轨道交通车站用电负荷计算探讨

谭琼亮

轨道交通车站用电负荷计算探讨

谭琼亮

分析了轨道交通车站用电负荷的构成和车站各用电设备组的运行特性，结合以往运营经验，确定了各用电设备组需要系数的选取。

低压配电；需要系数；用电负荷计算

0 引言

轨道交通用电负荷分为运营车辆及其辅助设备所消耗的牵引负荷和车站与区间的动力照明负荷。牵引负荷与车辆用电特性、客流、线路、列车编组、运行图、信号方式等因素密切相关。动力照明负荷主要由通信、信号、通风与空调、给排水、扶梯等负荷构成，旨在保证轨道交通安全运行和为乘客提供舒适的环境，它与车站的规模和结构以及环控系统的设计模式密切相关。

牵引系统的运行模式相对单一，经过直流牵引供电系统仿真，牵引负荷可以相对准确地估计。动力照明负荷的计算相对复杂，与轨道交通机电系统的运行模式密切相关。本文将重点分析车站动力照明负荷的构成及其负荷计算，有助于确定各用电设备组的需要系数，合理选择配电变压器容量。

1 车站负荷构成

轨道交通车站负荷根据其变化性可以分为2大类。一类属于系统性负荷，它是根据车站的功能必须设置的，与车站的规模和结构基本无关，全线基本一致，该类负荷主要由电子与计算机类负荷构成。另一类负荷根据车站的规模和功能定位，以及通风与空调系统的设置（集中供冷、分散供冷），变化比较大。该类负荷主要由照明类和电动机类负荷构成。具体负荷分类[1]详见表1。

表1 轨道交通车站机电设备用电负荷划分一览表

2 各系统用电负荷计算

2.1 通风与空调系统设备组

通过分别对车站通风与空调系统处于早/晚运行模式下、正常运营时在全新风空调模式下、发生区间阻塞同时车站处于全新风空调模式下、区间发生不明火灾时车站通风空调系统的最大计算负荷进行计算和分析，通风与空调系统的最大负荷出现在当车站在全新风空调模式运行，区间发生阻塞，车站其他系统不降级运行，区间隧道通风系统（4台）投入运行时段。由于阻塞运行的时间可能超过0.5 h，因此在进行车站35 kV变电所负荷计算时，宜按照区间阻塞时的最大需要功率进行计算。

笔者通过对多个典型车站的通风与空调系统设备组的需要系数进行分析计算后认为，地下车站通风与空调系统设备组的需要系数可以取0.6～0.8；对于分散供冷的中大规模车站，通风与空调系统设备组的需要系数可以取0.6～0.65；对于集中供冷的中等规模车站，通风与空调系统设备组的需要系数可以取0.7～0.75；当防排烟设备基本独立设置时，设备组的需要系数可以取0.7；当防排烟设备大部分合并设置时，设备组的需要系数可以取0.75；对于小规模的集中供冷车站，设备组的需要系数可以取0.8；对于高架车站，除了防排烟设备，在最大负荷时所有风机设备均有可能同时达到额定负荷，因此高架车站通风与空调设备组的需要系数主要为设备的需要系数，一般取0.8。

2.2 给排水与消防系统设备组

车站给排水系统由污水泵、废水泵、风亭/出入口雨水泵组成，该系统的运行受天气影响较大，具有一定的随机性，属于间歇式的运行模式。除非发生特大暴雨或者漏水事件，排水系统的所有设备投入使用，处于最大负荷运行；根据现在的设计方案，平时最多只有一半的设备投入使用。结合《民用建筑电气设计手册》提供的设计经验，车站给排水用电设备的需要系数为0.6～0.7。

2.3 扶梯、屏蔽门、防淹门系统设备组

2.3.1 扶梯

（1）扶梯设备的运行特性分析。根据轨道交通车站客流特性：扶梯下行客流为持续低流量客流，扶梯上行客流与行车间隔密切相关，为间断性的高密度客流。因此，下行扶梯一般处于低负荷率状态或者接近空载状态；上行扶梯一般处于短时周期性的高负荷率（接近75%）状态。

空载时扶梯的上行功率和下行功率基本接近，空载电流约为25 A，空载功率约占额定功率的41.6%，功率因数约为0.64。上行扶梯接近75%负载率时的最大电流为39 A，此时的负载功率约占额定功率的65%。扶梯下行时，乘客的重力势能转化为动能，用以克服扶梯的下行运行阻力；下行扶梯的负载率越高，扶梯的耗电量越低。因此下行扶梯的空载耗电功率为下行扶梯的最大耗电功率。

（2）扶梯设备组需要系数。根据自动扶梯运行特性，扶梯设备组的需要系数可按式（1）计算：

式中，ϕ0为自动扶梯空载负载率；ϕN为自动扶梯满载运行时的负载率，0.75～1；ΣPN为自动扶梯设备组的装机容量；Kt为设备组中的上行扶梯同时达到接近满载运行的概率；η为扶梯电动机运行效率。

根据经验自动扶梯空载负载率ϕ0为41%，基本假设ϕN= 0.75，Kt= 1，由式（1）算得车站自动扶梯设备组的需要系数为0.60，功率因素为0.7。

2.3.2 屏蔽门

屏蔽门驱动负荷主要为直流电动机和PLC等控制设备；屏蔽门光带为日光灯（常明）。屏蔽门开/关列车车门的开关同步运作，开门/关门的频率由行车密度决定。在0.5 h内，左线和右线的车辆同步到站、同步离站属于小概率事件，而且持续时间很短，一般为22.5 s，由此引起的对变压器的冲击可以忽略不计。

屏蔽门驱动系统属于周期工作制的电动机负荷。按照远期行车密度30对/h计算，屏蔽门驱动设备的额定负载持续率εr= 18.75%。屏蔽门驱动负荷的设备功率为

式中，Pm为屏蔽门驱动设备额定容量。

根据屏蔽门系统的运行规律，屏蔽门系统的需要系数可按式（3）计算：

式中，Pm为屏蔽门系统驱动负荷额定容量，PL为屏蔽门光带负荷额定容量，η为屏蔽门系统内部电能转化效率（主要为UPS逆变器转化效率），取0.9。

建议屏蔽门系统的需要系数取0.65，功率因数为0.90。

2.3.3 电梯与防淹门

电梯与防淹门具有相同的运行模式，例如电梯和楼梯升降机，主要供残疾人士或者行走不方便的旅客使用，平时多处于停机状态，不消耗电能；防淹门设置于隧道进出水域的两端，平时处于待机状态，仅有检测信号，基本不消耗电能。依据《工业与民用配电设计手册》提供的经验数据，轨道交通用电梯、楼梯升降机、防淹门等用电设备的需要系数可取0.18～0.22，功率因数为0.55。

2.4 照明设备组

轨道交通车站照明一般分为站厅/站台公共区照明、车站设备区照明、广告照明和应急照明。公共区照明按照工作方式又可分为事故照明、工作照明和节电照明。公共区照明、广告照明和应急照明属于常明灯；设备区照明根据工作需要决定，如车控室、站长室、站务室、警务室等房间一般常明，环控电控室、环控机房、通信电源室、信号电源室等房间仅在设备巡检、检修时开启。参照《民用建筑电气设计手册》，站厅/站台公共区照明、广告照明和应急照明的需要系数取1，设备区照明的需要系数可以取0.7。

轨道交通车站中的光源设备一般为自带补偿型荧光灯，功率因数一般可达0.9以上。

2.5 其他系统设备组

通信、信号、民用通讯、警务室、主控系统、BAS、AFC、门禁系统、FAS系统等重要的计算机电子类系统一般自带UPS电源。各个专业提供的负荷数据一般为UPS的额定容量。为了确保UPS的效率，尽可能延长UPS的使用寿命，一般推荐用户的负载仅占UPS输出功率的60%～70%。UPS容量一般可按式（4）计算：

式中，Sc，Pc为UPS计算容量，kV·A；PΣ为全部负荷的计算功率，kW；cosϕ为负载功率因数；Krel为计及环境温度，直流电压下降系数，设备老化系数及设计裕度的可靠系数，一般取1.33～1.53。

由式（4）可得，该类系统设备组的需要系数

式中，η为UPS系统的效率，取0.9。

由式（5）可得，需要系数为0.73～0.83，结合目前轨道交通设计的实际情况（一般按照设备最大消耗功率提供UPS的额定容量），并参照《工业与民用配电设计手册》，轨道交通车站该类系统的需要系数可取0.75。根据苏州轨道交通三号线UPS产品的招标资料，UPS的输入功率因数一般大于0.9，因此该类系统设备组的功率因数通常取0.9。

3 对轨道交通降压变电所负荷计算的建议

通过上述对车站主要机电系统的设备构成和运行方式的分析，并结合工程实际经验，得出对轨道交通车站35 kV降压变电所变压器计算负荷系数选取的建议，具体详见表2。

表2 车站变电所动照负荷计算表

表2中通风与空调系统设备组需要系数的选取范围较大，主要与车站规模、供冷方式，系统结构及运行模式和设备配置有关，具体详见2.1节中所述。另外，表中的二、三级小动力主要包括轨道交通车站资源开发用电的备用电源（仅占小部分）、车站保洁用电和临时用电。

该类负荷一般在车站负荷低谷时段或者正常运营停止之后使用，根据经验二、三级小动力用电负荷的需要系数取为0.4。商铺、银行用电负荷的需要系数参照《民用建筑电气设计手册》取为0.8。

4 结语

目前，国内轨道交通配电变压器的容量选取普遍偏大，实际负载率偏低，造成一定的经济浪费，本文通过对车站各用电设备组需要系数选取的分析，可让变压器的负荷计算更加经济科学，为后续线路低压负荷计算和变压器容量选择提供指导。

[1] GB50157-2003 地铁设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.

[2] 工业与民用配电设计手册[M]. 北京：中国电力出版社，2005.

[3] 民用建筑电气设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

This paper analysis of the rail transit station load structure and the operation characteristics of electric equipment for the station group, combined with previous operating experience, the selection of equipment for group required coefficient of power.

low-voltage distribution; required coefficient of power; calculation of power load

U231.8

B

1007-936X(2014)04-0039-03

2014-01-20

谭琼亮.苏州轨道交通集团有限公司，工程师，电话：13814858514。