地铁配电变压器负荷的计算

沈文杰

（北京市市政工程设计研究总院，北京 100082）

1 地铁中负荷计算原则及方法

1.1 概述

负荷计算的方法有需要系数法、利用系数法、单位面积功率法等几种。

（1）需要系数法：用设备功率乘以需要系数和同事系数，直接求出计算负荷。这种方法比较简便，应用广泛，尤其适合于配、变电所的负荷计算。

（2）利用系数法：采用利用系数求出最大负荷班的平均负荷，再考虑设备台数和功率差异的影响，乘以与有效台数有关的最大系数得出计算负荷。这种方法的理论根据是概率论和数理统计，因而计算结果比较接近实际。适用于各种范围的负荷计算，但计算过程稍繁。

（3）单位面积功率法：估算或按照某一指标计算单位面积的功率，乘以总面积。此种方法误差较大，适用于方案阶段或初步设计阶段的负荷计算。

（4）除以上方法外，还有二项式法以及今年国内出现的ABC法、变值需要系数法等。这些方法有的已被其他方法代替，有的实用数据不多，尚未推广，本文不再多做介绍。

1.2 确定设备功率

进行负荷计算时，需将用电设备按其性质分为不同的用电设备组，然后确定设备功率。用电设备的额定功率Pr或额定容量Sr是指铭牌上标明的数据。对于不同负载持续率下的额定功率或额定容量，应换算到统一负载持续率下的有功功率，即设备功率Pe。

（1）连续工作制电动机的设备功率等于额定功率。

（2）短时或周期工作制电动机的设备功率是指将额定功率换算为统一负载持续率下的有功功率。

（3）整流器的设备功率是指额定直流功率。

（4）成组用电设备的设备功率是指不包括备用设备在内的所有单个用电设备的设备功率之和。

（5）白炽灯的设备功率为灯泡的额定功率。气体放电灯的设备功率为灯管额定功率加上镇流器的功率损耗。

1.3 负荷计算

目前地铁中动力、照明设计时普遍采用的负荷计算方法为需要系数法，该方法简便实用，准确率较高。

低压负荷部分计算见表1。

表1

地铁中的用电负荷等级按照其重要程度分为三级。对于一级负荷应由两个电源供电，当一个电源发生故障时，另一个电源不应同时受到损坏。二级负荷的供电系统，宜由两回线路供电。三级负荷可按约定供电。

按照需要系数法可以得出设备组的计算负荷：Pjs=KxPe。 将各设备组的计算负荷相加，变得到了变压器所带设备总计算负荷。对于单相负荷与三相复合同时存在时，应将单相负荷换算为等效三相负荷，再与三相符合相加。

用电设备的需要系数、功率因数等可以从设计手册中查得，此处不再赘述。

在负荷计算时，还要考虑如下几点：

（1）同时系数。对于不同时使用的设备该设备容量不应重复计算。

（2）季节性负荷。对于季节性负荷，应充分考虑与该设备的运行工况，避免重复计算。比如地铁中的冷水机组和电伴热设备。冷水机组为夏季制冷时使用，而电伴热设备为冬季时为保护设备管线等使用，两种设备容量不应累计。

（3）消防设备。当消防设备的计算负荷大于火灾时切除的非消防设备的计算负荷时，应按消防设备的计算负荷加上火灾时未切除的非消防设备的计算负荷进行计算。当消防设备的计算负荷小于火灾时切除的非消防设备的计算负荷时，可不计入消防负荷。

根据负荷计算表，即可计算出所需变压器的容量，同时确定进线开关的大小以及电容的大小。

表2为变压器的选择（仅列出一段母线变压器计算方法）。

表3为电容器的选择（仅列出一段母线电容器计算方法）。

表2

表3

一般正常工况下的变压器负荷率在 70%~80%比较合适，故障情况下只要一台变压器能够满足全部一二级负荷即可。

2 负荷计算与实际变压器负载率的差异

2.1 地铁变压器负载率现状

从目前北京地铁调查状况来看，各车站配电变压器的选择偏大，正常运行时段的负载率较低，运行实测负荷情况远低于其设计计算负荷。各站配电变压器在正常运行时段变压器负载率均低于30%。地铁二号线全线平均负载率为23%。在正常运行时段（6∶00~23∶30），80%以上的配电变压器的负载率低于30%以下，只有不到20%的变压器的负载率在30%~50%之间。此外，根据各车站半年的负荷统计计算得知，除个别车站的平均负载率略大于50%外，其他车站远低于我国目前干式变压器 70%~80%效益最佳负载率的状况。另外，根据调查其他城市的情况得知，广州地铁1号线在运行6年之后，除少数几台配电变压器在正常运行时段负载率超过40%外，大多数都低于40%。经了解，上海地铁也同样存在动力照明系统计算负荷严重偏大、配电变压器负载率偏低的现象。

2.2 对负荷率现状的分析

从上述现状中可以看出，全国地铁变压器的负荷率都存在着偏低的现象，这个问题不仅增加了地铁的一次性投资和运行成本，同时也给地铁的运行带来诸多不利的问题。为何计算与实际存在如此之大的偏差呢，主要从以下几个方面考虑：

（1）在设计时，对地铁车站内的动力照明负荷系数的选用偏高。对于需要系数、同时系数等并没有详细的规定，都是设计人员根据以往的经验并参照设计手册估算的。很多地铁中使用的设备在手册中并没有或者使用工况不同。目前，各设计院仍采用工业和民用建筑的设计规范来进行地铁的负荷计算，导致计算负荷与实际负荷偏差较大。

（2）地铁各设备专业在提出用电需求时，本身对用电量的估算是偏大的，比如通风空调、通信信号等，它们自身专业的计算也是要比实际需求大很多的。在设计时还要考虑出预留部分，以防将来有设备的增加或用电量的增加。但这种预留究竟需要多少，各专业也是根据自己的经验估算的，规范上也没有明确，因此在设计时普遍存在“大一点比少一点要安全”的理念。各专业只考虑自己预留多一些比较安全，但并不了解变压器负荷率过低带来的危害。

（3）对各专业负荷工况缺乏分析。下面对于可能造成负荷计算偏高的设备进行分析：

对于消防负荷：上面说到不应重复计算，因为在火灾情况下非消防负荷需要切除，变压器只带消防负荷。故不应简单的把消防负荷叠加到计算负荷中。

对于车站屏蔽门的负荷：根据实测，屏蔽门的负荷只是在开起与关闭期间，也只是在机车到站时的3s和离站前的3s期间屏蔽门电动机才消耗电能，其他关闭时间内电动机基本上不消耗电能的。即便是按远期行车密度30对/h计算，屏蔽门的驱动设备的额定负载持续率也低于20%。对于此种短时工作制的电机设备，应换算到统一负载持续率下的有功功率，不应简单的把设备负荷进行叠加。各车站的污水泵、雨水泵、废水泵等，其运行受天气的影响很大，同样也属间歇性负荷，如按长期运行负荷计算也会高估负荷情况。

对于车站内电扶梯的负荷：根据地铁客流特性，扶梯下行客流为持续低流量客流，下行时扶梯处于低负荷和空载状态。上行为间歇性客流，间歇时间与行车间隔有关，上行时处于短时周期性高负载率状态。在无人情况下电扶梯是以50%的低速在运行，其耗能按理论计算仅为原来功率的1/8。因此，地铁电扶梯的运行特点与其他民用和商用电扶梯相比具有自己的负荷特性，因此电扶梯组的需用系数与民用和工业设计也大不相同，应当适当降低。

对于隧道风机的负荷：地下车站动力负荷较大的原因之一是各车站风系统中4台隧道风机。根据隧道的不同情况，通常风机的功率设计为90~110kW。隧道风机只是在两种情况下才启动运行：一是在早、晚运行前后半小时各开起一次风机，运行 30min，用于抽排隧道区间的废气；二是事故状态（或火灾状态）下机车阻塞在隧道区间内，向区间内送风或者火灾事故排烟。在第一种情况下，风机每天仅运行一或两次，每次运行时间很短；而第二种情况（事故状态）下的送风和排烟的几率更少。但是隧道风机由于承担了事故状态下的防排烟功能，要列为一类负荷来计算，这样4台风机的需用系数应该如何考虑是值得研究的。

3 结论

变压器的铁损不随负荷变化，而铜损则与通过电流的平方成正比。在变压器运行中，我们通常以空载损耗和负载损耗作为衡量变压器损耗的两个重要参数。变压器制造厂设计时负载率低于30% 的负载或轻载时变压器经济性最差。50%的负载率不是节能的最佳状态。考虑到初装费、变压器、低压柜、土建投资及各项运行费用，又考虑变压器在使用期间内预留适当的容量，变压器负载率在70%~80%之间较为合理，这样既充分利用了变压器又减少了其他投资。因此，我们在以后的变压器负荷计算中，应充分考虑变压器负荷率的问题，了解各用电设备的各种工况，对需要系数、同时系数、功率因数的选取要尽量贴和实际，各用电专业在提用电需求时也应以满足功能需求为基础，不要预留太多容量。

现在大力倡导节能，在地铁设计中也应遵循这一原则，变压器是地铁中耗能较大的一部分，在变压器上可以节约的能源很多，我们应当充分认识到这一点。尽量发挥变压器的性能，使其经济性、可靠性、效率都达到一个较高的平衡点，使地铁配电设计上升一个新台阶。

[1]地铁设计规范.中国计划出版社, GB/T 7260.3-2003主编单位:北京城建设计研究总院.

[2]供配电系统设计规范.中国计划出版,GB50052-95主编单位:中华人民共和国机械工业部.

[3]10kV及以下变电所设计规范. 中国计划出版社,GB50052-95. 主编单位:中华人民共和国机械工业部.