两部制电价下的城市轨道交通主变压器容量估算与选型方法

汪 韩

(南昌轨道交通集团有限公司，330088，南昌∥高级工程师)

目前已开通运营的城市轨道交通线路用电较多采取两部制电价收费方案，电费收取与主变压器安装容量有关。本文针对两部制电价收费方式，分析主变电所在满足各种运行方式下主变压器的经济可靠运行负载率；通过对已运营线路记录数据进行用电指标分析，预测设计及规划阶段相关线路用电负荷；提出一种设计建设阶段主变压器安装容量的合理选型方法。

1 主变压器容量选型原则

根据相关规范要求，城市轨道交通主变压器应遵循以下选型原则：

1)根据《地铁设计规范》15.2.4和15.2.5规定，城市轨道交通主变电所主变压器的数量与容量应根据近、远期负荷计算确定，并宜分期实施[1]。当一台主变压器退出运行时，其余主变压器应能承担供电范围内的一、二级负荷[1]。

2)根据《油浸式电力变压器负载导则》,主变压器具有130%(2 h)的过负荷能力[2]。

2 两部制电价下主变压器容量选型的技术要求

2.1 两部制电价下变压器经济负载率

两部制电价将电价分成基本电价与电度电价两部。基本电价是按照企业的变压器容量或最大需用量(即一月中每15 min或30 min平均负荷的最大值)作为计算电价的依据，确定限额，每月固定收取，不按实际耗电数量收取；电度电价，是按用电部门实际耗电度数计算的电价。

当前阶段，各用电单位与供电部门协议的基本电价一般是按照变压器的最大需量收费，同时规定最大需量低于变压器安装容量的40%，则按40%计算，即最大需量小于等于40%时，需向用电部门多交一定数额电费。因此，两部制电价下，用电单位变压器的经济运行负载率需大于等于40%。

2.2 变压器高效率运行负载率

变压器效率计算公式如下：

(1)

式中:

η——变压器效率；

P1——变压器输出功率；

P2——变压器损耗功率；

P3——变压器空载损耗；

P4——变压器负载损耗。

当变压器的负荷达到一定负荷率时其空载损耗与负载损耗相等，继而使变压器的效率达到最大，输出功率经济性最佳。

从以上算例关系推算出变压器效率绝对数值，变压器负载率ρ大于等于50%时其运行效率达到最佳，经济性最佳。

2.3 变压器可靠负载率

城市轨道交通供电负荷分为牵引负荷和动力照明负荷，根据运营实测数据，一般线路在运营近期，牵引负荷与动力照明负荷基本约各占50%。根据《地铁设计规范》要求，当一台主变压器退出运行时，其余主变压器应能承担供电范围内的一、二级负荷[1]。根据上述主变压器选型原则，主变压器为满足供电可靠性要求，其负载率应满足如下要求：

(ρ×50%+ρ×50%×80%)×2≤130%

(2)

由式(2)求得,主变压器负载率ρ≤72%时，其运行在可靠供电工况下。

综上分析，两部制电价下主变压器的经济可靠负载率范围为50%≤ρ≤72%。此时保证所供电各线路可靠用电的同时，输出效率最高，且在两部制电价下基本电费按实际需求缴纳，运营效益最高。

3 新线主变压器负荷估算与容量选型方法

3.1 估算思路

采用已运营线路实测负荷数据估算新线主变压器容量方法原理简单，操作方便，具体思路如下：①根据工程输入方案资料，包括线路、车辆、行车、站点建筑等方案，选取类似车型及行车组织已运营线路并进行供电负荷实测收集，包括主变电所负载、车站动力照明负荷统计等。②统计分析类似站点规模线路动力照明负荷指标，作为新线站点动力照明负荷估算依据。③统计分析类似车型及行车组织线路牵引负荷指标，作为新线牵引负荷估算依据。④根据运营线路负荷指标估算新线动力照明负荷及牵引负荷。⑤根据新线主变电所设置方案及运行方式，计算主变压器安装容量。⑥校验主变压器负载率是否满足经济可靠运行条件，修改并最终选定安装容量。

3.2 负荷估算及容量选型算例

3.2.1 估算对象及估算依据

本文的估算对象是南昌市轨道交通2号线工程的主变电所。该线路全长31.66 km，共设28座车站，车辆段1座。本工程列车采用6B车型,最高速度80 km/h，初、近、远期高峰小时预计开行14对、18对、27对列车。根据2号线初步设计方案，本工程共设置学府主变电所和塘子河主变电所。其中，学府主变电所为2号线与5号线共享主变电所，塘子河主变电所为2号线和3号线共享主变电所。在不考虑为共享线路预留供电容量的情况下，2号线学府主变电所和塘子河主变电所单台主变压器容量选型均为40 MV·A。

南昌市轨道交通1号线开通后，用电计价模式确定为两部制电价。同时经运营部门反馈，1号线主变压器实际负载率低于设计预期，从提高2号线运营后设备利用率、降低损耗和运营成本角度考虑,非常有必要根据已运营线路实际运营数据对2号线主变压器建设安装容量进行选型。工程估算依据如下：①由于南昌市轨道交通1号线工程开通时间较短,仍然处于试运营阶段,其可测试供电负荷数据仅有主变电所负载率，可参考性比较有限,因此,本次2号线车站动力照明负荷估算参考气候近似的广州市类似工程运行数据。②由于牵引负荷与运能关联较为密切，主要体现在列车开行对数、列车选型、列车编组、列车运营速度等方面。鉴于广州市车型及速度与南昌市2号线不同，而南昌市1号线与2号线车型、编组和运营速度一致，故采用1号线运行数据估算2号线牵引负荷数据。

3.2.2 广州市已运营线路动力照明负荷运行数据

由于广州市轨道交通线网基本建成,已运营线路较多,车站各机电系统设备运行已经稳定，实测运营数据较有代表性。因此，选取其已稳定运营的1、2、5号线作为参考,其实测负荷数据及特征如表1所示。从动力照明负荷特点分析，其初、近、远期负荷变化不大，相对稳定，运营的数据具有较高的参考价值。

表1 2016年7月广州市轨道交通1、2、5号线用电负荷统计

根据表1中实际运营数据，分析统计各线路动力照明指标如表2所示。

表2 各线站点单母线动力照明负荷指标

由于车站规模与车辆编组有直接关系，因此根据线路车型及编组粗略折合站点能耗指标为单车指标，具体见表2第5列。由各线动力照明指标分析可知,由于1号线建设较早，建设之初车站机电设备能耗较高，因此其指标较高；2、5号线为近几年建设线路，设备能耗较低，且单车能耗指标基本接近，约为37.5 kW/(车·站点)。

由于6A车型和6B车型对车站规模基本无影响，则车站动力照明负荷用电指标相近。根据邻市动力照明负荷指标约为37.5 kW/(车·站点)的实际数据，则该市1号线及2号线动力照明负荷指标应约为37.5 kW/(车·站点)，则按动力照明负荷功率因数0.9计算，单站点单母线动力照明负荷功率指标为：单车站点指标(37.5 kW/(车·站点))乘以编组数(6车)除以功率因素(0.9)，计算得250 kW/站点。

3.2.3 南昌轨道交通1号线供电负荷运营数据

1号线工程全长28.8 km,共设24座车站，1段、1场及1座控制中心，采用6辆编组B型车，最高运行速度为80 km/h。

根据运营数据，1号线两座主变电所当前阶段高峰小时(开行对数10对/h)主变压器最大负载率均约为30%，属于不经济运行。其主变压器安装容量单台为40 MV·A,共2台。则单段母线最大负荷约为7.5 MV·A。

取动力照明负荷与牵引负荷共同作用时系数为0.9，则1号线牵引总功率为：总功率(2×7 500 kW/0.9),减去动力照明功率与站点数的乘积(27×250 kW),计算得到9 916.7 kW。

则1号线单列车单位公里牵引功率指标为：牵引总功率(9 916.7 kW)除以线路长(28.8 km),再除以行车对数(10对)，再除以2，计算得到17.2 kW/km。

3.2.4 南昌轨道交通2号线负荷估算及主变压器容量选型

由于南昌市1号线车站规模、车辆选型及最高运行速度与2号线一致，因此，可利用上述动力照明负荷功率指标及牵引负荷指标，根据2号线线路及行车资料进行2号线动力照明负荷和牵引负荷的估算。计算方式如下：总动力照明视在功率等于单站点动力照明视在功率与站点数的乘积，总牵引视在功率等于单站点牵引视在功率乘以线路长再乘以行车对数再乘以2。

2号线工程设置的学府主变电所为2号线与规划5号线共享主变电所，塘子河主变电所为2号线和同期建设3号线共享。5号线为远期规划线路，暂不考虑其供电负荷；3号线为同期建设线路，需考虑其供电负荷。

3号线线路总长为29.5 km，设站22座，车辆段和停车场各1座，车型及行车组织与1号线、2号线一致。其负荷亦可按上述方法进行估算。

按照上述估算方法，对2号线主变压器负荷估算及容量计算结果见表3。

表3 南昌轨道交通2号线和3号线主变压器容量计算(近期)

由上述计算可知，采用此负荷估算方法，学府主变电所主变压器选型为单台主变压器容量25 MV·A，共2台，高峰小时单台主变压器负载率为56.53%；在考虑了3号线近期供电需求情况下，塘子河主变电所主变压器为单台主变压器容量40 MV·A，共2台，高峰小时单台主变压器负载率为56.67%。两座主变电所主变压器均运营在经济可靠负载率范围内。

4 效果分析

采用上述主变压器负荷估算和容量计算方法，比较初步设计结论，学府主变电所主变压器选型由2台40 MV·A降为2台25 MV·A，塘子河主变电所主变压器在考虑了为3号线供电的同时，保持选型容量不变。

南昌轨道交通5号线保守估计在2024年左右开通，以下对采取两部制电价时，以学府主变电所容量选型结论为例，分析上述主变压器安装容量计算方法的经济效益。

方案一,本期学府主变电所容量选择2台25 MV·A，7年后更换为2台40 MV·A；方案二,本期学府主变电所容量直接按2台40 MV·A选择。两种方案经济性差别主要体现在以下3个方面：①一次投资,2次设备采购费、拆除原2台25 MV·A变压器及新安装2台40 MV·A变压器产生的安装调试费用、2台25 MV·A变压器回收残值；②负载及空载总损耗；③基本电费。各项具体计算过程不再累述。计算结果见表4。

表4 两种方案经济分析对比 万元

由以上计算结果可知，7年间，学府主变电所主变压器安装容量选择为2台25 MV·A较2台40 MV·A约节省成本3 184.9万元，平均每年约节省456万元，经济效益可观。

5 结语

本文针对城市轨道交通主变压器容量选型问题，提出了一种利用已运营线路供电负荷运行数据对新建线路供电负荷预估算进而校验主变压器容量的方法。此方法切实可行，仅需通过运营部门提供变电所综合自动化记录的相关数据，即可完成相关负荷估算和容量计算。通过文中算例可知，此方法在当前城市轨道交通用电的两部制电价收费方案下，有着极大的经济效益，值得在后续线路设计及建设中参考和推广。