地铁区间射流风机起动方式的经济效益分析

靳 凯

(上海市隧道工程轨道交通设计研究院， 200235， 上海∥工程师)

地铁区间射流风机主要用于运营前通风换气、区间阻塞或火灾工况排烟。因隧道洞口气流组织困难，射流风机(如图1中FJ1-FJ8)多设置在出入段线隧道洞口或车站岔线区，距离车站变电所较远。

根据风机容量和配电距离的不同，区间射流风机一般有全压起动和软起动2种配电方案。其中：全压起动的优点是设备简单、操作维护方便，缺点是起动电流较大，需要通过增大电缆截面来减少对配电系统电压的冲击；软起动由于增加了软起动控制柜，其起动电流较小，对配电系统影响也较小，缺点则是设备相对复杂、投资较高。

图1 射流风机平面布置示意图

1 相关规范要求

对于风机的起动问题，GB 50055—2011《通用用电设备配电设计规范》、GB 50052—2009《供配电系统设计规范》等规范对风机起动时母线电压降、电动机端子电压降、起动转矩等方面作了如下明确要求：① 电动机不频繁起动(起动次数<10次/h)时，配电母线上的电压不宜低于额定电压的85%[1]；② 电动机起动时，其端子电压应能保证机械要求的起动转矩，且在配电系统中引起的电压波动不应妨碍其他用电设备的工作[1]；③ 电动机类用电设备端子处电压偏差允许值宜符合±5%额定电压的要求[2]；④ 对于低压电动机，应保证接触器线圈的电压不低于释放电压[1]，单独使用或装在起动器中使用的电磁式接触器，在其额定控制电源电压Un的85%～110%之间取任何值时均应可靠闭合[3]。

2 计算公式

根据《工业与民用供配电设计手册(第四版)》[4](以下简称“配电手册”)，相关计算公式如下。

2.1 电缆载流量

Iz≥I/K

(1)

式中：

Iz——电缆载流量；

I——负荷计算电流；

K——载流量校正系数。

2.2 三相平衡负荷线路的电压损失

Δu=ΔuaIl

(2)

式中：

Δu——线路电压损失百分数，%；

Δua——三相线路每1 A·km的电压损失百分数，%/(A·km)；

l——线路长度，km。

2.3 鼠笼式电动机起动时的母线电压相对值

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——电动机起动时母线电压相对值；

SscB——母线短路容量，MVA；

QL——预接负荷的无功功率，Mvar；

Sst——电动机起动时起动回路的计算容量，MVA；

SrT——变压器额定容量，MVA；

xT——变压器短路阻抗，Ω；

Sk——变压器一次侧短路容量，MVA；

SrM——电动机额定容量，MVA；

SstM——电动机额定起动容量，MVA；

Uav——系统平均电压，kV；

X1——线路阻抗，Ω。

设S为铜芯电缆截面，当S>150 mm2时，X1=(0.08+6.1/S)l；当S≤150 mm2时，X1=18.3l/S。

2.4 电动机端子电压要求

鼠笼式电动机起动时，电动机端子电压相对值UstM为：

UstM=UstBSst/SstM

(7)

电动机起动时，为保证传动机械要求的起动转矩，UstM应满足：

(8)

式中：

ms——电动机传动机械的静阻转矩相对值；

mstM——电动机起动转矩相对值，即起动转矩与额定转矩的比值。

3 供电系统主要参数

3.1 系统参数

本文以某轨道交通工程为例进行研究。该工程供电系统采用110 kV/35 kV二级电压供电方式，其中，35 kV侧短路容量SK为250 MVA。车站配电变压器选用环氧树脂绝缘干式变压器SCB10-1250 kVA-35/0.4 kV，其额定容量SrT为1.25 MVA，变压器阻抗电压uK为6%，母线短路容量SscB为19.23 MVA。

3.2 电缆参数

依据配电手册第838页的表9.3-24、第875页的表9.4-19，得到电缆参数如表1所示。

表1 交联聚乙烯绝缘电力电缆参数Tab.1 Parameters of cross-linked polyethylene insulated power cable

3.3 射流风机参数

地铁区间射流风机的电动机转速一般为1 450 r/min，常用功率为30 kW、45 kW、55 kW，额定电压380 V，频率50 Hz。选用某厂家YE3-4系列鼠笼型射流风机，其参数如表2所示。

3.4 其他参数

1) 软起动器：选用某厂家PSS系列软起动器，起动变流倍数为4，起动时间为10 s。

2) 软起动柜：约为6万元/台(询价)。

表2 某厂家鼠笼型射流风机参数Tab.2 Squirrel cage type jet fan parameters from certain manufacturer

3) 全压起动控制箱：约为0.5万元/只(询价)。

4 全压起动和软起动2种起动方式下的计算

以2台45 kW射流风机为例进行计算，根据表2，选择YE3-225M-4型号的射流风机。采用全压起动时，如图2 a)所示，双电源切换箱AT1两路电源分别引自A站降压变电所I、II段母线，双电源切换后馈线分别引至射流风机FJ1、FJ2的全压起动控制箱，控制箱再引至射流风机接线端子处；采用软起动时，如图2 b)所示，取消了全压起动的控制箱1、控制箱2，新增软起动柜1、软起动柜2。

a) 全压起动

b) 软起动图2 2种起动方式下射流风机配电方案对比Fig.2 Comparison of jet fan power distribution schemes under 2 types of starting modes

本文仅做近似估算，由于AT1和控制箱/柜、控制箱/柜和射流风机之间的距离都很小，因此忽略AT1至控制箱/柜、控制箱/柜至射流风机的电缆阻抗值，同时忽略变压器到变电所低压开关柜的铜母线阻抗值，仅计入低压开关柜至AT1的线路阻抗值。

4.1 采用全压起动方式

最大运行工况为2台射流风机同时运行，AT1的功率P为90 kW，电流I为168 A，额定容量SrM为0.111 MVA；最大起动工况为1台射流风机正在运行时另1台射流风机起动，此时起动电流Iq为705.6 A，额定起动容量SstM为0.464 MVA。比对上文的规范要求，计算及校验步骤如下：

1) 步骤1，根据载流量选择电缆。AT1的2路进线电缆沿区间电缆支架敷设，取K为0.78[4]，根据式(1)可得到Iz≥215.38 A；根据表1，选择交联聚乙烯绝缘电力电缆规格为WDZBN-YJY23-3×70+2×35。

2) 步骤2，通过最大运行工况下电动机端子电压降确定最远供电距离Lm。根据式(2)及要求③，当电缆选用WDZBN-YJY23-3×70+2×35且Δu≤5%时，Lm可达到235 m。

3) 步骤3，最大起动工况下的母线电压降校验。当电缆选用WDZBN-YJY23-3×70+2×35、供电距离为235 m时，X1为0.06 Ω，根据式(3)可得UstB为99.36%，满足要求①。

4) 步骤4，最大起动工况下的电动机端子电压降校验。根据式(7)可得UstM为82.92%。根据式(8)，为保证起动转矩要求，则UstM>38.73%，满足要求②，但由于UstM<85%，不满足要求④中接触器线圈释放电压的要求。如需满足UstM≥85%，则反算出Lm为199 m。

重复步骤3和步骤4，当Lm为199 m时，UstB为99.31%，母线压降校验通过。此时UstM为85.02%，大于38.73%，起动转矩校验通过；UstM在85%～110%的范围内，接触器线圈释放电压校验通过。

综上分析，射流风机FJ1(45 kW)、FJ2(45 kW)按照上述条件采用全压起动时，在0～199 m的供电范围内，选择交联聚乙烯绝缘电力电缆WDZBN-YJY23-3×70+2×35，可满足载流量、运行时电压降、起动时母线电压降、起动时电动机端子电压降、起动转矩、接触器线圈释放电压等各项要求。

4.2 采用软起动方式

采用软起动方式时，选用某厂家PSS系列软起动器，起动电流倍数为4，其余条件与全压起动方式相同。此时，最大运行工况同全压起动方式；最大起动工况为1台射流风机运行时另1台射流风机起动，此时起动电流Iq为420 A，额定起动容量SstM为0.276 MVA。

计算及校验步骤如下：

1) 步骤1，根据载流量选择电缆。同全压起动方式，选择交联聚乙烯绝缘电力电缆WDZBN-YJY23-3×70+2×35。

2) 步骤2，通过最大运行工况下电动机端子电压降确定Lm。同全压起动方式，Lm为235 m。

3) 步骤3，最大起动工况下的母线电压降校验。计算方法同全压起动方式，得到UstB≥85%，满足要求①。

4) 步骤4，最大起动工况下的电动机端子电压降校验。计算方法同全压起动方式，得到UstM为89.49%，其大于起动转矩要求的电动机端子电压降38.73%，校验通过，满足要求②；UstM在85%～110%的范围内，满足要求④。

综上分析，在其余条件不变的情况下，当起动方式改为软起动时，Lm可达235 m。

5 全压起动与软起动的方案比选

5.1 供电距离比较

按照上述计算方法，可得出2台45 kW的射流风机共用1个AT1时进线电缆规格与供电距离的关系，如表3所示。

表3 进线电缆规格与供电距离的关系Tab.3 Relationship between incoming cable specifications and power supply distance

5.2 费用对比

本文只考虑变电所低压开关柜至区间射流风机之间的费用，其主要由3个部分内容组成：

C=C1+C2+C3

(9)

式中：

C——总费用；

C1——设备费用；

C2——电缆费用；

C3——其他费用。

计算时，忽略了C1因容量不同带来的价格差异；C2的电缆由低压开关柜至AT1、AT1至控制箱/柜(距离按20 m考虑)、控制箱/柜至射流风机(距离按20 m考虑)等3部分组成；计算C3时，忽略不同起动方式下的差异，近似认为2种起动方式下其他费用相等。

根据表1和表3，则可得到2台45 kW射流风机在不同起动方式下的费用C与供电距离L的关系，如图3所示。可以看出：

1) 当射流风机与变电所的距离小于461 m时，采用全压起动更为合理。这是因为对于容量确定的风机，供电距离较小时，进线电缆的截面主要取决于正常运行时末端电缆电压降Δu≤5%的要求，2种起动方式下的电缆截面相差并不大，费用差别主要是因为软起动柜费用较高。

2) 随着供电距离的增大，Ust,M逐渐成为了关键因素，导致全压起动方式下的电缆截面要比软起动方式下的电缆截面大。而且随着供电距离的不断增大，2种起动方式下电缆的费用差也会越来越大，所以当射流风机与变电所的距离大于461 m时，采用软起动方式更为合理。

5.3 不同功率射流风机的起动方案比选

同理分别计算出2台30 kW射流风机、2台55 kW射流风机在不同起动方式下的费用与供电距离的关系，如图4～5所示。可以看出：

1) 对于2台30 kW射流风机，当射流风机与变电所的距离小于786 m时，采用全压起动更为合理；

图3 2台45 kW射流风机在不同起动方式下的 费用-距离关系Fig.3 Cost-distance relationship of two 45 kW jet fans underdifferent starting modes

图4 2台30 kW射流风机在不同起动方式下的 费用-距离关系Fig.4 Cost-distance relationship of two 30 kW jet fans under different starting modes

图5 2台55 kW射流风机在不同起动方式下的 费用-距离关系Fig.5 Cost-distance relationship of two 55 kW jet fans under different starting modes

当射流风机与变电所的距离大于786 m时，采用软起动更为合理；

2) 对于2台55 kW射流风机，当射流风机与车站变电所的距离小于395 m时，采用全压起动合理，当射流风机与变电所的距离大于395 m时，采用软起动更为合理。

6 结语

在区间射流风机的供配电设计中，既不能简单地靠放大电缆截面来满足风机的起动和运行要求，也不能忽略风机容量、风机与变电所的距离等因素一概采用软起动方式，而应在满足技术指标的前提下，结合投资费用进行合理的经济分析比较，这对城市轨道交通工程项目节约投资具有重大意义。