起動方式下的電纜截面相差并不大，費用差別主要是因為軟起動柜費用較高。

2) 隨著供電距離的增大，Ust,M逐漸成為了關鍵因素，導致全壓起動方式下的電纜截面要比軟起動方式下的電纜截面大。而且隨著供電距離的不斷增大，2種起動方式下電纜的費用差也會越來越大，所以當射流風機與變電所的距離大于461 m時，采用軟起動方式更為合理。

5.3 不同功率射流風機的起動方案比選

同理分別計算出2臺30 kW射流風機、2臺55 kW射流風機在不同起動方式下的費用與供電距離的關系，如圖4～5所示。可以看出：

1) 對于2臺30 kW射流風機，當射流風機與變電所的距離小于786 m時，采用全壓起動更為合理；

圖3 2臺45 kW射流風機在不同起動方式下的 費用-距離關系Fig.3 Cost-distance relationship of two 45 kW jet fans underdifferent starting modes

圖4 2臺30 kW射流風機在不同起動方式下的 費用-距離關系Fig.4 Cost-distance relationship of two 30 kW jet fans under different starting modes

圖5 2臺55 kW射流風機在不同起動方式下的 費用-距離關系Fig.5 Cost-distance relationship of two 55 kW jet fans under different starting modes

當射流風機與變電所的距離大于786 m時，采用軟起動更為合理；

2) 對于2臺55 kW射流風機，當射流風機與車站變電所的距離小于395 m時，采用全壓起動合理，當射流風機與變電所的距離大于395 m時，采用軟起動更為合理。

6 結語

在區間射流風機的供配電設計中，既不能簡單地靠放大電纜截面來滿足風機的起動和運行要求，也不能忽略風機容量、風機與變電所的距離等因素一概采用軟起動方式，而應在滿足技術指標的前提下，結合投資費用進行合理的經濟分析比較，這對城市軌道交通工程項目節約投資具有重大意義。