地铁动力配电系统的设计研究

程明

（中铁第六勘察设计院集团有限公司广东分公司）

1 引言

地铁动力设备是指用380/220V 交流电源的设备，包括BAS（环境与设备监控系统设备）、FAS(火灾自动报警)、自动扶梯、电梯、应急照明、通信系统设备、信号系统设备、综合监控系统设备、公共区照明、设备房间照明、区间检修设备、风机、水泵等设备组成。

负荷性质重要或用电负荷容量较大的集中设备应采用放射式配电[1]。为了满足供电的可靠性，车站的风机、水泵等重要动力设备均采用降压变电所或环控电控室直接供电的放射式供电方式。只有少数动力设备如二级小动力、维修插座箱等二、三级负荷采用树干式配电。地铁动力设备采用放射式为主，树干式和链式配电为辅的配电方式。

2 地铁动力配电设计的负荷计算

2.1 负荷计算的意义

负荷计算是确定供电系统中的变压器容量，开关电器以及互感器等的额定参数，配电母线及各级配电电缆的截面选择，计算电压降等的重要依据。同时，负荷计算对于地铁节能也有其重要的意义。目前地铁的负荷计算普遍采用需要系数法，本工程按照国家相关标准和规范，结合以往的工程实践经验，合理选取需要系数进行计算。

2.2 地铁负荷分级和供电方式

根据《地铁设计规范》（GB50157-2013）对负荷等级的划分，地铁动力照明负荷按其对供电可靠性的要求及失电影响程度，分成三个等级。一级负荷为影响列车行车及消防疏散等的重要负荷，此类负荷采用双电源双回线路供电，属于一级负荷中特别重要的负荷。二级负荷为次重要负荷，宜采用双电源单回线路专线供电。三级负荷可采用单电源单回线路供电，当供电系统故障时可切除。地铁动力照明负荷分级详见表1。

表1 地铁动力照明负荷分级

2.3 采用需要系数法进行负荷计算

需要系数是源于对负荷曲线的分析。设备功率乘以需要系数得出需要功率，多组负荷相加时，再逐级乘以同时系数。需要系数法的计算公式如下[2]：

式中：PC为有功计算负荷，kW；Pe—设备总功率，kW；Kd为需要系数，与用电设备的工作性质、设备台数、设备效率及功能的充分利用有关；Qc为无功计算负荷，kVar；tanφ为功率因数角正切值；为有功同时系数；为无功同时系数；Un为系统标称电压（线电压），kV。

根据《地铁设计规范》（GB 50157-2013）中15.2.10条，当变电所设置两台配电变压器时，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远期一、二级负荷。因此，地铁降压变电所应配备两台容量相等的配电变压器，按照供电范围内一、二级负荷选取变压器容量。计算变压器的容量还要考虑同时系数，同时系数取0.9。根据公式（1）～（5）计算，计算结果见表2。

表2 广州地铁某车站A端变压器容量计算

依据《民用建筑电气设计标准》（GB 51348-2019）[3]4.3.2 条，配电变压器的长期工作负载率不宜大于85%。本站A端降压变电所变压器容量选取2000kVA。根据表2 中进线正常工况下，I 段母线计算视在功率1427.49kVA，I 段母线变压器负载率为71.4%；同理可计算Ⅱ段母线变压器的负载率为65%。在一台变压器故障或检修工况下，另一台变压器负载率为80.2%，满足规范要求。

3 动力配电方案的主要设计要点

3.1 降压变电所的电气设计

变电所选址应靠近负荷中心。本站在站厅A、B端各设置两座降压变电所，向本站及其两侧区间的动力照明负荷供电。降压所或跟随式降压所、环控一级负荷采用单母分段接线，环控二、三级负荷采用单母不分段接线。

3.2 控制、继电保护和消防切非

控制室内的SCADA 实现对变电所低压侧进线开关、母联开关、三级负荷总开关的控制（单控）和状态监视。SCADA 监视变电所低压柜故障信号。变电所非正常运行方式时，由SCADA 切除三级负荷；车站及相邻区间发生火灾时，由FAS 在降压变电所切除非消防负荷。非消防电源包括：三级负荷、环控二级负荷、维修电源、二级小动力、备用空调系统、污水泵、集水泵、公共区照明、设备房照明、出入口扶梯等。电梯火灾情况下不切非。

低压进线柜、母联柜和环控一级负荷、二级负荷、三级负荷馈电柜均设过载、短路瞬时、短延时短路保护及接地保护，其他低压柜设过载、短路瞬时保护，400A及以上的馈线柜和冷水机组馈线柜设置接地保护，400A 以下的馈线柜根据需要设置接地保护。当配电线路较长，接地故障电流较小，间接接触防护电器难以满足接地故障保护灵敏性的要求时，可采取带接地故障保护的断路器，如：区间水泵、区间维修电源、区间照明、区间射流风机等馈线回路。

3.3 动力配电系统与系统专业的接口

3.3.1 电源接口与接地接口

动力配电与民用通信、PIDS 墙屏、信号、站台门、防淹门、电扶梯等系统专业的电源分界在配电箱的出线开关下桩头，接口电源箱(或双电源切换箱)由动力照明配电专业提供。

动力配电与专用通信、PIDS、公安通信、综合监控（含门禁、OA、FAS）、云平台、环境与设备监控系统等系统专业电源分界在各整合UPS系统就地配电箱进线开关上桩头，动力照明配电专业负责进线电缆，就地配电箱由各被整合系统专业负责。

动力配电与系统专业的接地接口分界在接地端子箱的端子排上，接地端子箱由动力照明配电专业提供。

3.3.2 低压组网与通信接口

目前广州地铁新线的动力配电设计都要进行低压组网，智能低压和智能环控设备监控系统通过以太网线或单模光纤组环网的方式连接。车站的低压网关设备设在环控电控室和0.4kV 低压开关柜室。对于没有网关柜的0.4kV 低压开关柜室，交换机安装在进线柜。环网通信距离大于100m 采用单模光纤通信。车站内的所有双电源切换箱和带表计的配电箱一同组网连接到就近车站的环控电控室或0.4kV低压开关柜室的网关柜。

低压配电专业与环境与设备监控系统、综合监控系统、火灾报警系统（FAS）、通风与空调专业、给排水系统、UPS、EPS、智能照明等专业有通信接口。接口连接方式主要是串行数据接口和局域网数据接口两大类，接口位置如下。

1）与综合监控专业的接口

UPS、EPS、电能计量系统、电气火灾监测系统、智能照明系统、消防应急照明和疏散指示系统的通信接口位于综合监控配线架以太网交换机电口侧。车控室的集中电源控制器主机到综合监控的光纤由低压专业提供。

2）与FAS专业接口

①消防切非的接口分界在车站0.4kV 低压开关柜室非消防电源回路分励脱扣器二次端子处。②FAS 负责专用排烟风机、补风机及其联动风阀的控制和监视的接口分界在环控柜或双电源配电箱风机及风阀二次端子。③FAS负责设备区备用照明的强启，接口分界在设备区备用照明回路的接触器端子处。

3）与智能环控设备监控系统接口

①公共区风机盘管监控功能的接口分界在照明配电室箱内预留接触器处。②消防水蝶阀、消防电源监视系统、低压电能计量系统与智能环控设备监控系统接口分界在车站两端环控电控室智能低压网 关的通信接口端子排上。

4 对地铁新线动力配电设计的建议

①应从车站动力设备配电的整个系统出发，按照设备的性质和平面布置情况，适当设置配电室并就近接取电源，以减少不必要的电缆迂回和电缆数量。对于区间动力设备多、布置分散等情况，今后可考虑在区间设置风机配电房，从配电房的环控柜为风机配电。这样既方便检修，也减少区间管线之间互相干扰，还可为将来扩充设备预留空间。

②低压组网的通信线应穿镀锌钢管，上下楼层穿弱电井，以减少强弱电之间的电磁干扰。同时为了减少各专业之间的设计接口，便于施工管理和运营维护，低压组网时尽量减少硬线接口，多采用通信接口。

③车站动力设备、低压配电箱、低压柜、金属件等金属可导电部位应做好等电位联结。在供配电设备集中的位置设置等电位端子箱和接地扁钢，设备外壳可导电部分应做好辅助等电位联结。

④选取合理的需要系数进行负荷计算可有助于减少变压器投资，提高变压器负载率，有利于节能。对消防泵、出入口消防风机等消防性质的负荷计算时，由于火灾时切除的三级负荷大于该类消防负荷，进行负荷计算的时候可不计入。

⑤最近广州地铁8号线东延线将引入柔性直流供配电系统，采用±10KV电压等级的直流供电，通过新建换流站把±10KV 直流电引入车站内，地铁动力照明设备将全面采用375/220V 直流配电。广州地铁将成为全国首个应用柔性直流供配电系统的地铁线路。柔性直流供配电系统为地铁供配电设计提供更多的解决方案，将有助于构建以新能源为主体的新型电力系统。