基于节能视域的地铁低压配电探讨

2016-08-01郭翔宇

铁道勘察 2016年3期

关键词：低压配电损耗车站

郭翔宇

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

基于节能视域的地铁低压配电探讨

郭翔宇

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

摘要从节能设计的基础原则出发，分别从电房的合理配置、变压器容量的合理选择、线路上能量损耗减少的方法、系统的功率因数的提升、照明节能及变频起动节能等内容着手，探讨地铁低压配电节能设计的具体措施。

关键词节能地铁低压配电电气设计

地铁是城市电网当中重要的耗能单元。就整个地铁运营成本来讲，地铁电能方面的损耗在其中占有相当高的比例。因此，如何对其采用合理、有效的节能措施，最大限度地降低地铁负荷用电量，成为当前电气设计师所要迫切解决的难题。以地铁各个用电设备的用电特性、损耗情况及运行工况等为出发点，对节能视域下地铁车站的低压配电进行深入分析，并就合理、科学的节能措施予以探寻。

1节能设计的基础原则分析

首先应满足地铁的基本功能。满足地铁整个通风系统当中相应新风量及舒适性的温度，即提供舒适卫生的地铁环境；就地铁日常运营当中有关照明框架下的显色指数、色温及照度等予以满足。其次，考虑实际经济效益，必须对实际经济效益进行深入的综合考虑，其实质应对所增加部分的相应投资，在将来开展节能的时间框架内，减少当前运营成本，并且在未来节能的时间内将所投资回收，最终保证地铁建设既满足当下节能的具体要求，还能达到经济省钱的目的。最后，对无谓消耗的能源进行节省。基于节省的出发点及立脚点来讲，应将那些本不应该消耗的能源进行节省。首先需要将与地铁功能无关的一些能源消耗全部找出，然后针对这些无谓能源消耗的实际状况，采取相对应且高效、合理的节能措施。通常情况下，采用当今先进的技术手段对能源消耗予以降低最为适宜。所以，针对地铁节能设计来讲，应始终坚持并贯彻技术先进、经济合理及实用的基础原则。

2地铁低压配电节能设计的具体措施

2.1合理设置电房

通常情况下，一个地铁车站往往设置有对应的一座变电所，并且在弱电设备集中端设置地铁降压变电所，诸如信号电源室、通讯室及车控室等，以此实现供电距离减少的目的。针对那些负荷及规模较大的地铁车站来讲，应在另一端位置上根据实际需要设置一个跟随变电所，以实现干线电缆长度减少的目的。对于环控电控室的设置位置，通常在冷水机房或者环控机房附近位置上更为合适。此外，依据距离车站的远近状况，区间风机房应合理设置降压变电所或低压配电室。

2.2合理选择变压器容量

许多地铁往往存在变压器容量过大的状况，一些地铁车站在相应运营低峰期时期，其变压器负荷率竟然小于10%。在运营高峰期，许多地铁车站的负荷率均低于50%，此状况不仅增加项目投资，还浪费了大量的电能，最终导致运营成本的增加。变压器有功功率损耗可用如下公式予以表示

式中：ΔP表示为变压器相应有功功率方面的损耗情况/kW；P0表示为变压器在空载状况下的实际损耗/kW；Pk表示为变压器在短路状况下的实际损耗/kW；β则表示为变压器相应负载率/%。

P0称之为铁损也被称作空载损耗，其所造成的损耗主要是基于漏磁损耗，以及在具体的铁芯涡流方面所造成的损耗。如损耗方面予以不变，随着相应矽钢片的具体性能，以及在铁芯方面所存在的实际制造工艺情况，伴随其相应大小而予以决定。至此，在对变压器进行选择时，应尽可能选择那些节能型。

Pk主要指在实施传输方面功率的具体损耗，也称为线损，其在一定程度上，决定了流过绕组电流的大小。此外，变压器绕组电阻的大小同样具有决定作用，并且还与负载率β的平方呈现出正比关系。所以，在电阻的选择上，应选择具有更小绕组的电阻。在变压器的采用上可选择铜芯。如果空载损耗与负载损耗相等，变压器在能耗方面也就最小。基于此行业相关运营实际经验，控制地铁用变压器日常运营负荷率区间为55%～65%，可保证其运行水平为最佳。所以，在对变压器进行选择时，首要考量因素就是通过合理计算负荷，对变压器类别及容量进行合理选择，最终实现节能环保的目的。

2.3采取对应措施实现线路上能量损耗的减少

线路上存在一定的电阻状况，当电流通过线路进行流动时，其过程就会出现有功功率损耗状况，用公式可表示为

ΔP=3I2R×10-3

ΔP表示为线路上所存在的电能损耗/kW；I表示为线电流/A；R表示为线路电阻/Ω。通过公式可知，地铁在相应有功损耗方面，往往和R之间呈现正比关系。通过深入分析可知，其和电缆的长度之间往往呈现出正比关系，和电缆具体的横截面积之间则呈现反比关系。基于上述分析可知，在对电缆进行选择的过程中，应尽可能选择那些较粗的，尽管较粗电缆在短时间内可能会对经济投入有所增加，然而粗电缆在具体的寿命方面，要明显长于细电缆。所以，基于长远角度来考虑，选择粗的电缆更为适宜。对于电房的设计来讲，电缆的长度越短，其在有功损耗方面则会相应越小。因此，在电房的位置选择上，应尽可能选择那些处于照明动力负荷的中心位置上。而对于环控电控室的选择来讲，应将其设置在距离冷水机房和环控机房之间最近处。而就地铁变电室的设计及选择而言，则需要将其设置在弱电压区，并依据实际情况，对区间的风机房予以选择，使其能够和低压配电室相匹配。

一个地铁车站电缆长度超过万米较为多见。因此，在电缆线路上存在的总有功损耗也非常庞大。在具体设计过程中，必须采取有效措施，最大限度地降低线路上的能耗。电缆上的电流是不能改变的，如果想要将电缆损耗减少，最为可行的方法就是将电阻减小。线路电阻往往和线路长度之间呈现出显著的正比关系，和电缆截面之间则呈反比。因此，减少线路损耗，应采取以下措施：①对于地铁用电缆来讲，其在材质选用上应均选为铜芯电缆，以此实现电缆电阻率减小的效果。②在布置线路时，应尽量采取直线设置，尽可能减少弯路布置，实现减少导线长度的目的。③对于低压配电室位置选择来讲，应布置在电缆井附近更为合适，在布置电缆井位置及低压配电室时，均采取线路向前送的方式，尽可能减少回头输送电能的支线。④在对电缆截面积进行选择的过程中，对导线截面积根据实际需要进行增大，尽管增加了电缆购置的相应成本，但是相比于电缆寿命期内节省能耗方面的费用，往往是十分经济的。

2.4对系统的功率因数进行提升

功率因数在整个供用电系统当中是一项十分重要的技术经济指标，当用电设备对有功功率进行消耗的情况下，还需要许多无功功率从电源箱负荷进行输送。功率因数实质就是对用电设备在对一定有功功率予以消耗的情况下，其在无功功率方面需求的反映。通过对系统功率因数的提升，实现无功电能在线路上传输得以减少的目的，节约电能，还可达到损耗降低的目的，这也是节能设计的最终宗旨。

将线路损耗公式展开，可得到如下公式

ΔP=3I2R×10-3=(RP2/UL+RQ2/UL)×10-3

式中，UL表示为线电压/V；P表示为有功功率/kW；Q表示为无功功率/V·A。

在整个电气系统当中所运用的用电设备，诸如气体放电灯整流器、变压器、电动机及线路等均具有相应电感，这些设备在运行当中还会产生滞后的无功，需于系统当中引入具有超前的无功，实现与上述无功之间相互抵消的作用。至此，这些无功功率通过高压及低压相应线路时，便能够运用用电设备实施相应传输操作。在线路当中，同样存在有有功损耗状况，此种损耗可采取一些办法进行有效改变，可提高设备的自然功率因数，实现超前无功需求减少。此外，在同步电动机的选择上，可选择那些功率因数较高的设备；对于荧光灯的选择，可运用低于15%高次谐波系数的电子镇流器；而在选择气体放电灯时，可选用内置有电感镇流器的放电灯，且于单灯中安装电容器。这些方法的运用，可提高自然功率因数(0.83～0.92)，此种方法可减少整个系统高、低压线路在输电过程中所产生的超前无功功率。感抗所产生的无功是滞后的，可选用电容器对其进行补偿，二者之间能够实现相互抵消，实现无功需求量减少的目的[7]。在国内具体的地铁设计当中，绝大多数均运用变压器低压侧集中无功补偿。

2.5照明节能

对于照明节能来讲，往往将“以人为本”作为其指导思想，注重健康且舒适的环境。地铁照明往往具有用电面广且大的特点。所以，对照明进行节能具有很好的应用潜力，可从以下内容进行综合权衡。

(1)利用高效光源

地铁车站所采用的照明光源绝大多数均采用三基色细管径直管荧光灯(T8或T5)，考虑局部美观及相应装修效果，可采用筒灯以及一些其他形式的光源。此种管径相比于传统的粗管径T12，在光效上从原来的72 lm/W提升至93 lm/W，基于照度相同的状况下，可实现光源能耗的降低(见表1)。当前市场上的LED灯具相比于常规的荧光灯，具有寿命长、维护成本低及发热量小等优点，并且伴随先进技术水平的不断提升，该灯具在节能效果上将更为突出。

(2)控制方式的灵活采用

公共区照明主要内容为广告照明、应急照明、正常照明及导向照明等。此外，正常照明又可划分为两种，即工作照明及节电照明，通过将接触器设置在照明回路当中，再将触点信号向环境与设备监控系统予以上传并控制，且可采用表2中相应模式进行控制，智能化控制照明具有显著的节能效果。

表1　两种灯各项效果比较

表2　地铁车站照明模式控制

注：(1)在正常运营时节假日及客流高峰期用正常模式。(2)正常运营时处于非客流高峰期采用节电模式。(3)停止运营时期采用停运模式。

设备房内部所设置的应急照明，可从传统的长明灯工作方式改变为设翘板开关控制，当发生火灾时，可通过FAS/BAS进行强制开启。通常情况下，设备房应急照明在配置上应为正常照明的10%，在火灾状况下才实施强启操作。由于火灾具有较低的发生率，可将照明功率功耗设置为10%。

2.6变频起动节能

(1)采用变频控制

在整个机电系统当中，地铁车站电扶梯系统及通风空调系统在具体的用电量上可超过70%；并且上述系统绝大多数为电动机负荷。可运用变频调速器，当其出现负荷下降状况时，能够对转速进行自动调节，以此适应负荷所出现的变化。通过运用此种方式，可提升电机在轻载状况下的效率，达到节能的效果。将变频器设置在回排风机及组合式空调柜当中，通过相关计算可知，其在电能节约方面能够达到惊人的30%。如果将变频技术应用在电扶梯上，并且采取自动变速及分时管理措施，均可达到节约电能的目的。

(2)电动机采用软启动

可依据起动时间对可控硅的导通角进行逐步调节，以此对电压的变化进行控制。此外，由于电压能够连续调节，具有起动平稳的优点，当完成启动后，可在全压状况下运行。该设备可在需频繁启动或电动机容量大的设备上运用，可控制其电网电压的波动。其调压主要采用可控硅，由于正弦波未导通，此时一部分电能在可控硅上得到全部消耗，不存在再次反向电网的

可能。所以，其在通风及散热等措施上要求较高，然而在价格上却低于变频器，被广泛应用在通风空调系统中。

3结束语

节能降耗作为一项十分重要且庞大的系统工程，其重要环节及关键在于节能设计。在对地铁车站电气系统进行设计时，应建立和健全节能设计理念，根据地铁车站实际状况开展设计，最终实现运行的经济性。地铁工程在节能方面具有非常大的潜力，应分别对其效果、性能及原理等方面进行分析，通过对技术设备的比较，选择合理及高效的设备、材料和技术。

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