城市轨道交通非牵引负荷配电变压器容量计算方法

2018-04-27杨瑞青

城市轨道交通研究 2018年3期

杨瑞青

（济南舜达轨道交通设计有限公司，250003，济南//高级工程师）

城市轨道交通是以消耗电能为主的运输方式，相对于其他的交通工具而言，具有运能大、快速、环保和能源消耗少等优点。按同等运能比较，城市轨道交通的能耗只相当于小汽车的1/9、道路公交的1/2［1］。城市轨道交通尽管能耗低，但其运营成本却居高不下，这主要是城市轨道交通电能损耗太大导致的。

除了必须的牵引用电外，非牵引负荷的配电变压器的能耗也占很大的比重。非牵引负荷的变压器安装容量大，但实际同时运行负荷小，故配电变压器的负载率低，尤其是地下车站的非牵引负荷配电变压器的一般日负荷率仅为10%～30%［2］。过低的负载率不但导致变压器的无功损耗很大，而且占用系统容量资源，使运营费用高企。本文针对非牵引负荷配电变压器进行分析。

1 城市轨道交通配电现状

1.1 三级负荷比例低

城市轨道交通非牵引负荷配电设备的组成分类如图1所示。由图1可见，一、二级负荷较多，而三级负荷仅分布在冷冻机组及商业照明等领域。故三级负荷的比重较小。根据文献［2］,在总配电负荷中，一、二级负荷所占比例高达70%以上，而三级负荷所占比例不足30%。这就决定了城市轨道交通配电变压器正常运营时的负载率不可能很高。

1.2 变压器负载率要求

根据GB/T 13462—2008《电力变压器经济运行》，双绕组变压器综合功率损耗率ΔPz与变压器平均负载系数β的关系曲线如图2所示。由图2可见，负载率β的临界点为βjz。当β＜βjz时，β越低，变压器综合功率损耗率ΔPz越大。如变压器长期不合理轻载运行，则其容量得不到充分利用，变压器工作效率低下，功率损耗成倍增加。随着βjz的提升，ΔPz会有明显的降低，故节电措施规定变压器的负载率不应小于30%。根据△Pz，将变压器△Pz与β关系的运行曲线划分为经济运行区与非经济运行区，并特别划出最佳经济运行区。相应的，经济运行区为β2jz≤β≤1，其中最佳经济运行区为 1.33 β2jz≤β≤0.75，非经济运行区 0≤β≤β2jz。

图1 城市轨道交通非牵引用电负荷组成分类（一侧）

图2 ΔPz与β的关系曲线及经济运行区划分

2 不同负荷计算方法比较

一般建筑工程负荷计算采用需要系数法。城市轨道交通工程负荷计算时由于缺乏用电设备组有依据的需要系数，所以大多采用保守计算的方法。这就导致计算负荷与实际运营负荷差距太大。而城市轨道交通设备的运行有其特殊性，故不能完全参照《工业与民用配电手册》中的需要系数来计算。

GB 50157—2013《地铁设计规范》规定：“配电变压器的容量选择应满足一台配电变压器退出运行时另一台配电变压器能负担供电范围内的一、二级负荷”。配电变压器容量主要根据该规定及GB 50053—2013《20 kV及以下变电所设计规范》来选取。

根据一、二级负荷的性质，城市轨道交通车站变电所一般需设置2台变压器，采用单母线分段接线形式。

本文以济南轨道交通R3线（以下简为“R3线”）龙洞庄站为例进行计算分析。R3线共设12座车站，均为地下站，平均站间距约为1.778 km。龙洞庄站为R3线的南起点站。

2.1 保守计算方法

表1是龙洞庄站所有一、二级负荷分类表。

由于负荷较多，表中部分一、二级负荷已做合并，可根据不同负荷运行的特点选取需要系数［2］。根据《工业与民用配电设计手册》的需要系数法确定负荷的计算式为：

式中：

PC——计算容量；

K∑P——取0.9；

K∑q——取0.95；

KX——需要系数；

Pe——设备容量。

表1中的用电设备组计算负荷Sc1=1 437 kVA，故选取额定容量Se1=1 600 kVA的变压器。龙洞庄站在初步设计阶段正是选取了额定容量为1 600 kVA的变压器。

表1 龙洞庄站一、二级负荷概况表

2.2 按实际运行工况计算的方法

环控风机为配电系统的主要设备，是地下车站的负荷大户。本文从主要设备入手，阐述结合实际运行工况的负荷计算方法。龙洞庄站通风空调专业的隧道环控风机运行工况为：平时用于隧道内的排风，仅在运营前0.5 h及运营后0.5 h开启；消防时根据所在区间的情况开启相关环控风机。可见，早上环控风机开启时，站内的大多数设备还没有运行；晚上环控风机开启时站内的大多数设备（如扶梯、屏蔽门、站厅站台的正常照明等）已停止运行。而且隧道环控风机运行时，还可利用环境与设备监控系统的模式控制来分组控制环控风机的启停，保证最多同时开启2台隧道环控风机。

由上述情况可知，运营结束后开启南北两端各1台一级环控风机时的负荷为最大负荷。取表1中第 1、18、20、27、28、29、30、31、32、36、37、38 项的需要系数为0，取第2、19项的需要系数为1.0，其余项不变，K∑P取 0.9，K∑q取 0.95。经计算，最大计算负荷Sc2=924 kVA。故按实际运行工况计算的方法，应选取额定容量Se2=1 000 kVA的变压器。

2.3 按实际运行工况计算方法的安全性优化

配电变压器不仅要保证正常运营时供电范围内所有电气设备的运行，还担负着消防状态时所有同时投入运行的设备的供电。所以必须要根据消防安全性要求来对Se2进行优化。

GB 50157—2013《地铁设计规范》第28.1.4条规定：“一条线路、一座换乘车站及其相邻区间的防火设计应按同一时间发生一次火灾计”。根据通风空调专业提供的最大火灾工况运行条件，任何区间内发生火灾时4台隧道风机均有可能同时运行。按任一区间内发生火灾计算：表1中第20项“屏蔽门”为瞬时负荷，火灾情况下开启后便不再动作，故此项的需要系数可调整为0；而1～26项中的其他负荷需要系数均取 1.0，K∑P=1.0、K∑q=1.0。经计算，消防时的计算负荷Sc3=1 485 kVA。根据GB 50157—2013《地铁设计规范》第28.2.11条规定“车站站台公共区的楼梯、自动扶梯、出入口通道，应满足当发生火灾时在6 min内将远期或客流控制期超高峰小时一列进站列车所载的乘客及站台上的候车人员全部撤离站台到达安全区的要求”及28.2.4条对于疏散的规定，发生火灾时194 kW的电梯负荷仅能持续6 min，其他消防负荷持续的时间也不会太长；因此在选取变压器时完全可以按照1.2倍的过负荷能力来选取［2］。综上所述，选取额定容量Se3=1 250 kVA的变压器。

由于Se3＞Se2，所以最终确定龙洞庄站变压器的额定容量为1 250 kVA。实际计算时，每站的负荷情况不同，所以校对结果可能也会不同。如果Se3＜Se2，则变压器的容量需取为Se2。

通过以上计算可以看出，保守计算方法与按实际工况计算并优化方法的计算结果存在差距。如果变压器取Se1时的负载率仅为30%，则取Se3时的负载率便能达到38.4%，这样变压器就可以工作在经济运行区。

城市轨道交通配电变压器容量计算的目的是要在保证安全性的前提下做到节能最大化，所以，计算时既要考虑实际运行情况，尽量降低同时需要系数，又必须根据消防安全的要求对计算结果进行优化。